基于工作記憶的高效物理課堂設(shè)計(jì)研究

施國(guó)春 李 穎

（渤海大學(xué)教育與體育學(xué)院，遼寧錦州121000）

學(xué)科教學(xué)

基于工作記憶的高效物理課堂設(shè)計(jì)研究

施國(guó)春 李 穎

（渤海大學(xué)教育與體育學(xué)院，遼寧錦州121000）

高效率的學(xué)習(xí)成為學(xué)生、家長(zhǎng)以及社會(huì)各界人士的呼聲。高效率的物理課堂設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于以學(xué)生的認(rèn)知加工特點(diǎn)為基礎(chǔ)，因此以工作記憶與物理學(xué)習(xí)成績(jī)之間的關(guān)系為視角，提出“以學(xué)生為中心”的物理課堂設(shè)計(jì)應(yīng)包含三點(diǎn)：一是避免以語(yǔ)言講解為示范的課堂設(shè)計(jì)；二是促進(jìn)以物理實(shí)驗(yàn)為紐帶的生成教學(xué)；三是加強(qiáng)“生生”“師生”合作教學(xué)。

工作記憶；課堂設(shè)計(jì)；物理成績(jī)

物理是中學(xué)非常重要的學(xué)科，其重要性不僅在學(xué)科成績(jī)中占有重要的位置，而且關(guān)乎青少年抽象邏輯思維的發(fā)展和形成，如何促進(jìn)學(xué)生高效地學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)出高效的物理課堂成為教師的棘手問(wèn)題。高效課堂的設(shè)計(jì)是以“學(xué)生為中心”的設(shè)計(jì)模式，“以學(xué)生為中心”的設(shè)計(jì)建立在學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)信息感知、編碼、存儲(chǔ)和提取基礎(chǔ)上。最近心理學(xué)研究表明工作記憶是影響學(xué)生學(xué)習(xí)成效的重要認(rèn)知支持系統(tǒng)，工作記憶是一種對(duì)信息進(jìn)行暫時(shí)加工和貯存的能量有限的記憶系統(tǒng)［1］，它由三個(gè)子系統(tǒng)組成：語(yǔ)音回路、視覺(jué)空間模板和中央執(zhí)行系統(tǒng)。語(yǔ)音回路負(fù)責(zé)詞語(yǔ)形式信息的編碼和暫時(shí)儲(chǔ)存，語(yǔ)音回路與閱讀有很強(qiáng)的相關(guān)，相關(guān)研究表明閱讀困難的核心缺陷在于語(yǔ)音回路的缺陷［2］；視覺(jué)空間模板負(fù)責(zé)視覺(jué)空間信息的編碼和暫時(shí)儲(chǔ)存并能夠操作心理表象，目前有關(guān)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難的研究表明，數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難的缺陷可能存在于視覺(jué)空間模板上的缺陷；中央執(zhí)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)工作記憶系統(tǒng)中信息加工過(guò)程的控制、協(xié)調(diào)并與長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)進(jìn)行信息交流［3］，以往研究表明無(wú)論語(yǔ)文學(xué)習(xí)困難還是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難，都可能存在著中央執(zhí)行系統(tǒng)上的缺陷。工作記憶不同于短時(shí)記憶，短時(shí)記憶是對(duì)信息暫時(shí)的儲(chǔ)存，而工作記憶除了具有暫時(shí)儲(chǔ)存的功能外，更強(qiáng)調(diào)對(duì)信息的加工控制，如：抑制無(wú)關(guān)信息、協(xié)調(diào)短時(shí)記憶和長(zhǎng)時(shí)記憶的信息、選擇學(xué)習(xí)策略等等。因此有研究者提出工作記憶等于“短時(shí)記憶＋執(zhí)行注意”。基于工作記憶在學(xué)科學(xué)習(xí)中的重要作用，本研究以工作記憶與物理學(xué)習(xí)成績(jī)之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，探討如何設(shè)計(jì)高效的物理課堂。

一、工作記憶與物理學(xué)習(xí)成績(jī)之間關(guān)系的探討

為了能清楚地探討工作記憶與物理學(xué)習(xí)成績(jī)之間的關(guān)系，本研究對(duì)物理學(xué)困生和非學(xué)困生進(jìn)行了工作記憶的測(cè)量，工作記憶共包含三個(gè)維度，分別為語(yǔ)音回路、視覺(jué)空間模板和中央執(zhí)行系統(tǒng)。語(yǔ)音回路測(cè)量包括閱讀廣度、計(jì)算廣度和運(yùn)算—詞語(yǔ)廣度；視覺(jué)空間模板包括點(diǎn)矩陣、距離估計(jì)和字母旋轉(zhuǎn)；中央執(zhí)行系統(tǒng)使用Flanker任務(wù)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。本研究共進(jìn)行了兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)分析：一方面進(jìn)行了工作記憶與物理學(xué)習(xí)成績(jī)之間的回歸分析（如表1所示）；另一方面對(duì)物理學(xué)困生和非學(xué)困生進(jìn)行了差異檢驗(yàn)

（如表2所示）。

表1 工作記憶各個(gè)維度對(duì)物理成績(jī)的回歸分析

從表1分析可以看出，工作記憶三個(gè)維度除了語(yǔ)音回路，視覺(jué)空間模板和中央執(zhí)行系統(tǒng)分別進(jìn)入回歸方程，回歸系數(shù)分別為0．357，0．312，0．361，0．402，達(dá)到顯著性水平；而語(yǔ)音回路中的閱讀廣度、計(jì)算廣度和運(yùn)算—詞語(yǔ)廣度沒(méi)有進(jìn)入回歸方程，回歸系數(shù)不顯著，這說(shuō)明視覺(jué)空間模板和中央執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)物理成績(jī)具有預(yù)測(cè)作用，而語(yǔ)音回路則沒(méi)有預(yù)測(cè)作用。

表2 物理學(xué)困生和非學(xué)困生在工作記憶各個(gè)維度上的差異分析

從表2分析可知：物理學(xué)困生和非學(xué)困生在語(yǔ)音回路中的閱讀廣度、計(jì)算廣度和運(yùn)算－詞語(yǔ)廣度三者得分上的差異不大，沒(méi)有達(dá)到顯著性水平，但是在視覺(jué)空間模板和中央執(zhí)行系統(tǒng)各個(gè)維度上的得分分別為－3．45＊，－3．32＊，－3．64＊＊，－3．92＊＊，都達(dá)到了顯著性水平。這說(shuō)明物理學(xué)困生和非學(xué)困生在工作記憶上的差異體現(xiàn)在視覺(jué)空間模板和中央執(zhí)行系統(tǒng)之間的差異，物理學(xué)困生存在著工作記憶廣度的缺陷，其缺陷體現(xiàn)在視覺(jué)空間模板和中央執(zhí)行系統(tǒng)。

二、基于工作記憶的高效物理課堂設(shè)計(jì)

1．避免以語(yǔ)言講解為主導(dǎo)的示范教學(xué)

以語(yǔ)言為主導(dǎo)的示范教學(xué)是接受學(xué)習(xí)的具體表達(dá)形式，它是教師以語(yǔ)言講解為主，通過(guò)對(duì)知識(shí)分析、總結(jié)，然后系統(tǒng)地傳授給學(xué)生的傳統(tǒng)教學(xué)手段，其優(yōu)點(diǎn)是高效、系統(tǒng)、直接。以語(yǔ)言為主導(dǎo)的示范教學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)是認(rèn)為語(yǔ)言是通往知識(shí)理解的途徑，學(xué)生解題障礙在于無(wú)法理解題中語(yǔ)言文字的釋義。本研究以實(shí)證的方式證明語(yǔ)言理解和語(yǔ)言信息在物理學(xué)習(xí)中的有限性，語(yǔ)音回路在工作記憶中主要負(fù)責(zé)語(yǔ)音信息的儲(chǔ)存與加工。本研究表明語(yǔ)音回路對(duì)物理學(xué)習(xí)成績(jī)不具有預(yù)測(cè)作用，物理學(xué)困生和非學(xué)困生在語(yǔ)音回路的三個(gè)維度閱讀廣度、計(jì)算廣度和運(yùn)算—詞語(yǔ)廣度上不存在著差異，可以進(jìn)一步確定語(yǔ)言信息的存儲(chǔ)和理解以及提取不是造成學(xué)生物理學(xué)習(xí)成績(jī)不良的決定性因素。因此，以語(yǔ)言講解為主導(dǎo)的傳統(tǒng)物理課堂教學(xué)不應(yīng)是物理學(xué)習(xí)的主導(dǎo)形式。

以語(yǔ)言講解為主導(dǎo)的示范教學(xué)不應(yīng)該成為物理課堂的主導(dǎo)形式是因?yàn)槲锢韺W(xué)科的學(xué)習(xí)更多依賴的是學(xué)生的抽象邏輯思維，其功能也是促進(jìn)學(xué)生抽象邏輯思維的發(fā)展。皮亞杰認(rèn)為語(yǔ)言理解與抽象邏輯思維之間只有極少的關(guān)系。［4］抽象邏輯思維是一種思維運(yùn)算，思維的運(yùn)算來(lái)源于活動(dòng)，抽象邏輯思維是主體對(duì)活動(dòng)的反省抽象。［5］盡管語(yǔ)言與抽象邏輯思維之間沒(méi)有多大關(guān)系，詞匯通常不是達(dá)到理解的捷徑，但學(xué)生所使用的語(yǔ)言卻常常標(biāo)志著他們邏輯思維的階段。［6］由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)物理課堂以語(yǔ)言為主導(dǎo)的講解方式是建立在學(xué)生原有的抽象邏輯思維基礎(chǔ)上來(lái)通達(dá)新的知識(shí)，是以考試為導(dǎo)向的“死記硬背”、“題海戰(zhàn)術(shù)”的教學(xué)方式，但沒(méi)有從真正意義上促進(jìn)學(xué)生的抽象邏輯思維形成與發(fā)展，這與我國(guó)新課程改革的目標(biāo)背道而馳。

2．促進(jìn)以物理實(shí)驗(yàn)為紐帶的生成教學(xué)

物理學(xué)習(xí)依賴于抽象邏輯思維，思維的抽象邏輯性取決于可逆性思維運(yùn)算。本研究表明視覺(jué)空間模板對(duì)物理成績(jī)具有預(yù)測(cè)作用，物理學(xué)困生和非學(xué)困生存在著視覺(jué)空間模板的缺陷。視覺(jué)空間模板主要處理兩種視覺(jué)空間信息：一種是視覺(jué)信息，主要體現(xiàn)在物體的物理屬性，如顏色、大小、形狀等；另一種是空間信息，與位置、位移和運(yùn)動(dòng)有關(guān)。從研究數(shù)據(jù)可以看出，視覺(jué)空間模板中的字母旋轉(zhuǎn)要比點(diǎn)矩陣和距離估計(jì)更具有預(yù)測(cè)作用。視覺(jué)空間模板以及視覺(jué)空間模板中的字母旋轉(zhuǎn)之所以能很好地預(yù)測(cè)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)成績(jī)，是因?yàn)橐曈X(jué)空間模板包含了抽象邏輯思維的核心元素——思維的可逆性，所謂的可逆性是指動(dòng)作可以在心理上逆轉(zhuǎn)。依據(jù)皮亞杰的觀點(diǎn)，內(nèi)化的動(dòng)作以及動(dòng)作在心理上的逆轉(zhuǎn)來(lái)源于主體的實(shí)踐活動(dòng)。從學(xué)科教育來(lái)講，物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)行物理知識(shí)學(xué)習(xí)和探索的有效實(shí)踐方式。

以物理實(shí)驗(yàn)為紐帶的生成教學(xué)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)科學(xué)習(xí)中的重要作用，它不僅是實(shí)現(xiàn)知識(shí)－技能目標(biāo)的手段和途徑，更重要的是實(shí)現(xiàn)過(guò)程與方法目標(biāo)的實(shí)踐基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)情感、態(tài)度和價(jià)值觀目標(biāo)的重要載體和工具。物理實(shí)驗(yàn)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)上述三種課程目標(biāo)，是因?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)不僅符合學(xué)生認(rèn)知生成和發(fā)展的特點(diǎn)，還在于它符合物理學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)。物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理學(xué)中所有概念的形成、理論的建立、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，實(shí)驗(yàn)既是其形成的重要和主要途徑，也是其發(fā)展的動(dòng)力源泉。不少物理理論就是在物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上涌現(xiàn)出來(lái)的，例如盧瑟福建立的原子核結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)是α粒子散射實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的大角度散射現(xiàn)象；普朗克的能量量子假設(shè)則是在解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律時(shí)萌發(fā)出來(lái)的。物理學(xué)的發(fā)展充分表明，實(shí)驗(yàn)不僅是一種研究物理問(wèn)題的科學(xué)方法或者手段，而且是一種物理學(xué)的基本思想和基本觀點(diǎn)。

3．加強(qiáng)“生生”“師生”的合作教學(xué)模式

本研究表明中央執(zhí)行系統(tǒng)在工作記憶中對(duì)物理學(xué)習(xí)成績(jī)預(yù)測(cè)作用最大，物理學(xué)困生和非學(xué)困生存在最大的差異是中央執(zhí)行系統(tǒng)。中央執(zhí)行系統(tǒng)之所以能更好地預(yù)測(cè)學(xué)生的物理成績(jī)，是因?yàn)橹醒雸?zhí)行系統(tǒng)具有協(xié)調(diào)語(yǔ)音回路和視空間模板、抑制無(wú)關(guān)刺激、提取策略和操縱注意資源等功能。盡管中學(xué)生思維發(fā)展特點(diǎn)是抽象邏輯思維占主導(dǎo)，形式邏輯思維迅速發(fā)展，但是在抽象邏輯思維發(fā)展的過(guò)程中，學(xué)生仍然受到具體形象思維的限制，即物理經(jīng)驗(yàn)表征處于優(yōu)勢(shì)。不能抑制外在的物理特征優(yōu)勢(shì)，就很難去偽存真，透過(guò)現(xiàn)象抓住事物的本質(zhì)，這是物理學(xué)習(xí)不良的根本原因。因此如何促進(jìn)學(xué)生抽象邏輯思維的形成，為物理學(xué)習(xí)提供思維支架以及如何通過(guò)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展成為物理課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心環(huán)節(jié)。

抽象邏輯思維的發(fā)展受到兩個(gè)發(fā)面的制約：一是思維的自我中心性；二是兒童缺乏對(duì)自己思維的自覺(jué)意識(shí)。［7］合作學(xué)習(xí)是克服思維自我中心性和思維自覺(jué)意識(shí)缺乏的有效途徑。皮亞杰認(rèn)為，兒童在與別人合作的過(guò)程中相互切磋，共同提高，“兒童如果不同他人進(jìn)行思想交流與合作，就無(wú)法把他的運(yùn)算組成一個(gè)連貫的整體?！保?］同伴的思維最接近學(xué)生自己的思維，通過(guò)與同伴交流，學(xué)生能反觀自我的思維狀態(tài)，進(jìn)而有利于去自我中心，加強(qiáng)對(duì)自我思維的覺(jué)察，培養(yǎng)客觀的批判態(tài)度和科學(xué)的推理行為。合作可以包含兩個(gè)方面：一是學(xué)生之間的合作；二是學(xué)生與老師的合作。

［1］Baddeley A．Working Memory［J］．Science，1992，255（5044）：556．

［2］李莉，顧琦一．工作記憶與語(yǔ)言水平對(duì)外語(yǔ)聽(tīng)力、閱讀理解的影響［J］．海外英語(yǔ)，2014（5）：26．

［3］Baddeley A，H Emslie，J Kolodny，J Duncan．Random Generation and the Executive Control of Working Memory［J］．Journal of Experimental Psychology，l998，51：819－821．

［4］柯普蘭．兒童怎樣學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)［M］．李其維，等譯．上海：上海教育出版社，1985．

［5］李其維．評(píng)發(fā)生認(rèn)識(shí)論的“反省抽象”范疇［J］．心理科學(xué)，2004，27（3）：514－518．

［6］皮亞杰，加西亞．走向一種意義的邏輯［J］．李其維，譯．上海：華東師范大學(xué)出版，2005．

［7］林敏，孫志風(fēng)．簡(jiǎn)評(píng)皮亞杰關(guān)于反省抽象及其發(fā)展的研究［J］．華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：教育科學(xué)版，2006，24（2）：66－71．

［8］皮亞杰．發(fā)生認(rèn)識(shí)論原理［M］．王憲鈿，等譯．北京：商務(wù)印書館，1996．

［責(zé)任編輯：陳學(xué)濤］

G633．7

A

1002－1477（2015）06－0041－03

10．16165／j．cnki．22－1096／g4．2015．06．011

2014－07－06

遼寧省教育廳人文社會(huì)科學(xué)項(xiàng)目（W2011075）。

施國(guó)春（1979－），女，遼寧葫蘆島人，博士，講師；李穎（1977－），女，遼寧葫蘆島人，碩士，講師。