高中物理知識(shí)層級(jí)關(guān)系劃分及其應(yīng)用研究

艾 靜 熊建文

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510000)

1 基于整合的理念提出學(xué)科知識(shí)層級(jí)關(guān)系

1.1 知識(shí)層級(jí)現(xiàn)象存在的依據(jù)和整合理念下的層級(jí)關(guān)系提出

“整合”成為基礎(chǔ)教育階段科學(xué)課程改革的核心理念,也成為現(xiàn)階段科學(xué)教育研究者的共識(shí),整合理念為科學(xué)教育面臨的首要矛盾“有限的科學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)間和無限的科學(xué)知識(shí)”提出了解決方案,也為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展搭建了平臺(tái)．[1]基于此,在目前學(xué)科教育研究中較為關(guān)注的是核心概念、跨學(xué)科共通概念．學(xué)科核心概念(disciplinary core ideas)具有很高的抽象與概括程度,是組織整合本學(xué)科許多一般概念、原理和理論的少數(shù)關(guān)鍵概念．跨學(xué)科共通概念(crosscutting concepts)超越學(xué)科界限,是運(yùn)用不同學(xué)科的研究方法或思維方式來解決共同問題或完成共同任務(wù)的一種思維方式．[2]這些概念的提出,從一定程度上論證了學(xué)科知識(shí)的不等值問題,學(xué)科核心概念處于學(xué)科知識(shí)的核心位置,說明學(xué)科知識(shí)在發(fā)展學(xué)生能力或培養(yǎng)學(xué)生素養(yǎng)方面所起作用不同,導(dǎo)致對(duì)不同層級(jí)的學(xué)科知識(shí)所需達(dá)到的學(xué)習(xí)或認(rèn)知程度要求也不同．學(xué)科知識(shí)不等值問題的模糊認(rèn)識(shí)或界定不清,會(huì)導(dǎo)致學(xué)科知識(shí)認(rèn)知和建構(gòu)的困難,基于整合的理念,將學(xué)科知識(shí)進(jìn)行分類,將同一層級(jí)知識(shí)聚類,不同層級(jí)知識(shí)加以區(qū)分,構(gòu)建知識(shí)層級(jí)關(guān)系,符合當(dāng)前科學(xué)教育發(fā)展研究需要．

1.2 高中物理知識(shí)層級(jí)關(guān)系劃分的依據(jù)

當(dāng)前教育研究中用少數(shù)幾個(gè)核心概念整合整個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,使得學(xué)科知識(shí)體系相對(duì)清晰,但在日常教學(xué)中,學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)是通過對(duì)一般知識(shí)的學(xué)習(xí)和認(rèn)知完成,物理學(xué)學(xué)科知識(shí)主要由概念和定理(律)組成,通過對(duì)這些知識(shí)的學(xué)習(xí),可以使學(xué)習(xí)者掌握物理科學(xué)思維方法，熟悉科學(xué)探究過程,形成科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀．學(xué)科知識(shí)存在層級(jí)關(guān)系,即其構(gòu)成要素如概念、定理(律)存在層級(jí)關(guān)系,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn): (1) 就知識(shí)本身而言,其構(gòu)成要素、應(yīng)用范圍不同,導(dǎo)致其在整個(gè)知識(shí)體系中所處位置不同; (2) 從學(xué)科知識(shí)體系的建構(gòu)來說,學(xué)科知識(shí)體系建構(gòu)一定是一個(gè)由低往高逐層建構(gòu)的完整體系,這樣的體系即符合學(xué)生認(rèn)知心理發(fā)展特征,也符合知識(shí)體系建構(gòu)的科學(xué)性和完整性; (3) 從知識(shí)的教與學(xué)的角度分析,層級(jí)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)符合邏輯思維的培養(yǎng)和發(fā)展的規(guī)律,使教與學(xué)都能更為科學(xué)、有序、完整; (4) 從知識(shí)掌握的維度來分析,不同層級(jí)的知識(shí)所構(gòu)成的認(rèn)知屬性層級(jí)關(guān)系不同,低水平層級(jí)知識(shí)是高水平層級(jí)知識(shí)認(rèn)知和建構(gòu)的基礎(chǔ),層級(jí)結(jié)構(gòu)能使得學(xué)習(xí)者更清楚地認(rèn)識(shí)到知識(shí)之間的關(guān)聯(lián),清晰構(gòu)建自身知識(shí)體系; (5) 基于知識(shí)應(yīng)用的角度分析,不同層級(jí)的知識(shí),應(yīng)用范圍不同,對(duì)學(xué)習(xí)者各方面素養(yǎng)的培養(yǎng)所起作用也不同．

2 高中物理知識(shí)層級(jí)關(guān)系構(gòu)建

2.1 知識(shí)要素的提取

本研究以高中物理動(dòng)力學(xué)部分為例,說明知識(shí)層級(jí)關(guān)系的構(gòu)建方法及所構(gòu)建好的層級(jí)關(guān)系,并進(jìn)一步對(duì)所構(gòu)建的層級(jí)關(guān)系進(jìn)行論證．

選取動(dòng)力學(xué)知識(shí)作為本研究的樣例分析,主要基于以下幾個(gè)方面的思考: (1) 動(dòng)力學(xué)知識(shí)是學(xué)習(xí)者進(jìn)入高中后首先學(xué)習(xí)的模塊,其內(nèi)容相較于電磁學(xué)知識(shí),是自初中物理到高中物理知識(shí)發(fā)展較為完整的一塊,學(xué)習(xí)者對(duì)這部分知識(shí)更容易建構(gòu)起相對(duì)完整、獨(dú)立、系統(tǒng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu); (2) 動(dòng)力學(xué)所涉及的知識(shí)較為基礎(chǔ),電磁學(xué)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)也需借助動(dòng)力學(xué)知識(shí)的掌握作為基礎(chǔ),如在場中力和能的分析都是依托動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí); (3) 動(dòng)力學(xué)部分在日常教學(xué)和學(xué)業(yè)水平考核中所占比重決定了其在高中物理知識(shí)中的重要地位,對(duì)該部分知識(shí)進(jìn)行層級(jí)劃分,探討教學(xué)和評(píng)價(jià)方法,既解決了高中物理知識(shí)難點(diǎn)問題,同時(shí)也為其他知識(shí)的學(xué)習(xí)提供了樣例參考．

通過文本分析和向一線教師調(diào)研的方式,提取動(dòng)力學(xué)知識(shí)屬性共計(jì)38個(gè),分別為:參考系、質(zhì)點(diǎn)、位移、路程、時(shí)間、時(shí)刻、速度、速率、加速度、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、力、重力、彈力、摩擦力、力的合成與分解、牛頓三大定律、質(zhì)量、拋體運(yùn)動(dòng)、周期、線速度、角速度、圓周運(yùn)動(dòng)、向心力、向心加速度、萬有引力定律、功、功率、重力勢能、動(dòng)能、彈性勢能、動(dòng)能定理、能量守恒定律、機(jī)械能守恒定律、動(dòng)量、沖量、動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律．

2.2 知識(shí)層級(jí)關(guān)系的構(gòu)建

2.2.1 兩個(gè)假設(shè)

假設(shè)1:知識(shí)的層級(jí)界定與用來定義它的物理量有直接的關(guān)聯(lián).

假設(shè)2:知識(shí)的層級(jí)界定高于定義知識(shí)的物理量中的最高級(jí).

解釋說明:動(dòng)力學(xué)提取的知識(shí)屬性包括物理量、定理(定律)、運(yùn)動(dòng)形式．從定義構(gòu)成來看,如位移,該概念界定是從數(shù)學(xué)的角度來界定“從起點(diǎn)到終點(diǎn)的有向線段”,屬于最低水平的知識(shí)——水平1;如速度,該概念是定義在位移的基礎(chǔ)上,“位移與時(shí)間的比值”,屬于高一級(jí)水平的知識(shí)——水平2;如加速度,概念是定義在速度的基礎(chǔ)上,“速度的變化與發(fā)生這一變化所需時(shí)間的比值”,屬于更高一級(jí)水平的知識(shí)——水平3;如牛頓第二定律,知識(shí)界定中包含“物體加速度的大小跟作用力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比,且與物體質(zhì)量的倒數(shù)成正比”,因此屬于更高一級(jí)水平的知識(shí)——水平4．

2.2.2 動(dòng)力學(xué)知識(shí)層級(jí)關(guān)系構(gòu)建樣例

依據(jù)上述假設(shè),將所提取的動(dòng)力學(xué)知識(shí)屬性進(jìn)行層級(jí)劃分,得到圖1所示的層級(jí)關(guān)系圖．

圖1 “動(dòng)力學(xué)”知識(shí)層級(jí)關(guān)系圖

2.2.3 層級(jí)關(guān)系構(gòu)建的論證

(1) 量綱論證.

量綱是物理學(xué)中的一個(gè)重要概念,可以定性表示出量與量之間的關(guān)系．從物理量或知識(shí)所涉及到的物理量的量綱,也可以建構(gòu)出知識(shí)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),找尋知識(shí)之間的層級(jí)關(guān)系．方法如下:找出知識(shí)在定義時(shí)所對(duì)應(yīng)的物理量,由物理量所對(duì)應(yīng)的量綱來界定其所處層級(jí)高低．動(dòng)力學(xué)3個(gè)基本量綱取自國際單位制中的3個(gè)基本單位:m、s、kg——參考水平．

對(duì)質(zhì)量、重力、彈力、摩擦力、功、動(dòng)能定理等知識(shí)層級(jí)關(guān)系的分析如下:質(zhì)量對(duì)應(yīng)的量綱為kg——水平1;重力定義“G=mg”,g為常數(shù),雖有量綱,但不影響G,因此在界定時(shí)主要考慮質(zhì)量的量綱kg,即重力的量綱應(yīng)比質(zhì)量高一個(gè)水平,故重力G所對(duì)應(yīng)的量綱N——水平2; 同理,同層次的彈力類型中彈簧的彈力的定義“F=kx”,k為常數(shù),主要考慮伸長量的量綱m,故彈力所對(duì)量綱N——水平2;摩擦力的定義式中“f=μN(yùn)”,μ為常數(shù),考慮彈力N的量綱,雖兩個(gè)力的量綱相同,但考慮到假設(shè)2,且兩者確實(shí)存在層級(jí)關(guān)系,因此將摩擦力界定為更高層級(jí)——水平3;功所對(duì)應(yīng)的量綱為J,定義為“力乘以力方向上的位移”,即W=Fs,因此,功處于比力更高的層級(jí)——水平3;動(dòng)能定理包含功,因此處于更高層級(jí)——水平4．

補(bǔ)充說明:部分知識(shí)可通過其對(duì)應(yīng)的物理量的量綱來確定其所處層級(jí)水平,但也有部分物理量的層級(jí)關(guān)系主要是依據(jù)知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系來建構(gòu)層級(jí)關(guān)系,因此,僅通過量綱論證稍顯不足,但仍可作為論證其合理性的部分依據(jù)．

(2) 文本分析論證.

文本分析主要基于兩個(gè)方面: (1) 教材編寫順序及知識(shí)在教材中所占文本量．如位移、速度、加速度、牛頓第二定律．這4個(gè)不同層級(jí)的知識(shí),教材在編寫時(shí)是按照從低到高的順序進(jìn)行編寫,同時(shí),較低層級(jí)的知識(shí)在教材中所占文本量也較少,查閱教材即可論證．(2) 在課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)知識(shí)的文本解讀．如2003版課標(biāo)中“理解位移、速度和加速度,了解勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,體會(huì)實(shí)驗(yàn)在發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律中的作用．”從此文本可間接解讀出其知識(shí)也具備層級(jí)關(guān)系,即位移→速度→加速度(勻變速直線運(yùn)動(dòng)處于并列層級(jí))．

(3) 專家、一線教師的反饋意見.

將知識(shí)層級(jí)劃分的依據(jù)及構(gòu)建的層級(jí)關(guān)系圖交由廣東省某師范教育類高校物理課程與教學(xué)論兩位教授審核,同時(shí)交與廣東省某中學(xué)從事一線教學(xué)的五位高級(jí)教師進(jìn)行審核,專家和一線教師對(duì)此均表示認(rèn)可,并認(rèn)為此劃分方式對(duì)高中物理課堂教學(xué)及評(píng)價(jià)有較大的價(jià)值．

2.2.4 知識(shí)層級(jí)關(guān)系劃分依據(jù)的適用范圍分析

上述分析論證了在動(dòng)力學(xué)知識(shí)中對(duì)知識(shí)進(jìn)行層級(jí)劃分的可行性,高中物理知識(shí)還包含其他知識(shí)模塊,例如電磁學(xué)．電磁學(xué)知識(shí)是否也能依據(jù)相同原理對(duì)知識(shí)進(jìn)行層級(jí)劃分,對(duì)于論證知識(shí)層級(jí)關(guān)系也是至關(guān)重要，其論證過程也是對(duì)其適用范圍和適用條件的進(jìn)一步探索．例如在靜電場中,提取電荷、庫侖定律、電場強(qiáng)度、電勢、電場力、電勢差、電勢能等7個(gè)知識(shí)屬性,依據(jù)知識(shí)層級(jí)關(guān)系劃分原則,可分析該內(nèi)容所構(gòu)建的知識(shí)層級(jí)關(guān)系為圖2．

圖2 “靜電場”知識(shí)關(guān)系層級(jí)

3 高中知識(shí)層級(jí)關(guān)系劃分在教學(xué)及評(píng)價(jià)中的應(yīng)用探索

3.1 基于知識(shí)層級(jí)關(guān)系進(jìn)行日常教學(xué)的探索

不同層級(jí)的知識(shí)之間存在著緊密的內(nèi)在關(guān)聯(lián),理清其內(nèi)部聯(lián)系,對(duì)于建構(gòu)更高層級(jí)知識(shí)起著至關(guān)重要的作用,低水平知識(shí)是學(xué)習(xí)更高水平知識(shí)的基礎(chǔ),若在其所關(guān)聯(lián)的低水平知識(shí)出現(xiàn)學(xué)習(xí)障礙,將嚴(yán)重影響其更高層級(jí)知識(shí)的學(xué)習(xí)，具體如圖3．

圖3 基于知識(shí)層級(jí)關(guān)系的“動(dòng)力學(xué)”教學(xué)結(jié)構(gòu)框架圖

教學(xué)結(jié)構(gòu)框架圖的補(bǔ)充說明:依據(jù)結(jié)構(gòu)框架圖,可以分析出在動(dòng)力學(xué)部分的主題知識(shí)架構(gòu),知識(shí)與知識(shí)之間的聯(lián)系更加緊密．在動(dòng)力學(xué)教學(xué)中主要有3條知識(shí)主線： 運(yùn)動(dòng)、力、圓周運(yùn)動(dòng),但最終都用于建構(gòu)水平4的知識(shí),即結(jié)構(gòu)圖中低水平層次知識(shí)都是高水平層次知識(shí)建構(gòu)的基礎(chǔ),同層次知識(shí)之間也互為補(bǔ)充． 如在課堂引入時(shí),可通過知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)建構(gòu)對(duì)新知識(shí)的理解,例如“加速度”概念的教學(xué)導(dǎo)入見圖4．

圖4 “加速度”教學(xué)課堂導(dǎo)入

理清知識(shí)層級(jí)關(guān)系,明了科學(xué)知識(shí)建構(gòu)的過程,便于學(xué)習(xí)者將新知識(shí)同化到自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)中,同時(shí)提高自身的物理素養(yǎng)．知識(shí)層級(jí)關(guān)系的理清,也對(duì)培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)習(xí)者的科學(xué)探究能力有重要作用．有研究表明,作為核心知識(shí)的物理概念是科學(xué)探究能力的重要成分,學(xué)生的科學(xué)探究活動(dòng)不是盲目的,而是圍繞學(xué)科概念進(jìn)行．[3]物理學(xué)是由事實(shí)、概念、規(guī)律與方法構(gòu)成的系統(tǒng)化理論體系,本身具有內(nèi)在統(tǒng)一性．要學(xué)好物理,需要學(xué)生從整體上建構(gòu)物理概念體系,[4]知識(shí)層級(jí)關(guān)系劃分能更好地促進(jìn)學(xué)生整合物理知識(shí)體系．某研究進(jìn)行的中美大學(xué)生物理概念測試中分析有如下思考:對(duì)一些需要用幾個(gè)物理概念組合進(jìn)行推理答案的題目,學(xué)生的出錯(cuò)率較高,說明學(xué)生建立起來的物理概念是離散的,沒有形成一種關(guān)聯(lián)進(jìn)行組合推理．[5]這也說明未對(duì)知識(shí)進(jìn)行層級(jí)劃分,明晰知識(shí)之間的聯(lián)系,日常課堂教學(xué)缺乏對(duì)知識(shí)內(nèi)在聯(lián)系、組合推理的針對(duì)性教學(xué),使得學(xué)習(xí)者知識(shí)相對(duì)比較零散,導(dǎo)致學(xué)習(xí)者在知識(shí)建構(gòu)上形成了相應(yīng)的短缺．

3.2 基于知識(shí)層級(jí)關(guān)系進(jìn)行學(xué)業(yè)水平評(píng)價(jià)的探索

認(rèn)知診斷評(píng)估(Cognitive Diagnosis Assessment,CDA)又名認(rèn)知診斷(Cognitive Diagnosis,CD),從潛在的認(rèn)知角度出發(fā),診斷評(píng)估個(gè)體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、認(rèn)知過程以及心理加工技能,分析和解釋人類的個(gè)體差異現(xiàn)象． 其中規(guī)則空間模型(Rule Space Model,RSM)旨在研究被試在考試作答時(shí)潛在的知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知過程．

高中物理知識(shí)層級(jí)關(guān)系的劃分,為認(rèn)知診斷識(shí)別和提取屬性、分析屬性之間的

層級(jí)關(guān)系、構(gòu)建測試矩陣,奠定了良好的測評(píng)基礎(chǔ)．如要對(duì)牛頓第二定律掌握情況進(jìn)行認(rèn)知診斷,可提取的關(guān)聯(lián)屬性有:A1牛頓第二定律、A2加速度、A3速度、A4力的合成與分解、A5摩擦力、A6彈力、A7重力．結(jié)合知識(shí)層級(jí)關(guān)系建構(gòu)的屬性的層級(jí)關(guān)系如圖5．

圖5 “牛頓第二定律”知識(shí)屬性層級(jí)關(guān)系

依據(jù)建構(gòu)的屬性層級(jí)關(guān)系,可以獲取測試所需的Q矩陣．依據(jù)Q矩陣命制測試題,對(duì)構(gòu)建的屬性層級(jí)關(guān)系進(jìn)行論證,同時(shí)進(jìn)行大規(guī)模測試獲取診斷信息,了解學(xué)習(xí)者在各知識(shí)屬性上的掌握情況,以促進(jìn)個(gè)體有效學(xué)習(xí),開展因材施教．

4 知識(shí)層級(jí)劃分的意義

以往教學(xué)中存在著對(duì)知識(shí)層級(jí)不加以劃分,導(dǎo)致知識(shí)結(jié)構(gòu)不清晰,內(nèi)在關(guān)聯(lián)不緊密等問題,給教師日常教學(xué)和學(xué)習(xí)者建構(gòu)知識(shí)都帶來極大的影響,知識(shí)層級(jí)關(guān)系的構(gòu)建符合現(xiàn)階段教育發(fā)展需要,是對(duì)知識(shí)基于理解的加工過程,建構(gòu)層級(jí)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)是課程發(fā)展的需要,也符合現(xiàn)階段發(fā)展素質(zhì)教育和培養(yǎng)核心素養(yǎng)的需要．

(1) 實(shí)踐“為理解而教”的教育理念．理解是建立在深入了解的基礎(chǔ)之上,只有經(jīng)歷對(duì)知識(shí)的深層加工,才能清晰的構(gòu)建知識(shí)體系,知識(shí)層級(jí)劃分,為知識(shí)的深層加工提供了基礎(chǔ),基于此的教學(xué),符合當(dāng)前所倡導(dǎo)的“為理解而教”的教育理念和目標(biāo)．

(2) 對(duì)自主學(xué)習(xí)、反思學(xué)習(xí)的促進(jìn)．自主學(xué)習(xí)需要構(gòu)建相應(yīng)的腳手架,知識(shí)層級(jí)關(guān)系的劃分,為學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)提供了學(xué)習(xí)路徑,同時(shí)也為其反思學(xué)習(xí)構(gòu)建了基礎(chǔ)．按照知識(shí)層級(jí)對(duì)知識(shí)進(jìn)行自主學(xué)習(xí),查找自身知識(shí)架構(gòu)上的缺陷或不足,進(jìn)行修正,為有效學(xué)習(xí)和高效學(xué)習(xí)提供了良好的學(xué)習(xí)路徑和知識(shí)框架．

(3) 對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．核心素養(yǎng)的培養(yǎng)在學(xué)科中體現(xiàn)為學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．而學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)都是基于學(xué)科知識(shí),培養(yǎng)科學(xué)思維、科學(xué)探究能力,提高學(xué)習(xí)者科學(xué)責(zé)任和價(jià)值觀．學(xué)科知識(shí)作為學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的基礎(chǔ),體現(xiàn)了其在學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)中的不可取代的價(jià)值,對(duì)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行深度加工,建構(gòu)科學(xué)的學(xué)科知識(shí)體系,對(duì)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要的意義．

學(xué)科知識(shí)層級(jí)關(guān)系的劃分,視各學(xué)科自身特點(diǎn)而定,物理學(xué)科知識(shí)邏輯嚴(yán)密,內(nèi)部關(guān)聯(lián)性強(qiáng),對(duì)其知識(shí)進(jìn)行層級(jí)關(guān)系的劃分,是對(duì)物理學(xué)科知識(shí)的深入思考,對(duì)物理學(xué)科的教學(xué)與評(píng)價(jià)都能起到很好的促進(jìn)作用．

1 郭玉英,姚建欣,彭征.美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》述評(píng)[J].課程·教材·教法,2013,8:118-127.

2 李春艷.中學(xué)地理課程中的概念建構(gòu)與學(xué)習(xí)進(jìn)階[J].課程·教材·教法,2016,4:38-43.

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