圖式理論在高中物理概念教學(xué)中的應(yīng)用探討

(江蘇省蘇州市吳江區(qū)汾湖高級中學(xué)，江蘇 蘇州 215211)

哲學(xué)家Kant最早提出了“圖式”的概念，他認(rèn)為圖式就是學(xué)習(xí)者對過往所獲得的知識、經(jīng)驗(yàn)和反應(yīng)等一種自我組合而形成的特定結(jié)構(gòu)。[1]經(jīng)多位心理學(xué)家、教育家、人工智能專家的發(fā)展和實(shí)踐，逐步由“圖式”發(fā)展為“圖式理論”。現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為圖式是以某一個主題為中心形成的知識結(jié)構(gòu)，從而儲存在學(xué)習(xí)者大腦中的，具有“組織性”“集合性”等特征，影響著學(xué)習(xí)者對后繼的各種客觀事物的反應(yīng)和判斷。[2]學(xué)習(xí)者在獲取新知識、理解新事物時，往往會調(diào)用自己頭腦里已有的圖式去嘗試?yán)斫夂头治?，?dāng)兩者相符時，就可以比較順利地理解新信息；當(dāng)兩者不符時，就需要對已有的圖式進(jìn)行修正或重構(gòu)。

高中物理中的概念教學(xué)可以在圖式理論的指導(dǎo)下完成，有助于學(xué)生構(gòu)建良性的物理知識體系，培養(yǎng)學(xué)生掌握類比、遷移等科學(xué)方法，發(fā)展學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。本文以高中物理概念教學(xué)為例，嘗試在教學(xué)中應(yīng)用圖式，從而實(shí)現(xiàn)概念的同化和順應(yīng)。

1 呈現(xiàn)多樣實(shí)例，幫助學(xué)生形成圖式

學(xué)習(xí)者對于陳述性知識的學(xué)習(xí)，大多是基于對大量實(shí)例的分析，通過對實(shí)例的差異性、共同性的反思后，形成對該方面內(nèi)容所涉及的相關(guān)信息的記憶和理解，最終具體化為某一個確定的圖式。因此，在人腦形成圖式的過程中，教師應(yīng)圍繞主題設(shè)計一系列的事例，以連續(xù)呈現(xiàn)或同時呈現(xiàn)等方式展示給學(xué)生，為學(xué)生較快地形成圖式作鋪墊。

案例1：“加速度”概念的建立

學(xué)生在學(xué)習(xí)“加速度”這一節(jié)前，可能關(guān)于“速度變化的快慢”的討論或觀察較少，更多的是觀察到物體運(yùn)動的快慢，即速度的大小。如何幫助學(xué)生構(gòu)建“加速度”的圖式？筆者認(rèn)為可以依托學(xué)生已有的生活經(jīng)歷，通過收集、整理各類實(shí)例，集中展示出來。如在加速度的引入中，可以通過“體驗(yàn)—定性—定量”的流程來設(shè)計：首先，播放視頻(飛機(jī)、賽車等加速啟動的情景和正常剎車、急剎車等情景的比較)，讓學(xué)生真實(shí)感受到“不論是啟動過程還是減速過程，其中均存在速度變化以及變化快慢的問題”。其次，出示表1，讓學(xué)生在“具體化”的數(shù)據(jù)情景下，去思考、辨析，從而形成“定性加半定量”的判斷方法，即“等Δv看t，t越大，v變化得越慢；等t看Δv，Δv越大，v變化得越快”。最后，對兩種判斷方法“等Δv看t”和“等t看Δv”進(jìn)行理性思考，引導(dǎo)學(xué)生思考這兩種方法的本質(zhì)實(shí)際上是比較了單位時間內(nèi)的速度改變量，從而順利地引出在“Δv與t”均不等時的比較方法，為定義加速度打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

表1

2 對比差異性實(shí)例，修正圖式

學(xué)習(xí)者對于知識和方法的認(rèn)識不是一蹴而就的，是在不斷研讀、反復(fù)應(yīng)用中逐步形成的。同樣，儲存在大腦里的圖式也是在一系列新情景下的應(yīng)用中不斷地修正、逐步地形成正確的圖式。在實(shí)際操作中，教師可以有意識地選擇一系列差異性較大的事例，通過實(shí)例的比對分析，幫助學(xué)生提煉關(guān)鍵信息和特征，鞏固正確圖式。

案例2：“功”概念的修正

關(guān)于“功”的概念，學(xué)生在初中“簡單機(jī)械和功”的學(xué)習(xí)中有所涉及。由于考慮到學(xué)生的接受能力和思維發(fā)展的特點(diǎn)，初中教材中的事例均是設(shè)計為“力與位移方向一致的情況”，但事實(shí)上這些事例均是特例。在高中階段，如何引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建正確的“功”的圖式，從而更有利于分析一般的情況？筆者引入了差異性實(shí)例，如圖1所示。通過差異性實(shí)例，以正反對比的方式，激發(fā)學(xué)生對原有的“功”的圖式進(jìn)行反思，然后由兩個“差異性實(shí)例”向“一般實(shí)例”延伸，從等效的角度，重新理解“影響做功的兩個因素”，修正了“功”的圖式。另一方面，在此概念的修正中，強(qiáng)化了“特殊—一般”的探究方法，引導(dǎo)學(xué)生利用比較、等效等方法分析問題、歸納結(jié)論。

圖1

3 自主應(yīng)用實(shí)例，重建圖式

關(guān)于教學(xué)目的，從淺層看，是在課堂教學(xué)中通過恰當(dāng)?shù)膯栴}設(shè)計，幫助學(xué)生逐漸掌握相關(guān)知識和處理問題的方法；從深層看，是通過課堂教學(xué)有意識地培養(yǎng)學(xué)生解決問題和自主學(xué)習(xí)的能力，促進(jìn)其適應(yīng)社會需要和終身發(fā)展所需的關(guān)鍵能力的提升。在教學(xué)中有意識地引導(dǎo)學(xué)生自主提出新的事例，去修正、重建圖式，恰恰是培養(yǎng)上述能力的有效途徑之一。

案例3：“功”的性質(zhì)

在初中階段，主要討論的是各個物理量之間的“數(shù)量關(guān)系”，不區(qū)分標(biāo)量和矢量的問題。但在高中階段，“能夠正確處理矢量的運(yùn)算”是一個重點(diǎn)，也是一個難點(diǎn)。從多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)看，學(xué)生在這個問題上，一直存在較大的問題。如何突破？筆者認(rèn)為在教學(xué)中有意識地引導(dǎo)學(xué)生自行構(gòu)建圖式，有助于突破這一難點(diǎn)。

圖2

如在“功的性質(zhì)”這一問題上，筆者沒有直接告知學(xué)生“功是標(biāo)量”，而是設(shè)計了以下問題情境：圖2為某一水平面的俯視圖，一物塊受兩個互相垂直的力作用，其中F1=3N,F2=4N。物體從靜止開始沿著合力方向運(yùn)動了1m。求：(1) 在運(yùn)動過程中，F(xiàn)1對物塊做了多少功？(2)F2做了多少功？(3)F1和F2做的總功是多少？(4)F1和F2的合力多大？(5) 合力做了多少功？(6) 合力與分力的關(guān)系？(7) 根據(jù)對上述問題的探討，你有何判斷或結(jié)論？

由于學(xué)生初次接觸“功的性質(zhì)”這一問題，腦海中不具有相關(guān)的事例，筆者設(shè)計了圖2的事例，在上述的7個小問中，筆者提出了前3個問題，后繼的4個問題是由學(xué)生討論而提煉出來。通過這一方式，學(xué)生在自行求解中提煉、歸納得出“功是一個標(biāo)量”這一結(jié)論，有效地幫助學(xué)生掌握標(biāo)、矢量的判斷依據(jù)和方法。

4 結(jié)語

奧爾康、金德和申內(nèi)特通過研究發(fā)現(xiàn)：在學(xué)習(xí)中，由于學(xué)習(xí)者采用的學(xué)習(xí)方式不同，往往會影響他們的知識獲得量，如一般能記住他們所閱讀過的10%、他們邊做邊說的90%。由此可見，學(xué)習(xí)者在課堂上的思維調(diào)動度和參與度是決定其收獲的主要原因之一。在高中物理概念教學(xué)中，通過列舉恰當(dāng)?shù)氖吕?，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生課堂的參與度；讓學(xué)生在具體的事例情境中分析、思考、歸納，從而形成正確、合理的概念圖式，有助于知識和方法的結(jié)構(gòu)化、集成化和簡約化；利用圖式進(jìn)行教學(xué)，還可以進(jìn)一步優(yōu)化學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，便于激活和遷移。[3]