基于SOI模型的力學(xué)概念多元表征教學(xué)策略探索

嚴云峰 王長江 余瓊

摘? ?要：力學(xué)概念本身的抽象性及學(xué)習(xí)者表征能力間的差異性都給教學(xué)帶來了很大的挑戰(zhàn)。多元表征教學(xué)則可以實現(xiàn)化抽象知識為形象具體，進而提高學(xué)生的認知能力。本研究基于多元表征理論，結(jié)合SOI模型，探索出力學(xué)概念多元表征教學(xué)框架，并提煉出力學(xué)概念的多元表征教學(xué)策略，旨在幫助學(xué)生掌握并深度理解力學(xué)概念，從而提升課堂教學(xué)的有效性。

關(guān)鍵詞：SOI模型；多元表征；力學(xué)概念；教學(xué)策略

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）5-0015-4

1? ? 問題提出

在學(xué)習(xí)力學(xué)概念時，由于力學(xué)概念具有較強的抽象性，且學(xué)習(xí)者的表征能力各不相同，這就給教學(xué)帶來了很大的挑戰(zhàn)。表征教學(xué)可以實現(xiàn)同一知識不同呈現(xiàn)形式，將一個抽象的知識具體化，以此幫助學(xué)生理解。但是，目前的課堂教學(xué)中依舊存在一些不利于表征教學(xué)發(fā)展的問題：

（1）不注重培養(yǎng)學(xué)生不同表征形式的轉(zhuǎn)化。學(xué)生無法跳脫出思維局限，易產(chǎn)生思維定式，不善于靈活運用概念去解決問題，這樣掌握的概念是不生動的，是沒有辦法應(yīng)用于實際生活的。

（2）不注重培養(yǎng)學(xué)生不同表征形式的整合。碎片化的概念不利于學(xué)生建立完善的知識體系，知識就像一張網(wǎng)，只有由點到線再到面，才能形成完整的知識體系。

在教學(xué)中，部分教師偶然能夠在教學(xué)中應(yīng)用多元表征，但教學(xué)內(nèi)容的編排布置也只是基于日常教學(xué)經(jīng)驗，沒有成體系的策略進行指導(dǎo)。而多元表征教學(xué)的必要性又顯而易見。能否設(shè)計出一套切實可行的教學(xué)策略，在力學(xué)概念教學(xué)中融入多元表征理論？這是本研究的主要問題。

2? ? 基于SOI模型的力學(xué)概念教學(xué)框架

SOI模式是由理查德·E·梅耶最先提出的，他認為，教學(xué)信息是旨在促進學(xué)習(xí)的信息。有意義學(xué)習(xí)必須滿足三個重要的條件，即選擇信息、組織信息、整合信息［1］。S指的是選擇（Selecting），O指的是組織（Organizing），I指的是整合（Integrating）（圖1）。

有意義學(xué)習(xí)的SOI理論的內(nèi)涵是： 學(xué)生在學(xué)習(xí)時主動進行認知加工，首先從呈現(xiàn)的文本中選擇相關(guān)的語詞，再從呈現(xiàn)的插圖中選擇相關(guān)的圖像，將所選擇的圖像組織為一個連貫的圖像模型，最后將圖像模型和言語模型同先前的知識整合起來，就完成了有意義學(xué)習(xí)的過程［2］?；赟OI模型，結(jié)合力學(xué)概念特點，探索出高中物理力學(xué)概念多元表征的認知機制（圖2）。

在力學(xué)概念的教學(xué)過程中，力學(xué)概念多元表征的信息（即物理畫面和物理語詞）通過眼睛與耳朵進入到“記憶”階段，隨后物理語詞與外在物理畫面開始形成淺層言語碼與淺層心象碼，此階段為信息的“選擇”過程，形成瞬時記憶。經(jīng)過信息的選擇加工之后，信息能夠進入工作記憶，淺層言語碼經(jīng)過加工形成深層言語碼，淺層心象碼轉(zhuǎn)變?yōu)樯顚有南蟠a。長時記憶則是由言語系統(tǒng)和心象系統(tǒng)組成，貯存加工后的言語碼、心象碼和整合碼，最終形成力學(xué)概念。在此框架中，短時記憶用“記憶”表示，長時記憶用“貯存”來表示。

綜上所述，力學(xué)概念的形成需要從生活經(jīng)驗著手，選擇符合學(xué)生理解的信息，通過選擇進入記憶。在認知加工后形成編碼，最后貯存在系統(tǒng)中形成力學(xué)概念，這就是力學(xué)概念的學(xué)習(xí)過程和認知機制。

3? ? 基于SOI模型的力學(xué)概念教學(xué)策略

在教學(xué)框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實踐，總結(jié)了如下6條教學(xué)策略。各條策略之間并非互相割裂，而是可以前后連貫、互相補充。

3.1? ? 雙通道呈現(xiàn)策略

雙通道呈現(xiàn)策略是指，表征信息以“視覺形式＋聽覺形式”呈現(xiàn)，充分利用感官通道。雙通道呈現(xiàn)策略能夠讓工作記憶分散承受認知負荷，緩解認知壓力。力學(xué)概念的學(xué)習(xí)是一個知識在外在表征和內(nèi)在表征中交互的過程，在交互過程中遵循雙通道原則，能使認知負荷最小。

例如，在學(xué)習(xí)摩擦力時，學(xué)生往往無法理解。具體來說就是學(xué)生即使知道了物體與物體之間存在著摩擦力，但是仍判斷不清摩擦力的方向。

如圖3所示，我們可以在學(xué)生學(xué)完“靜摩擦力方向與相對運動趨勢相反”這一知識點后，給他們展示兩個毛刷相互摩擦（相互推拉）的實物或視頻。在展示過程中，我們可以明顯看到兩個毛刷運動方向是不同的，受到的摩擦力方向也不同。將毛刷的運動、受力過程進一步簡化成模型圖。通過對模型圖的分析可以明顯看到，毛刷的受力方向與相對運動趨勢相反，而毛刷受到的力就是靜摩擦力的直觀體現(xiàn)。

總結(jié)起來就是，教師要同時運用視覺和聽覺兩個通道進行知識的教學(xué)，在進行教學(xué)設(shè)計時，教師也要將抽象的語言表征加以視覺化，將具體的言語表征聽覺化。在課件的設(shè)計上，具體的、容易理解的語言不要過多出現(xiàn)在課件中，課件中要著重展示那些不易理解的卻又關(guān)鍵的語句。當(dāng)然，也需要對這些復(fù)雜語句進行適當(dāng)必要的處理，例如分隔、加粗、標(biāo)紅等。對于較為抽象的教學(xué)內(nèi)容，教師需要先把描繪性表征（圖像）呈現(xiàn)給學(xué)生，再經(jīng)過通俗、生活化的語言進行解釋，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更快地融入教學(xué)當(dāng)中。

3.2? ? 多媒體呈現(xiàn)策略

多媒體呈現(xiàn)的內(nèi)涵是，我們使用文本和圖片進行教學(xué)比單用文本進行教學(xué)的效果更好。延伸一下，也就是豐富的表征樣式的教學(xué)效果比單一表征的教學(xué)效果更好。例如，我們可以在純文本表征的基礎(chǔ)上，增加圖像或者聲音，這樣就將文字介紹變成了動畫片段，更利于信息的接受。交互式教學(xué)模式也是多媒體呈現(xiàn)的一種應(yīng)用。

例如，在解釋發(fā)動機的工作原理時，就可以采用這種教學(xué)策略。當(dāng)學(xué)習(xí)“吸氣沖程”時，讓學(xué)生點擊一下?lián)P聲器的圖標(biāo)，馬上就可以聽到這樣一段話：“吸氣沖程，進氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞從上止點向下運動”。同樣的，“壓縮沖程”中，學(xué)生將聽到“壓縮沖程，進氣門、排氣門都關(guān)閉，活塞從下止點向上運動”。

在實際教學(xué)中，進行這種動畫的制作往往比較復(fù)雜，但是多媒體呈現(xiàn)的思想?yún)s可以直觀體現(xiàn)。尤其是在演示實驗的展示中，教師應(yīng)該配合著實驗進程進行充分必要的講解，而不是一個人的“啞劇”。譬如，在進行“兩個互成角度力的合成規(guī)律”演示實驗時，教師有時會讓學(xué)生自己閱讀有關(guān)材料，或者在實驗前后進行大量講解，這顯然是不合適的。演示實驗不應(yīng)僅僅是演示，而應(yīng)該配合著實驗操作過程詳細講解，在講解中多通道呈現(xiàn)信息，促進記憶和理解。

3.3? ? 臨近呈現(xiàn)策略

臨近呈現(xiàn)原則包含“空間臨近”與“時間臨近”。臨近呈現(xiàn)指的是，同一概念的“描繪性表征”和“敘述性表征”在空間和時間上以臨近的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生能夠整體性地處理信息，避免分散認知資源去搜索和提取信息。臨近呈現(xiàn)可以使學(xué)習(xí)者在對力學(xué)概念的表征開始加工時，讓不同表征方式之間能夠更方便地參照聯(lián)系［2］。

當(dāng)力學(xué)概念對應(yīng)的表征形式在“空間上”和“時間上”臨近呈現(xiàn)的時候，學(xué)生能夠更加便捷地進行信息處理。相反，如果表征形式之間互相分離，呈現(xiàn)割裂的信息，就會增加認知負擔(dān)，不利于力學(xué)概念的形成。例如，在呈現(xiàn)抽象文本時，應(yīng)在空間和時間上臨近的位置提供相對應(yīng)的視覺化表征；當(dāng)呈現(xiàn)模型、圖像時，也應(yīng)臨近提供相對應(yīng)的言語化表征。

在教學(xué)中，空間和時間都是珍貴的資源，教師要合理利用，避免浪費，這也是多媒體教學(xué)原則的意義所在。教師要合理安排教學(xué)內(nèi)容和流程，合理分配時間和空間。具體來說，圖片要與文字臨近呈現(xiàn)，而不是呈現(xiàn)在不同位置；或者文字融入圖片中，而不是相互孤立的呈現(xiàn)。

以“超重和失重”一節(jié)的教學(xué)為例，如果圖示與文字分開呈現(xiàn)，這種呈現(xiàn)方式我們稱之為圖示與文字的“分離呈現(xiàn)”。分離呈現(xiàn)會帶來無關(guān)認知加工，增加學(xué)生的認知負擔(dān)。如果圖片與其相對應(yīng)的文字臨近呈現(xiàn)，就能夠減少無關(guān)認知加工，提高學(xué)習(xí)效率，如圖4所示。

3.4? ? 切塊呈現(xiàn)策略

當(dāng)難以理解的教學(xué)內(nèi)容被分割成若干小段時，會更利于學(xué)生學(xué)習(xí)。例如，我們可以將一段動畫或者視頻分割成幾個小段，依次呈現(xiàn)。

例如，在“通過平面鏡觀察桌面的微小形變”實驗中，我們選擇在桌子上放置兩個平面鏡。當(dāng)一束光被鏡子反射，會在墻上形成一個光點。按壓桌面，觀察光點位置的變化。沒有條件進行這個實驗時，教師往往會選擇播放相應(yīng)的演示實驗視頻。但是，該實驗步驟較多，且每一步都需要觀察砝碼數(shù)量、光點的位置移動、桌子的形變。如果快速播放完畢，學(xué)生只是走馬觀花看完了整個實驗，不會有眼前一亮的效果，也不會感覺到這個實驗設(shè)計的精巧以及探究思維的創(chuàng)新之處。如果連續(xù)呈現(xiàn)，學(xué)生很難及時理解關(guān)鍵步驟和信息，難以準確把握學(xué)習(xí)要點。所以，我們可以把實驗動畫分割成8個片段，分別為4個桌面形變的宏觀展示、4個桌面形變的微觀展示。點擊“繼續(xù)”按鈕，就會播放下一段動畫。

切塊呈現(xiàn)策略可以使學(xué)生有充足的時間去進行認知加工，也可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況調(diào)整學(xué)習(xí)進度和速度。這樣，學(xué)生能充分領(lǐng)悟?qū)W習(xí)對象，充分獲取呈現(xiàn)的信息。

3.5? ? 信息一致策略

保持教學(xué)信息與學(xué)習(xí)主題一致是指，在進行教學(xué)設(shè)計時，要盡量去除與授課內(nèi)容無關(guān)的信息。因為這些與教學(xué)無關(guān)的文本、圖片等會分散學(xué)生的注意力，我們應(yīng)盡量保證授課內(nèi)容的精煉與完整。我們發(fā)現(xiàn)有大量與講授內(nèi)容無關(guān)的信息出現(xiàn)在課堂上，比如課件中與教學(xué)內(nèi)容無關(guān)的動畫和音頻。這些內(nèi)容會影響課程進度，分散學(xué)生注意力，影響學(xué)習(xí)。

例如，在“變壓器”一節(jié)中，教師有時會為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，花費大量時間去介紹我國的水利發(fā)電工程。在播放幻燈片時，時不時會出現(xiàn)過場動畫和轉(zhuǎn)換場景的音效，教師以為這會使得課件更加精美，但殊不知嚴重影響了學(xué)生上課的注意力，擾亂授課進度，降低教學(xué)效率。

所以，教師在進行教學(xué)時，要積極貫徹信息一致原則，剔除與力學(xué)概念無關(guān)的信息，簡明、扼要、凝練地提供表征信息以促進學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)。在教學(xué)前，教師應(yīng)該對教學(xué)內(nèi)容進行篩選，不要強求每一個知識點都采用多種表征形式去進行呈現(xiàn)，這樣反而會延緩教學(xué)進度，給學(xué)生帶來困惑。此外，對于那些抽象的、不好理解的概念，也需要進行精簡和優(yōu)化。在教學(xué)中，要保證學(xué)習(xí)的目標(biāo)和教學(xué)的內(nèi)容是一致的，剔除那些與主題無關(guān)的要素，降低學(xué)生對于知識認知理解的難度。

3.6? ? 信息打包策略

優(yōu)化組織學(xué)習(xí)材料為信息組塊是指，在進行教學(xué)設(shè)計時，教師應(yīng)將授課內(nèi)容的信息進行整理和打包，而打包后的信息必須要與授課內(nèi)容存在聯(lián)系。因為工作記憶容量是有限的，所以教師必須提前將知識進行打包，形成信息組塊。在教學(xué)中，結(jié)合課堂中的實際情況組塊展現(xiàn)信息，提升教學(xué)效率。

例如，“楞次定律”是一個教學(xué)難點，學(xué)生往往無法理解，教師可以采用“問題串”教學(xué)方式進行教學(xué)。以問題串的形式，讓學(xué)生經(jīng)歷探究的過程，問題與問題間層層遞進、相互連貫、互不割裂，降低了學(xué)生的認知負荷，同時又可以讓學(xué)生將學(xué)到的知識進行整合，對各個物理量進行分析、比較，尋找最終的規(guī)律所在。通過學(xué)生自己歸納總結(jié)，讓學(xué)生體會成就感的同時加深他們的認識與理解。

對新課教學(xué)來說，盡量由淺入深，展現(xiàn)直觀表征，促使學(xué)生形成感性認識。在后續(xù)學(xué)習(xí)中，再增加抽象的表征形式，如問題串和言語暗示等。在整個章節(jié)學(xué)習(xí)的最后，可用思維導(dǎo)圖的形式對教學(xué)內(nèi)容進行總結(jié)。

4? ? 小? 結(jié)

多元表征教學(xué)并不意味著一次教學(xué)活動必須涵蓋所有的教學(xué)策略，多元表征教學(xué)是一個循序漸進的過程，是需要潛移默化融入日常教學(xué)的。在教學(xué)中，教師要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，讓不同的表征充分發(fā)揮應(yīng)用效果，并且隨著課程的推進不斷變化呈現(xiàn)。教師可以著重呈現(xiàn)個別教學(xué)策略，留給學(xué)生發(fā)揮表征能力的空間。

教師還可以將多元表征教學(xué)擴展到課外，如在科技館中開展多元表征的教學(xué)活動。在科技場館中教學(xué)，學(xué)生能夠親身體驗物理環(huán)境，在教師指導(dǎo)下探尋規(guī)律，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，豐富學(xué)生物理概念學(xué)習(xí)的情境和方式。

參考文獻：

［1］理查德·E·邁耶.多媒體學(xué)習(xí)［M］.牛勇，邱香，譯.北京： 商務(wù)印書館，2006.

［2］理查德·E·梅耶.應(yīng)用學(xué)習(xí)科學(xué)——心理學(xué)大師給教師的建議［M］.盛群力，丁旭，鐘麗佳，譯.北京：中國輕工業(yè)出版社，2016.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）