知識(shí)表征的FIS-PM模型與微型物理知識(shí)分布圖的制作

郭芳俠 賀江江 李 靜

(1.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710062;2.延安市黃陵縣黃陵中學(xué)，陜西黃陵 727300)

1 問(wèn)題提出

已有的知識(shí)表征的理論主要關(guān)注知識(shí)在頭腦中的形成、表征、儲(chǔ)存和激活等心理特征，這對(duì)于我們深刻理解知識(shí)的形式心理特征具有重要意義［1］.除此之外，我們還應(yīng)該充分關(guān)注知識(shí)的內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)、知識(shí)的建構(gòu)過(guò)程和應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題等的教學(xué)心理特征.在實(shí)際物理教學(xué)中，學(xué)生往往不能準(zhǔn)確、深入地理解所學(xué)知識(shí)，不重視知識(shí)得來(lái)的過(guò)程，疏于總結(jié)知識(shí)得來(lái)背后蘊(yùn)含的科學(xué)研究方法和應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的方法.這些方面的缺失或不足使得他們?cè)谥R(shí)習(xí)得和能力培養(yǎng)等方面出現(xiàn)困難，甚至失去學(xué)習(xí)的興趣.如果能將基本物理知識(shí)和與之相關(guān)聯(lián)的科學(xué)方法層次分明、主次分開(kāi)，科學(xué)地呈現(xiàn)出來(lái)，以幫助學(xué)習(xí)者理解知識(shí)、建構(gòu)知識(shí)和解決問(wèn)題，學(xué)習(xí)的效率便將大大提高.

新一輪的基礎(chǔ)教育新課程在物理學(xué)科方面將過(guò)程與方法和知識(shí)與技能放在同等重要的地位［2-3］.由此可見(jiàn)，非常有必要指導(dǎo)學(xué)習(xí)者深入理解學(xué)科的基本知識(shí)和基本方法為原則來(lái)表征知識(shí)，進(jìn)而以簡(jiǎn)單、直觀的形式將其呈現(xiàn).

2 知識(shí)表征

奧蘇伯爾將認(rèn)知結(jié)構(gòu)定義為:“個(gè)體的觀念的全部?jī)?nèi)容和組織，或者，就教材學(xué)習(xí)而言，指?jìng)€(gè)體的特殊知識(shí)領(lǐng)域的觀念的內(nèi)容和組織［4］.”現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為:狹義(靜態(tài))認(rèn)知結(jié)構(gòu)與人的長(zhǎng)時(shí)記憶中的信息儲(chǔ)存模式有關(guān)，是人腦中的內(nèi)存結(jié)構(gòu)或知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)，也被稱為“信息表征”或“知識(shí)表征”［5］;廣義(動(dòng)態(tài))認(rèn)知結(jié)構(gòu)加工制作出的各種經(jīng)驗(yàn)、觀念和知識(shí)，都能以靜態(tài)的模式存放在人腦的內(nèi)存結(jié)構(gòu)中，形成人腦中十分龐大的知識(shí)庫(kù)［6］.基于認(rèn)知信息加工理論，筆者認(rèn)為狹義認(rèn)知結(jié)構(gòu)指學(xué)習(xí)者以代碼、程式、模式3種形式存儲(chǔ)于頭腦中的觀念的內(nèi)容和組織.知識(shí)的產(chǎn)生離不開(kāi)人們對(duì)客觀世界的實(shí)踐和思維的交互活動(dòng)，這個(gè)過(guò)程本身就蘊(yùn)含了“得來(lái)什么知識(shí)”、“知識(shí)怎么得來(lái)”和“得來(lái)知識(shí)的方法”這3個(gè)方面的知識(shí).據(jù)此，我們可以將知識(shí)分為陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和模式性知識(shí).

2.1 陳述性知識(shí)表征——FIS模型

安德森從信息加工的角度，把知識(shí)分為陳述性知識(shí)和程序性知識(shí).陳述性知識(shí)是關(guān)于“是什么”的知識(shí)，是對(duì)事實(shí)、定義、規(guī)則和原理等的描述［7］，有3種表征的形式:特征、形象和語(yǔ)義.特征即事物的特點(diǎn)和特性;形象即事物的表象;語(yǔ)義即個(gè)體對(duì)事物作出的語(yǔ)言描述，體現(xiàn)了個(gè)體對(duì)事物的理解、應(yīng)用和評(píng)價(jià)等.按照概括程度的高低，陳述性知識(shí)可分為事實(shí)陳述性知識(shí)和概括陳述性知識(shí).前者較具體，后者較抽象，這種具體和抽象具有相對(duì)性.例如，“蘋(píng)果”既可以包含不同品種的“蘋(píng)果”:“富士”、“紅星”、“嘎拉”等，又可以作為“水果”的一種.

基于認(rèn)知信息加工理論，陳述性知識(shí)的3種表征形式可以看作是據(jù)以認(rèn)知加工的“代碼”.這樣，陳述性知識(shí)就可以用一張直觀的“代碼語(yǔ)義”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行呈現(xiàn)了.這種代碼語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)具有類目、層級(jí)、直觀等特點(diǎn)，筆者稱之為FIS(Feature Image Semantic)模型.

2.2 程序性知識(shí)和模式性知識(shí)的綜合表征——PM模型

我國(guó)傳統(tǒng)教學(xué)中所認(rèn)為的“技能”范疇僅僅相當(dāng)于程序性知識(shí)中的行動(dòng)序列方面，而將程序性知識(shí)的模式辨別歸為“知識(shí)”范疇，這實(shí)際上是不恰當(dāng)?shù)?現(xiàn)代認(rèn)知派心理學(xué)家經(jīng)大量的研究表明，模式辨別知識(shí)的獲得、保持、激活過(guò)程的規(guī)律與行動(dòng)序列知識(shí)是相同的，這表明模式辨別與行為序列實(shí)際上是同類知識(shí)［1］.我們可以將安德森提出的“程序性知識(shí)”進(jìn)一步劃分為程序性知識(shí)和模式性知識(shí).受計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行的編碼映射、編程操作和編態(tài)控制的啟發(fā)，筆者作如下闡述.

程序性知識(shí)是陳述性知識(shí)認(rèn)知映射下的認(rèn)知操作程序的知識(shí)，體現(xiàn)為個(gè)體頭腦中具體的認(rèn)知加工過(guò)程，由一系列從事實(shí)條件性知識(shí)到事實(shí)結(jié)果性知識(shí)的程式組成.程式即“產(chǎn)生”，是程序的基本構(gòu)成單元，在頭腦中以“如果……，那么……”形式存儲(chǔ)的執(zhí)行事實(shí).在程序執(zhí)行過(guò)程中，有時(shí)上一個(gè)程式推得的“結(jié)果”并不是下一個(gè)程式執(zhí)行所需的完備“條件”.這時(shí)，學(xué)習(xí)者需要通過(guò)思維活動(dòng)添加新的“條件”，整合構(gòu)成下一個(gè)程式執(zhí)行的“條件”，實(shí)現(xiàn)程序的持續(xù)執(zhí)行.

模式性知識(shí)是程序性知識(shí)認(rèn)知操作下的認(rèn)知控制模型的知識(shí)，體現(xiàn)為具體認(rèn)知加工過(guò)程所參照的規(guī)則、方法和策略，由一系列從概括條件性知識(shí)到概括結(jié)果性知識(shí)的模式組成.模式即“產(chǎn)生式”，是模型的基本構(gòu)成單元，在頭腦中以“如果……，那么……”形式存儲(chǔ)的執(zhí)行規(guī)則.

模式是從多個(gè)類似的程式抽象概括出來(lái)的產(chǎn)生式規(guī)則，而模型是從多個(gè)類似的程序抽象概括出來(lái)的產(chǎn)生式系統(tǒng).程式、程序、模式和模型都是由代碼構(gòu)成.筆者將這種程序性知識(shí)和模式性知識(shí)綜合表征的理論稱為PM(Program Model)模型.

2.3 知識(shí)表征——FIS-PM模型

綜合3類知識(shí)表征的理論，筆者提出知識(shí)表征的新理論:FIS-PM模型，如圖1所示.知識(shí)表征通過(guò)“中心詞”與一系列的代碼、程式、程序、模式、模型相聯(lián)系.這種聯(lián)系在學(xué)習(xí)者具體的認(rèn)知活動(dòng)中，伴隨著感覺(jué)、知覺(jué)、回憶、聯(lián)想、思維等認(rèn)知特點(diǎn)得以體現(xiàn).代碼以合理的分布位置與“中心詞”連接，位置分布的合理性依據(jù)它們之間聯(lián)系的緊密程度，通過(guò)位置的相對(duì)遠(yuǎn)近體現(xiàn).聯(lián)系越緊密，相對(duì)距離越近.從根本上說(shuō)，“中心詞”與代碼間的聯(lián)系緊密程度由認(rèn)知加工活動(dòng)的需要來(lái)確定:是否以及多大程度上有利于知識(shí)的建構(gòu)、理解、記憶和問(wèn)題的解決等.

圖1

3 例析微型物理知識(shí)分布圖的制作(以“質(zhì)點(diǎn)”為例)

將知識(shí)表征的FIS-PM模型與物理學(xué)科相結(jié)合，則有物理學(xué)科領(lǐng)域的陳述性知識(shí)包含物理事實(shí)、物理概念、物理定理、物理定律、物理定則、物理推論等要素性知識(shí);物理學(xué)科領(lǐng)域的程序性知識(shí)包含具體情境下物理工具的使用、物理實(shí)驗(yàn)的操作、物理知識(shí)的建構(gòu)、物理問(wèn)題的解決等過(guò)程性知識(shí);物理學(xué)科領(lǐng)域的模式性知識(shí)包含物理思維方法、物理科學(xué)研究方法、物理問(wèn)題解決方法等方法性的知識(shí).也可以說(shuō)，物理知識(shí)由要素性物理知識(shí)、過(guò)程性物理知識(shí)和方法性物理知識(shí)構(gòu)成.過(guò)程性知識(shí)是要素性知識(shí)和方法性知識(shí)聯(lián)系的紐帶，基于要素性知識(shí)，而受方法性知識(shí)指導(dǎo)，是學(xué)習(xí)者技能運(yùn)用的實(shí)際體現(xiàn).3種知識(shí)互相聯(lián)系，組成了一個(gè)有機(jī)的物理學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)體系.下面，筆者以人教版高中物理必修1教材中的“質(zhì)點(diǎn)”為例，制作一個(gè)具體的微型物理知識(shí)分布圖.

3.1 解讀新課標(biāo)，確定“質(zhì)點(diǎn)”在知識(shí)與技能和過(guò)程與方法2個(gè)維度的教學(xué)要求

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中“質(zhì)點(diǎn)”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn):通過(guò)對(duì)質(zhì)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，了解物理學(xué)研究中物理模型的特點(diǎn)，體會(huì)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用，認(rèn)識(shí)在哪些情況下，可以把物體看成質(zhì)點(diǎn)［2］.解讀新課標(biāo)，將其轉(zhuǎn)化為物理教學(xué)目標(biāo).知識(shí)與技能維度要求學(xué)生認(rèn)識(shí)建立質(zhì)點(diǎn)模型的意義和方法，能根據(jù)具體情況將物體簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，知道科學(xué)抽象是一種普遍的研究方法.過(guò)程與方法維度要求學(xué)生體會(huì)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用，初步掌握科學(xué)抽象理想化模型的方法.

3.2 根據(jù)知識(shí)表征的FIS-PM模型，確定與“質(zhì)點(diǎn)”相關(guān)的3類知識(shí)

3.2.1 陳述性知識(shí)

(1)特征:質(zhì)量、大小、形狀、點(diǎn)、條件、理想化物理模型;(2)形象:地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);(3)語(yǔ)義:質(zhì)點(diǎn)是只有質(zhì)量，而無(wú)大小和形象的點(diǎn).質(zhì)點(diǎn)是一種理想化的物理模型.將物體看成質(zhì)點(diǎn)是有條件的.例如，在地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，地球可以被看成質(zhì)點(diǎn);在地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，地球不可以被看成質(zhì)點(diǎn);(4)其他概念:機(jī)械運(yùn)動(dòng)、參考系、坐標(biāo)系.

3.2.2 程序性知識(shí)

(1)程式:在地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，地球的直徑不足它到太陽(yáng)距離的萬(wàn)分之一，所以地球可以被看做質(zhì)點(diǎn).(2)程序:為了簡(jiǎn)潔地描述老鷹從山頂A飛到山頂B的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，老鷹的形狀和大小不利于簡(jiǎn)潔地描述老鷹的運(yùn)動(dòng)，是次要因素，將老鷹看成一個(gè)點(diǎn);老鷹的質(zhì)量是它的固有屬性，是主要因素.這樣，我們就可以將老鷹看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)了.

3.2.3 模式性知識(shí)

(1)模式:在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，如果物體的大小和形狀對(duì)所研究的運(yùn)動(dòng)是次要因素，那么物體可以被看做質(zhì)點(diǎn).(2)模型:為了簡(jiǎn)化研究對(duì)象以利于問(wèn)題的解決，研究者需要突出研究對(duì)象的主要因素，忽略研究對(duì)象的次要因素，將研究對(duì)象抽象成一個(gè)理想化物理模型.

3.3 確定內(nèi)容要素和聯(lián)系緊密度分值

“質(zhì)點(diǎn)”的內(nèi)容要素(不含語(yǔ)義)有:質(zhì)量、大小、形狀、點(diǎn)、條件、理想化物理模型、地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)、參考系、坐標(biāo)系.“質(zhì)點(diǎn)”及其內(nèi)容要素間的聯(lián)系緊密程度分為5級(jí):不緊密、不太緊密、一般、比較緊密、非常緊密，分別用1-5的分值表示.

聯(lián)系緊密度分值根據(jù)以下2個(gè)方面整體確定:其一是“質(zhì)點(diǎn)”在知識(shí)與技能和過(guò)程與方法兩個(gè)維度上的教學(xué)要求;其二是“質(zhì)點(diǎn)”及其內(nèi)容要素間是否以及多大程度上有利于物理知識(shí)的建構(gòu)、理解、記憶和問(wèn)題的解決等.要素和其自身聯(lián)系的緊密程度用“∞”表示.如果要素之間沒(méi)有聯(lián)系或者聯(lián)系無(wú)意義，則用“-”表示.

筆者通過(guò)與課程專家、一線物理教師訪談得出“質(zhì)點(diǎn)”及其內(nèi)容要素間的聯(lián)系緊密度分值，如表1所示.

表1

3.4 制作微型物理知識(shí)分布圖

根據(jù)知識(shí)表征的FIS-PM模型和表1，筆者制作了“質(zhì)點(diǎn)”的微型物理知識(shí)分布圖，如圖2所示.“質(zhì)點(diǎn)”作為中心詞向外輻射出多個(gè)內(nèi)容要素、語(yǔ)義及與之相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題解決方法和科學(xué)研究方法.各要素除了與“質(zhì)點(diǎn)”聯(lián)系，它們之間也有聯(lián)系.例如，質(zhì)量和點(diǎn)、大小和形狀、地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)這3對(duì)要素之間也具有一定的聯(lián)系.從老鷹運(yùn)動(dòng)的分析得出其可以被看作質(zhì)點(diǎn)和抽象得出理想化物理模型這兩個(gè)過(guò)程的各個(gè)步驟相互聯(lián)系，前者是具體的知識(shí)建構(gòu)過(guò)程，后者是知識(shí)建構(gòu)所參照的科學(xué)研究方法.

圖2

4 結(jié)語(yǔ)

知識(shí)表征的FIS-PM模型的提出基于認(rèn)知結(jié)構(gòu)的定義，彌合了新課程的基本理念，針對(duì)物理教學(xué)中面臨的主要困難和問(wèn)題.其最主要的優(yōu)勢(shì)是使得知識(shí)得以形象化，利于對(duì)其記憶和提取.微型物理知識(shí)分布圖的制作基于知識(shí)表征的FIS-PM模型，精要、直觀地呈現(xiàn)了基本物理知識(shí)內(nèi)容要素的結(jié)構(gòu)、建構(gòu)過(guò)程和科學(xué)方法3方面的內(nèi)容.制圖過(guò)程便是對(duì)物理知識(shí)進(jìn)行解構(gòu)與整合的思維過(guò)程.學(xué)生各自制圖，教師組織討論，可使他們對(duì)物理知識(shí)形成豐富、準(zhǔn)確的理解.微型物理知識(shí)分布圖的合理應(yīng)用想必能夠促進(jìn)實(shí)際的物理教學(xué)，至于成效如何還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和改善.一線教師和課程專家可制作多個(gè)模塊化的微型物理知識(shí)分布圖，將其建設(shè)成學(xué)生可通過(guò)手機(jī)、電腦等終端獲得的物理課程資源庫(kù).這樣， 學(xué)習(xí)的發(fā)生就可以突破時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)“任何人”在“任何時(shí)間”處于“任何地方”都可以學(xué)習(xí).如此一來(lái)，學(xué)生學(xué)習(xí)物理將變得更加高效、便捷!

1 莫雷.知識(shí)的類型與學(xué)習(xí)過(guò)程［J］.課程·教材·教法，1998(5):20-24.

2 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:人民教育出版社，2003:1-12.

3 中華人民共和國(guó)教育部.全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:北京師范大學(xué)出版社，2001.

4 皮連生.奧蘇伯爾的教學(xué)論思想［J］.外國(guó)教育資料，1991(1):35-44.

5 遲希新.試析人類認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基本組成與功能［J］.呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(2):34-36.

6 張富昌.認(rèn)知結(jié)構(gòu)與腦結(jié)構(gòu)在主體認(rèn)識(shí)加工中的作用［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(1):44-50.

7 陳琦，劉儒德.當(dāng)代教育心理學(xué)［M］.北京:北京師范大學(xué)出版社，2007:251.