高中物理知識層級關系劃分及其應用研究

艾 靜 熊建文

(華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510000)

1 基于整合的理念提出學科知識層級關系

1.1 知識層級現象存在的依據和整合理念下的層級關系提出

“整合”成為基礎教育階段科學課程改革的核心理念,也成為現階段科學教育研究者的共識,整合理念為科學教育面臨的首要矛盾“有限的科學學習時間和無限的科學知識”提出了解決方案,也為學生科學素養的發展搭建了平臺．[1]基于此,在目前學科教育研究中較為關注的是核心概念、跨學科共通概念．學科核心概念(disciplinary core ideas)具有很高的抽象與概括程度,是組織整合本學科許多一般概念、原理和理論的少數關鍵概念．跨學科共通概念(crosscutting concepts)超越學科界限,是運用不同學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科知識的不等值問題,學科核心概念處于學科知識的核心位置,說明學科知識在發展學生能力或培養學生素養方面所起作用不同,導致對不同層級的學科知識所需達到的學習或認知程度要求也不同．學科知識不等值問題的模糊認識或界定不清,會導致學科知識認知和建構的困難,基于整合的理念,將學科知識進行分類,將同一層級知識聚類,不同層級知識加以區分,構建知識層級關系,符合當前科學教育發展研究需要．

1.2 高中物理知識層級關系劃分的依據

當前教育研究中用少數幾個核心概念整合整個學科領域,使得學科知識體系相對清晰,但在日常教學中,學科知識的學習是通過對一般知識的學習和認知完成,物理學學科知識主要由概念和定理(律)組成,通過對這些知識的學習,可以使學習者掌握物理科學思維方法，熟悉科學探究過程,形成科學態度和價值觀．學科知識存在層級關系,即其構成要素如概念、定理(律)存在層級關系,主要體現在以下幾點: (1) 就知識本身而言,其構成要素、應用范圍不同,導致其在整個知識體系中所處位置不同; (2) 從學科知識體系的建構來說,學科知識體系建構一定是一個由低往高逐層建構的完整體系,這樣的體系即符合學生認知心理發展特征,也符合知識體系建構的科學性和完整性; (3) 從知識的教與學的角度分析,層級化的知識結構符合邏輯思維的培養和發展的規律,使教與學都能更為科學、有序、完整; (4) 從知識掌握的維度來分析,不同層級的知識所構成的認知屬性層級關系不同,低水平層級知識是高水平層級知識認知和建構的基礎,層級結構能使得學習者更清楚地認識到知識之間的關聯,清晰構建自身知識體系; (5) 基于知識應用的角度分析,不同層級的知識,應用范圍不同,對學習者各方面素養的培養所起作用也不同．

2 高中物理知識層級關系構建

2.1 知識要素的提取

本研究以高中物理動力學部分為例,說明知識層級關系的構建方法及所構建好的層級關系,并進一步對所構建的層級關系進行論證．

選取動力學知識作為本研究的樣例分析,主要基于以下幾個方面的思考: (1) 動力學知識是學習者進入高中后首先學習的模塊,其內容相較于電磁學知識,是自初中物理到高中物理知識發展較為完整的一塊,學習者對這部分知識更容易建構起相對完整、獨立、系統的認知結構; (2) 動力學所涉及的知識較為基礎,電磁學相關知識的學習也需借助動力學知識的掌握作為基礎,如在場中力和能的分析都是依托動力學基礎知識; (3) 動力學部分在日常教學和學業水平考核中所占比重決定了其在高中物理知識中的重要地位,對該部分知識進行層級劃分,探討教學和評價方法,既解決了高中物理知識難點問題,同時也為其他知識的學習提供了樣例參考．

通過文本分析和向一線教師調研的方式,提取動力學知識屬性共計38個,分別為:參考系、質點、位移、路程、時間、時刻、速度、速率、加速度、勻變速直線運動、自由落體運動、力、重力、彈力、摩擦力、力的合成與分解、牛頓三大定律、質量、拋體運動、周期、線速度、角速度、圓周運動、向心力、向心加速度、萬有引力定律、功、功率、重力勢能、動能、彈性勢能、動能定理、能量守恒定律、機械能守恒定律、動量、沖量、動量定理、動量守恒定律．

2.2 知識層級關系的構建

2.2.1 兩個假設

假設1:知識的層級界定與用來定義它的物理量有直接的關聯.

假設2:知識的層級界定高于定義知識的物理量中的最高級.

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

2.2.2 動力學知識層級關系構建樣例

依據上述假設,將所提取的動力學知識屬性進行層級劃分,得到圖1所示的層級關系圖．

圖1 “動力學”知識層級關系圖

2.2.3 層級關系構建的論證

(1) 量綱論證.

量綱是物理學中的一個重要概念,可以定性表示出量與量之間的關系．從物理量或知識所涉及到的物理量的量綱,也可以建構出知識之間的內在關聯,找尋知識之間的層級關系．方法如下:找出知識在定義時所對應的物理量,由物理量所對應的量綱來界定其所處層級高低．動力學3個基本量綱取自國際單位制中的3個基本單位:m、s、kg——參考水平．

對質量、重力、彈力、摩擦力、功、動能定理等知識層級關系的分析如下:質量對應的量綱為kg——水平1;重力定義“G=mg”,g為常數,雖有量綱,但不影響G,因此在界定時主要考慮質量的量綱kg,即重力的量綱應比質量高一個水平,故重力G所對應的量綱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,主要考慮伸長量的量綱m,故彈力所對量綱N——水平2;摩擦力的定義式中“f=μN”,μ為常數,考慮彈力N的量綱,雖兩個力的量綱相同,但考慮到假設2,且兩者確實存在層級關系,因此將摩擦力界定為更高層級——水平3;功所對應的量綱為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——水平3;動能定理包含功,因此處于更高層級——水平4．

補充說明:部分知識可通過其對應的物理量的量綱來確定其所處層級水平,但也有部分物理量的層級關系主要是依據知識之間的內在聯系來建構層級關系,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．

(2) 文本分析論證.

文本分析主要基于兩個方面: (1) 教材編寫順序及知識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個不同層級的知識,教材在編寫時是按照從低到高的順序進行編寫,同時,較低層級的知識在教材中所占文本量也較少,查閱教材即可論證．(2) 在課程標準中對知識的文本解讀．如2003版課標中“理解位移、速度和加速度,了解勻變速直線運動的規律,體會實驗在發現自然規律中的作用．”從此文本可間接解讀出其知識也具備層級關系,即位移→速度→加速度(勻變速直線運動處于并列層級)．

(3) 專家、一線教師的反饋意見.

將知識層級劃分的依據及構建的層級關系圖交由廣東省某師范教育類高校物理課程與教學論兩位教授審核,同時交與廣東省某中學從事一線教學的五位高級教師進行審核,專家和一線教師對此均表示認可,并認為此劃分方式對高中物理課堂教學及評價有較大的價值．

2.2.4 知識層級關系劃分依據的適用范圍分析

上述分析論證了在動力學知識中對知識進行層級劃分的可行性,高中物理知識還包含其他知識模塊,例如電磁學．電磁學知識是否也能依據相同原理對知識進行層級劃分,對于論證知識層級關系也是至關重要，其論證過程也是對其適用范圍和適用條件的進一步探索．例如在靜電場中,提取電荷、庫侖定律、電場強度、電勢、電場力、電勢差、電勢能等7個知識屬性,依據知識層級關系劃分原則,可分析該內容所構建的知識層級關系為圖2．

圖2 “靜電場”知識關系層級

3 高中知識層級關系劃分在教學及評價中的應用探索

3.1 基于知識層級關系進行日常教學的探索

不同層級的知識之間存在著緊密的內在關聯,理清其內部聯系,對于建構更高層級知識起著至關重要的作用,低水平知識是學習更高水平知識的基礎,若在其所關聯的低水平知識出現學習障礙,將嚴重影響其更高層級知識的學習，具體如圖3．

圖3 基于知識層級關系的“動力學”教學結構框架圖

教學結構框架圖的補充說明:依據結構框架圖,可以分析出在動力學部分的主題知識架構,知識與知識之間的聯系更加緊密．在動力學教學中主要有3條知識主線： 運動、力、圓周運動,但最終都用于建構水平4的知識,即結構圖中低水平層次知識都是高水平層次知識建構的基礎,同層次知識之間也互為補充． 如在課堂引入時,可通過知識之間的關聯建構對新知識的理解,例如“加速度”概念的教學導入見圖4．

圖4 “加速度”教學課堂導入

理清知識層級關系,明了科學知識建構的過程,便于學習者將新知識同化到自身的知識結構中,同時提高自身的物理素養．知識層級關系的理清,也對培養和發展學習者的科學探究能力有重要作用．有研究表明,作為核心知識的物理概念是科學探究能力的重要成分,學生的科學探究活動不是盲目的,而是圍繞學科概念進行．[3]物理學是由事實、概念、規律與方法構成的系統化理論體系,本身具有內在統一性．要學好物理,需要學生從整體上建構物理概念體系,[4]知識層級關系劃分能更好地促進學生整合物理知識體系．某研究進行的中美大學生物理概念測試中分析有如下思考:對一些需要用幾個物理概念組合進行推理答案的題目,學生的出錯率較高,說明學生建立起來的物理概念是離散的,沒有形成一種關聯進行組合推理．[5]這也說明未對知識進行層級劃分,明晰知識之間的聯系,日常課堂教學缺乏對知識內在聯系、組合推理的針對性教學,使得學習者知識相對比較零散,導致學習者在知識建構上形成了相應的短缺．

3.2 基于知識層級關系進行學業水平評價的探索

認知診斷評估(Cognitive Diagnosis Assessment,CDA)又名認知診斷(Cognitive Diagnosis,CD),從潛在的認知角度出發,診斷評估個體的認知結構、認知過程以及心理加工技能,分析和解釋人類的個體差異現象． 其中規則空間模型(Rule Space Model,RSM)旨在研究被試在考試作答時潛在的知識結構和認知過程．

高中物理知識層級關系的劃分,為認知診斷識別和提取屬性、分析屬性之間的

層級關系、構建測試矩陣,奠定了良好的測評基礎．如要對牛頓第二定律掌握情況進行認知診斷,可提取的關聯屬性有: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．結合知識層級關系建構的屬性的層級關系如圖5．

圖5 “牛頓第二定律”知識屬性層級關系

依據建構的屬性層級關系,可以獲取測試所需的Q矩陣．依據Q矩陣命制測試題,對構建的屬性層級關系進行論證,同時進行大規模測試獲取診斷信息,了解學習者在各知識屬性上的掌握情況,以促進個體有效學習,開展因材施教．

4 知識層級劃分的意義

以往教學中存在著對知識層級不加以劃分,導致知識結構不清晰,內在關聯不緊密等問題,給教師日常教學和學習者建構知識都帶來極大的影響,知識層級關系的構建符合現階段教育發展需要,是對知識基于理解的加工過程,建構層級化的知識結構是課程發展的需要,也符合現階段發展素質教育和培養核心素養的需要．

(1) 實踐“為理解而教”的教育理念．理解是建立在深入了解的基礎之上,只有經歷對知識的深層加工,才能清晰的構建知識體系,知識層級劃分,為知識的深層加工提供了基礎,基于此的教學,符合當前所倡導的“為理解而教”的教育理念和目標．

(2) 對自主學習、反思學習的促進．自主學習需要構建相應的腳手架,知識層級關系的劃分,為學習者自主學習提供了學習路徑,同時也為其反思學習構建了基礎．按照知識層級對知識進行自主學習,查找自身知識架構上的缺陷或不足,進行修正,為有效學習和高效學習提供了良好的學習路徑和知識框架．

(3) 對學生核心素養的培養．核心素養的培養在學科中體現為學科核心素養的培養．而學科核心素養的培養都是基于學科知識,培養科學思維、科學探究能力,提高學習者科學責任和價值觀．學科知識作為學科核心素養培養的基礎,體現了其在學科素養培養中的不可取代的價值,對學科知識進行深度加工,建構科學的學科知識體系,對培養學習者的學科核心素養具有重要的意義．

學科知識層級關系的劃分,視各學科自身特點而定,物理學科知識邏輯嚴密,內部關聯性強,對其知識進行層級關系的劃分,是對物理學科知識的深入思考,對物理學科的教學與評價都能起到很好的促進作用．

1 郭玉英,姚建欣,彭征.美國《新一代科學教育標準》述評[J].課程·教材·教法,2013,8:118-127.

2 李春艷.中學地理課程中的概念建構與學習進階[J].課程·教材·教法,2016,4:38-43.

3 范佳午.科學探究能力的結構模型及其在科學課程文件中的表征研究[D].北京師范大學博士論文,2012.

4 張玉峰,郭玉英.圍繞學科核心概念建構物理概念的若干思考[J].課程·教材·教法,2015,5:99-102.

5 張軼炳,白明俠,黃昭.中美大學生物理概念測試分析及對中學物理教育的啟示[J].課程·教材·教法,2011,10:101-105.