淺析認知彈性理論對高中物理教學的啟示

于 凡　任新成

(延安大學物理與電子信息學院　陜西 延安　716000)

新一輪基礎教育課程改革強調發展學生的核心素養，它超越了直接傳授知識與技能的框架，包含了認知和實踐技能的應用，創新能力以及態度、動機和價值觀[1]．其中，高中階段教育的功能也從為大學輸送合格新生轉變為培養學生的“人生規劃”能力、職業意識和創業精神，這些正是新課改所十分強調的．但我們會發現這樣一個司空見慣的“怪象”，學生能夠很好地解答課堂教學中有著固定解題模式的題目，卻很難解決現實生活中與我們所學相關的實際操作問題[2]．換句話說，我們的學生呈現出的最大問題就是“低分高能”，缺乏創新能力和實際動手操作能力．問題何在，我們不難發現學生在學習生涯中絕大部分接觸的問題都是結構設置良好的問題，而現實生活中亟須解決的絕大部分都是結構不良問題，我們學生卻極度缺乏對這類問題的練習．

1　結構不良問題

在心理學領域，美國學者紐厄爾和西蒙對“問題”的界定受到普遍公認，“問題是這樣一種情景，個體想做某件事，但不能即刻知道做這件事所需采取的一系列行動”[3]．基于建構主義理論研究，1997年喬納森根據問題結構是否明確，將問題分為結構良好問題和結構不良問題[4]．結構良好問題指初始狀態(已知的關于問題條件的描述)、目標狀態(關于構成問題結論的描述)和中間狀態(從初始狀態到目標狀態的一系列認知操作)三者均明確的問題．反之，結構不良問題是指初始狀態、目標狀態和中間狀態不同程度地不明確的問題．具體來說，結構不良問題可分為以下3種情形：一是起始狀態和目標狀態明確，中間狀態不確定；二是起始狀態和中間狀態明確，目標狀態不確定；三是起始狀態、目標狀態和中間狀態均不確定[5]．

1.1　結構不良物理問題

結構不良問題的主要特征有：問題條件或數據部分呈現或冗余；問題目標界定不明確；具有多種解決方法途徑，有時甚至沒有解決辦法；具有多種評價解決方法的標準；所涉及的概念規則和原理等不確定，或者不知道如何應用他們解決問題；沒有一般性的規則或原理來描述或預言大多數案例；需要學習者表達個人對問題的觀點或信念；沒有確切的方法確定行為是否合適；與真實生活情境相關[6,7]．結合前人的已有研究，國內學者孫玲玲將結構不良物理問題定義為：“物理學研究領域中存在的結構不明確、解決途徑不固定、答案可能不唯一的復雜問題”[8]．

1.2　認知彈性理論

20世紀90年代初，美國依利諾斯大學的斯皮羅提出認知彈性理論，具體來看這是一種針對結構不良知識領域，以獲得高級知識為目的的教學思想和方法，并且他們指出：“所謂認知彈性，意指以多種方式同時重建自己的知識，以便對發生根本變化的情境領域作出適宜的反應．這既是知識表征方式(即多維度表征)的功能，又是作用于心理表征的各種加工過程(包括對對完形的修復和是對一整套圖式的加工過程)的功能”(Spiro,R.J.&Jehng,J.，1990)[9]．此理論關注的焦點是試圖揭示復雜與結構不良領域中的學習本質．認知彈性理論是建構主義的一個新興分支，但它反對極端建構主義中單一強調學習過程中的非建構一面，忽視概念學習的重要性和知識獲得的系統性，它同時沒有與行為主義對立，反而汲取了一些行為主義中的教學觀，比如，承認教學過程中的客觀性和規律性[10]．不難看出，認知彈性理論是一種既“折中”卻“有立場”的過渡性學習理論．認知彈性理論的范疇體系包括3個部分：一是適用范圍，即針對高級學習階段，在此階段的學習涉及大量結構不良領域的知識或問題；二是教學方法，即隨機通達教學，適合高級學習階段的教學方法；三是學習媒介，即認知彈性超文本，具有非線性特征的超文本有助于學生從多種觀點的角度接近概念并建構知識表征，真正改善對復雜概念的掌握．這3部分有著密不可分的邏輯關系，相輔相成，自成一體，共同體現出認知彈性理論的核心觀點：針對高級學習階段的不良結構領域問題，以多角度非線性的超文本呈現觀點，幫助學生加深對復雜問題的進一步理解．

1.3　高中生物理學習心理特質

根據皮亞杰的認知發展階段理論及一些國內外研究，我國學者喬際平和邢紅軍教授認為，我國國內多數高中學生物理思維沒有進入形式運算階段，正處于具體運算階段向形式運算階段的過渡過程，這是對我國中學生物理認知水平發展的一個基本估計．高中生物理學習心理特點主要表現在學習興趣與思維特征兩方面，高中生的學習興趣相比于初中生更為集中，且學習興趣開始聯系學習目標，此階段，間接興趣比直接興趣起更大作用，學習動機與興趣趨于穩定．觀察能力大大提高且深刻，注意力依靠意志習慣的努力而集中．高中生思維處于過渡期，學生在此過程中易產生“失落感”．總的來說，高中生思維具有獨立性和批判性，抽象思維和概念思維能力開始加強，教師在日常教學活動應注重挖掘教學的智力因素[11]．

2　三者之間的聯系

在高中物理教學活動中，可以通過適當設置結構不良物理問題，由教師引導學生嘗試解決進而提升學生的創新能力和問題解決能力．由于物理學自身的學科性質決定，結構不良物理問題大多是與現實生活或實際生產生活聯系緊密．具體來說，結合物理學學科自身特點，筆者認為不良結構物理問題的出現與物理學學科基本性質有著密不可分的關系．物理學是對自然界概括規律性的總結，是概括經驗科學性的理論認識．物理學從實際生產生活出發，又最終應用于實際中去．而絕大部分結構不良物理問題就是與實際相結合的探究性和開放性問題．學生認為物理難學難懂，究其原因，就是實際物理問題多變復雜，而物理教材中絕大部分題目設置結構過于單一良好，進而導致學生缺乏對不良結構物理問題的認識與學習．

已知條件不同程度地模糊，解決思路不清晰不單一，解決方法不明確不簡單，結論不絕對等．例如，設計適合自己的家庭電路等．教師應如何引導或幫助學生解決類似的結構不良物理問題？針對結構不良領域知識的認知彈性理論在這一方面可以給我們具有可操作的建議．教師可利用多方式表征這類問題，引導學生多角度深層次地構建物理知識體系，為學生解決這類問題提供相應幫助．具體來說，教師針對高級學習階段中某同一內容的學習要在不同時間多次進行，由于在每次學習的情境方面目的不同，著眼的問題側面會有互不重合的方面，那么每次設置的情境都是經過改良組合的．這種反復并非為鞏固知識技能，而是通過實例把概念與具體情境聯系起來，并說明其含義．經此，學生可以形成對概念的多角度理解，并與具體情境聯系起來，形成背景性經驗，利于學生針對實際情境建構用于指引問題解決的最佳圖式．

實踐是檢驗真理的唯一標準．那么，檢驗一種教學方法是否適用有效，就得通過教學活動來體現．教學活動的教學主體對象是學生，任何一種教學方法在教學活動中的體現都必須考慮教學主體對象這個變量因素．認知彈性理論作為一種針對結構不良知識領域，以獲得高級知識為目的的教學思想和方法，它對學習對象的元認知水平及非智力因素等是有要求的．高中生處于青少年時期，其思維發展迅速多變，抽象思維尤為突出，信息來源廣，接受能力強．教師可合理利用這些條件，與學生多溝通多交流，通過多種方式，提高學生元認知水平，激發學生非智力因素，培養學習興趣，提高創新意識等．因此，教師可根據學生的身心發展水平，科學設置結構不良物理問題，適度訓練學生的物理思維，逐步提升學生創新意識，培養學生實際問題解決能力．

3　對高中物理教學啟示

3.1　轉變教學理念

教學理念是對認識的集中體現，同時也是人們對教學活動的看法和持有的基本的態度和觀念，是人們從事教學活動的信念．先進科學的教學理念不僅是教育改革的風向標，也是有質量的開展教學活動的先行者．從理論層面來看，高中階段教育的目標已經從“精英教育”走向“大眾教育”，其培養定位更是強調社會化、素質化和個性化．具體來說，高中人才培養的目標應該是能夠更好地融入社會，能夠運用自身的知識創造性地解決實際問題，服務社會．物理教育工作者應樹立以人為本，因材施教，強調提高創新意識和培養實際能力的教學理念．從操作層面來看，物理學作為一門與實際生產生活聯系緊密的學科，那么就要求物理教育工作者要理性地注重教學活動的開展．在物理教學活動中，注重物理思維的引導和物理方法的滲透，不照本宣科，不拘泥于課本，將所教授的知識與學生日常經驗聯系起來，使學生做到理論聯系實際．同時，教師應能聯系實際教學經驗，反思教學活動中值得思考和可能出現的問題．總的來說，物理教育工作者應轉變傳統教學理念，及時了解當下最新最具科學性的教學理念，并且主動聯系自身專業知識和學科性質理性地思考，辯證地分析．堅持“一切為了學生的發展”核心理念，堅持以學生為主體，以教師為主導的教學原則，不斷加強對專業知識學習，更新陳舊教學理念，立足教育發展前沿，理智地看問題．

3.2　充實教學方法

隨著教學領域理論體系的進一步研究與發展，教學方法也愈加豐富充實，但每一種都有相應的優勢特點和使用范圍，誰也不能取代誰．同時，針對一節具體的學習內容往往需要數種教學方法相互配合使用，反而能夠取得更好的教學效果．每種教學方法都是基于特定的教學理論背景之下產生的，且針對特定的領域知識．因此，認知彈性理論也不例外，認知彈性理論基于現代建構主義學習理論的背景之下，針對結構不良知識領域．認知彈性理論提出的隨機通達教學適用于高級知識的學習．高級知識具有復雜性，不能通過對設置簡單的結構良好問題機械重復地訓練習得，而是要通過結構不良問題的解決過程逐漸獲得．隨機通達教學對于高級知識的同一內容的學習恰是由教師給學生呈現與當前學習內容相關的情境，引導學生從不同時間，不同情境，不同角度，不同從層次，不同目的入手，多次重復對同一學習內容的學習過程，把具體概念聯系實際經驗，通過提問促進學生認知能力的問題(并非知識性問題)，揭示知識的多樣性與關聯性．其中，教師要注重學生的自主意義建構過程，提高學生的自學意識，培養學生的發散型思維能力和解決問題能力．總的來說，隨機通達教學的提出是對高中物理教學方法的有利豐富．

3.3　豐富教學資源

現今，信息多媒體技術發展迅速且日趨成熟，在教學領域的應用也很廣泛，多媒體教學更是現代教學發展的一種大趨勢．那么，合理利用信息多媒體技術對于教師的教學活動也將大有幫助．認知彈性理論的理論范疇之一就是教學媒介——認知彈性超文本，超文本技術是用超鏈接的方法將不同空間的文字信息組織在一起的網狀文本，從某種程度上來看，這就給學生提供了多角度多方面的相關學習平臺，學生在隨時訪問這些非線性的電子文檔時，不僅可以參考他人所提供的信息，并且可以進行動態編輯．在結構不良領域知識的學習中，這有助于學生克服知識的單一性、抽象性和問題的復雜性，有利于掌握知識概念和相關主題之間的聯系，加深學生對某一學習內容的理解．因為這一過程都是以信息多媒體技術為媒介，所以超文本技術的高效應用則需依托信息多媒體技術的發展，這也是對多媒體教學資源的合理利用．

3.4　創造性利用教材

國內現行高中階段物理教材有許多版本，主要有人教版、滬科版、魯科版和粵教版等．總體來看，這些教材的設置都在逐漸偏離傳統高中物理課程的“難、繁、舊、偏”以及“知識本位”等缺點．一般來說，現行教材具有以下特點：基礎性和時代性，注重物理學思想、方法、科學精神，注重與科學、技術、社會的聯系，關注學生的興趣和體驗，強調科學探究過程，同時注重與多媒體信息技術整合等．一本好的教材是順利開展教學活動的必要基礎之一．因此．國內各省市針對各自不同地域特色和不同階段要求，選用合適的配套教材．教師對教材創造性地應用更是實現高效教學的關鍵，同時也是對教師能力的考驗和自我挑戰．認知彈性理論中提到，為應對發生變化的實際情景，教師應幫助學生以多種方式同時重建知識體系．這就啟示我們，高中物理教師應根據針對同一學習內容及其要求，考慮不同學習對象心理特征、思維特質和背景知識，結合自身教學經驗，整合現有教學資源，靈活運用教學手段，做到有的放矢地處理教材內容．教材中一節內容，在它的導入、講解與應用過程中應以教材各部分呈現作為基本參照，不同程度地結合日常生活生產實際，注重兩者之間聯系．給學生提供與實際情境相差無幾的問題，創造性地對教材各板塊內容進行選擇與處理，幫助學生從多角度認識和深層次學習相關知識．

3.5　發展學生思維

中學物理教學目的之一就是通過物理教學活動培養學生的物理思維能力，而思維正處于物理智力活動的核心地位．思維是具有意識的人腦對客觀事物間接的、概括的和能動的反映，它屬于認識過程的高級階段．其中，形象思維是物理思維的先導，抽象思維是物理思維的核心．高中生的思維正處于“分水嶺”，物理教師通過物理教學活動培養高中生的物理思維并非可以“一蹴而就”，而是一個循序漸進的過程．認知彈性理論中提到給學生在不同時間呈現形式多樣、層次各異、角度多元的物理情境，某種程度上可以認為是給中學生物理形象思維提供了基礎的思維材料，學生通過感知物理現象，進而獲得感性認識，初步形成鮮明正確的物理形象．當學生積累了足夠多的物理表象之后，教師可以指導學生使用類比和聯想方法處理表象，構建新的物理形象，培養學生豐富的想象力．物理形象思維很重要，但也有局限，必須結合物理抽象思維，才能在得出結論時充分發揮其作用．物理抽象思維是在學生面對許多感性材料時，教師提出一系列引起學生探究興趣的疑問后，學生積極思考，教師引導學生運用物理思維基本方法(比如：分析與綜合、抽象與概括、歸納與演繹、比較與分類、科學的推理等)得出簡練科學的結論以及嚴謹合理的知識結構．在這兩種物理思維的培養過程中，學生在面對處理廣度、難度、深度多變的物理情景同時也增強了物理思維的深刻性和敏捷性，特別是學生通過多角度的思考分析問題訓練了物理思維的靈活性和獨特性，甚至是批判性．

3.6　提高學生能力

提高學生的綜合能力是中學物理教學活動的重要目的，而如何提升也是物理一線教育工作者所面臨的嚴峻挑戰．綜合能力包括培養搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力、交流與合作的能力等．學生在利用認知彈性超文本這個教學媒介時，通過結合自我觀點瀏覽、篩選或動態編輯其他人所提供的相關信息的過程實際就是自主培養處理信息能力和獲取新知識的必經之路．特別是中學生面對真實物理現象時，教師引導他們將其與相關物理知識聯系，抽象成物理模型的過程不僅是提高學生分析能力的有效手段，也是提高解決問題能力的基礎．教師運用多元方式幫助學生重建知識體系的方法，也會啟發學生在解決同一問題時，嘗試舉一反三，尋求解題的多種思路和方式．這實際有利于發展學生發散思維，提高學生創新意識和培養問題解決能力．

除了以上問題，還有一些東西需要我們進一步思考．認知彈性理論對學生的元認知水平和非智力因素有較高的要求．那么，通過哪些途徑能夠有效提升學生的元認知水平，對教師的的能力又有哪些具體的要求以及相應的教學反思工具該如何設計等等．也只有將這一系列問題思考清楚，才能使認知彈性理論更好地服務于高中物理教學活動．