基于物理知識結構化的形成機制高效物理課堂的創建

郭可馨 程敏熙

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

劉勇輝

(廣州市第五中學 廣東 廣州 510220)

在素質教育和應試教育互為對立統一的時候，教師的課堂教學日漸迷失了主線，課堂中以素質教育的名義“轟轟烈烈”地做表面文章，卻在“實實在在”地推行應試教育，制造課業負擔，教師疲于準備各種“花樣”，學生跟著教師的步子吃力地前進卻收效甚微，此為我國當代中小學教學生活的真實寫照[1].創建高效的物理課堂，分清教學內容的主次，減少課堂教學中的內耗與不必要的修飾，根據學生對知識的掌握情況分配教學時間與精力，這樣才能為學生留足空間，為在課堂中落實培養學生的核心素養提供了可能，確保教學效能穩步提升.本文提出基于物理知識結構化的形成機制高效課堂創建的流程模型，并結合具體實例分析，力圖為教學改革擴寬思路.

1 物理知識結構與物理知識結構化的區別與轉化

1.1 物理知識結構

布魯納提出學科基本結構理論，所謂“學科基本結構是指該學科的基本概念、基本原理及其相互之間的關聯性，是指知識的整體性和事物的普遍聯系，而非孤立的事實本身和零碎的知識結論”.任何學科都有基本的結構，任何與此學科有聯系的概念、事實、觀念、論據、方法等都可以連續地納入一個統一的結構之內[2].“物理知識結構”廣義的講是物理學科體系，是人類迄今為止所積累的物理知識的總和.從狹義的角度理解就是在學校教育中，把物理教材中的知識結構對應于物理的知識結構.與具體教學相聯系的物理知識結構是指一節課中與教學目標實施直接關聯的，必須讓學生掌握的基本概念、定理、公式、問題解決方法按照一定的邏輯相互關聯、相互滲透構造的關系網絡.

1.2 物理知識結構化

學生如果掌握了物理知識的基本結構，教師就可以引導學習者自己去習得新知識，學習者自己發現觀念間的以前未曾認識到的相似性規律和關系時會產生一種對于自身能力的成就感.學生在以后的學習中不斷調整所獲得的物理知識結構的過程就是物理知識結構化.

物理知識結構化是學生在教師的指導下按照自己理解的深度和廣度，結合自己的感知覺、記憶、思維、聯想等所獲得的一種經過改造了的具有內部規律的物理知識結構，它是新的物理知識和學生已有的物理知識結構相互作用的產物.和具體教學相聯系的物理知識結構化是學生將每節課積累起來的知識加以歸納和整理并與原有的物理知識結構整合,使之條理化、綱領化，綱舉目張,不是像一盤散沙,像紅線串珠，一點點地將知識構造關系網絡化,而不是簡單堆積.物理知識結構化其本質就是將物理知識結構轉化為學生頭腦中的物理認知結構的過程，如圖1所示.

圖1 物理知識結構化的內涵

在國外的研宄中，對認知結構內涵的理解，不同的心理學家持有不同的觀點.其中，皮亞杰從認知發展的觀點，最早對認知結構這一術語做了相關描述，并認為認知結構是人活動內化的產物.布魯納則用類目及編碼系統來描述結構.他認為，認知結構是知識的組織結構，它們以編碼系統式的結構結合在一起.奧蘇貝爾是認知結構理論具體化的實用主義者.他認為認知結構就是書本知識在學生頭腦中的再現形式，是有意義學習的條件和結果[3，4].國外大多數學者認為，知識結構只有學習者在大腦中經過多方位的內化消化和吸收才能轉化為本人的認知結構.因此物理認知結構是一種經過學生主觀改造了的物理知識結構，是物理知識結構與學生心理結構相互作用形成的一個認知功能系統，反映了學生頭腦中物理知識的存儲狀態及物理信息加工方式.認知心理學表明，認知結構是個體解決問題的關鍵，它包含著許多信息和功能，如果個體有意識地利用這些信息和功能，相應的問題便會得到解決.學生學習物理的過程實質上是物理認知結構不斷建立和完善的過程.

2 物理知識結構化的形成機制

在物理的學習過程中，通過教師的教和學生的學，物理知識結構完全可以轉化為物理認知結構，前者是后者形成的物質基礎和客觀依據，后者是在學生頭腦中與自己原有的知識結構及經驗發生了反應經過改造的具有內部規律的物理知識結構， 根據認知心理學的觀點，學生的物理新知識與已有的物理舊知識之間的連結，通常情況下釆取同化和順應兩種方式來實現.當學習者主體與新的物理知識客體發生交互作用的時候，學習者能夠利用已有的認知結構把新的物理知識納入到自己原有的物理知識認知結構中，進而引起學習者主體物理認知結構數量的擴充，這個過程就是學習者在原有物理認知結構的基礎上對新物理知識的同化.當學習者與新的物理知識發生交互作用的時候，原有的物理認知結構不能同化新的物理知識，就需要學習者對原有的物理認知結構進行重組和改造，以適應新的物理知識的納入，這個過程就是學習者對新物理知識的順應[5].物理知識結構化的形成機制就是通過同化和順應兩種方式進行的(圖2)，學習者進行多次同化和順應的過程，最終將知識以最有效的方式存儲在大腦中，以此把原來零散的物理知識形成合理有序的物理知識體系，從而形成良好的認知結構.

圖2 物理知識結構化的形成機制

3 基于物理知識結構化形成機制的高效物理課堂創建方法

課堂教學從單純追求掌握知識到基礎學習能力再到現在強調核心素養終身能力的發展，唯有通過改變課堂結構，最大幅度提升單位時間效益，才有可能把學生從時間加汗水的應試模式中解救出來，把學習的主動性還給學生.

3.1 高效課堂的內涵

高效物理課堂是在課堂教學中，在單位時間內高效率、高質量地完成教學任務、促進學生獲得高效益發展.實現高效課堂第一步就是對課堂的瘦身與重難點的把握.教師可以利用物理知識結構化形成機制，根據物理知識結構診斷出學生知識同化或順應的薄弱處，合理分配教學內容的時間，對課堂知識進行過濾、篩選、提純，把那些無用、冗余、偏多的“教”的成分剔除出去.一部分教師認為課堂上的板書中的帶有大括號囊括性的知識屬于物理知識結構，例如壓強一節的板書(圖3).其實不然，這類板書雖然有其結構，但只是知識的展現形式上的結構，往往將它稱為知識清單.教師應關注的是知識本身的內部邏輯與結構，有助于教師課堂結構的優化.基于物理知識結構化的形成機制創建高效物理課堂流程模型如圖4所示.下文以測量浮力的大小這一知識點說明.

圖3 壓強板書

圖4 流程模型圖

3.2 根據物理知識結構化的形成機制診斷學生知識掌握薄弱處

測量浮力的大小為人教版八年級下冊第9章內容，學生所學的浮力相關知識是以浮力概念為基點，以阿基米德原理為核心，物體的浮沉條件為其表現形式[6].測量浮力大小的4種方法就是浮力知識的綜合應用，其知識結構如圖5所示.

圖5 浮力的大小知識結構圖

對圖5進行分析可以診斷出學生的知識薄弱處.

第一，上下壓力差法，由圖5中箭頭可知，學生已經在學習液體壓強時通過一些直觀的現象，如礦泉水瓶側壁戳孔后會有水柱射出，知道了液體壓強是各個方向的，學習了液體壓強的計算公式p=ρ液gh，因此在學習上下壓力差法計算浮力的大小時，大部分學生能夠順利地將這種方法同化進他們原有的物理認知結構中.

第二，稱重法，由圖5中箭頭可知，學生在彈力一章已經學習過彈簧測力計測量物體的重力，大部分學生也可以較為容易地將這種方法同化進原有的物理認知結構，但與測力計測量物體重力有所不同的是，稱重法中，將物體浸入水中后，測力計示數為重力減去浮力，因此這里要想讓學生順利地同化，教師需進行適當地受力分析以及對多種浸入情況進行討論.

第三，阿基米德原理法，由圖5中箭頭可知，浮力與排開液體的重力的關系與以前的知識并沒有聯系，學生只是學習了質量密度計算公式m=ρV，沒有直接的知識點去同化這一種方法.學生在這里會產生一定的學習困難，因此這部分內容應該是教師著重幫助學生順利順應新知識納入物理認知結構的地方.

第四，根據浮沉狀態進行受力分析法，由5圖中箭頭可知，學生可以將二力平衡中的知識——平衡態時不受力或受到平衡力——遷移到漂浮或者懸浮狀態，但由于此時不再是靜態的二力平衡，而是一種動態平衡過程，與原有的知識發生沖突，學生需要教師的指導，將這一知識點順應到其原有的物理認知結構.

根據物理知識結構化的形成機制診斷出學生會對第3種和第4種方法掌握較為薄弱.

3.3 根據診斷出的知識薄弱處針對性分配教學內容時間

上述診斷與一些教師的反饋完全一致，教師普遍認為學生在測量浮力的大小這一知識點上，最為薄弱的是阿基米德原理和根據浮沉條件受力分析測量浮力的大小.根據以上基于物理知識結構化的形成機制對物理知識結構的分析診斷出的知識薄弱處，可作為教師教學設計時的指導思想.

(1)對上下壓力差、稱重法測量浮力大小知識點的處理

從液體壓強p=ρ液gh,F=ρ液ghS入手，分析物體各個面受到的液體壓強和壓力，引導學生理解左右兩個面壓力是反向等大的，可抵消，上下兩個面存在向上的壓力差，從而產生了浮力.稱重法時，從測量物體重力開始，逐漸將物體浸入到液體中，此時教師必須進行受力分析，說明物體受到重力、拉力和浮力，幫助學生同化新知識，得出F浮=G-F示.教師不用過多強調復述與推導，學生可以理解過程，但不能靈活應用，可使用例題讓學生在各種情境中運用新知識.

(2)對利用阿基米德原理測量浮力大小知識點的處理

1)經歷探究實驗，理解排開液體體積

幫助學生順應排開液體體積這一知識點.準備好水槽、水、大塑料瓶等，要求學生把密封的空塑料瓶慢慢地按進水里.在操作過程中學生親身體驗到浮力的變化情況，即塑料瓶在浸入水的過程中，感受到水的托力越來越大，直到塑料瓶浸沒到水中為止.在實驗操作中還可以觀察到塑料瓶排開液體體積的變化情況，隨著塑料瓶慢慢浸入水中，水槽內液面上升，當塑料瓶完全浸沒水中，水槽內液面保持不變了.教師說明液面不斷上升是因為塑料瓶浸入之后排開了一部分液體，浸入越多排開的體積越大，這樣，學生對排開液體的體積與浸入液體體積有了初步的感知

V浸=V排

2)自主猜想，理論分析

有學生認為，向水中按壓塑料瓶過程中，感覺越深浮力越大，有學生說，塑料瓶浸沒到水中后，浮力感覺不變了.教師使用稱重法測量物體處在液體不同深處的浮力，引導學生自主歸納出物體在浸沒后所受浮力大小與深度無關.在此基礎上教師理論推導出浮力的計算公式

F浮=F下-F上=ρ液gSh1-ρ液gSh2=

ρ液gV浸=ρ液gV排

結合剛剛稱重法中的結論,浸沒后浮力不變，排開液體體積也沒變，引導學生猜想浮力大小是由排開液體的體積和液體密度決定的.

3)實驗驗證阿基米德原理

理論分析知F浮=ρ液gV排，引導學生從原有的知識結構m=ρV得出

F浮=ρ液gV排=m排g=G排

這時教師提出阿基米德原理就是F浮=G排，讓學生自主思考如何尋找F浮和G排的關系.

師：浮力如何測量？

生：將物體逐漸浸入液體中利用稱重法測量浮力.

師：G排如何得知？

生：在物體浸入的過程中用小桶接住排出來的液體，進而使用彈簧測力計測量.

到這里，驗證阿基米德原理實驗的基本方法、原理，學生較為順利地將它順應進原有的知識結構.在驗證的過程中，要求學生對實驗細節誤差進行進一步思考，如，測量G排時，若先測量小桶加排開水的重力后，小桶沾了水就會造成誤差，又比如溢水杯的液體并沒有裝到溢水口，這時有一部分液體并沒有排進小桶中.

設計意圖：現行的人教版教材 “阿基米德原理”僅僅一句 “我們用物體排開液體的體積取代物體浸在液體中的體積”便完成了從V浸向V排的轉化.大量教學實踐表明，關于V排內涵的理解構成了本節課教學的重點，亦是學生理解的難點[7].同時，直接進行實驗探究出“浮力大小等于排開液重”結論也給學生造成了較大的困難，學生獲得物理知識的過程并不能完全等同于科學家發現自然規律、建立物理概念的過程.教師在考慮學生自身認知水平與知識理解所需認知水平間存在的差距的基礎上，將探究變為驗證，實質上學生也是經歷了探究的過程.

(3)對根據浮沉條件受力分析測量浮力大小知識點的處理

首先讓學生明白漂浮與懸浮、上浮與下沉的物體的狀態，并且讓學生明確漂浮與懸浮狀態是一種平衡態，重力與浮力是一對平衡力.教師在這里應幫助學生理解動態平衡過程，強調將物體浸沒在液體中，若物體上浮則F浮>G物，最后上浮至漂浮在水面上，由不平衡到平衡態，重力的大小并沒有發生變化，引導學生結合阿基米德原理分析在不平衡走向平衡的過程中，得出物體上浮至漂浮的情況下浮力減小的原因是因為物體浮出液面后排開液體體積減小.若物體將下沉最后沉底，則F浮

設計意圖：有研究表明，大部分學生在浮沉條件知識點上存在許多錯誤前概念，如，浮在水面上的物體，浮力大于重力，重的或者大的物體下沉，輕的或者小的物體上浮[8].因此在浮沉條件的教學中，關鍵是引導學生對浸沒的物體進行受力分析，然后從平衡態的角度去找尋重力和浮力的關系，理解動態平衡的過程，幫助學生順利順應這一知識點到物理認知結構中.

4 總結

物理教學時若割裂各知識點之間的聯系，會造成較大的學習負擔，教學中應注重知識邏輯結構和學生認知發展規律.學生在沒有一定的知識儲備的情況下去探究，是較為盲目的，既耗時又收獲甚微.教學中化探究為“驗證”，它實際上是教師在考慮了學生的認知水平上的一種“探究”，具有一定的導向性探究，這樣可以極大程度提高教學效率，為學生的學習活動與創造留足空間，從而創建高效的物理課堂.

參 考 文 獻

1 龍寶新.走向核心知識教學:高效課堂教學的時代意蘊.全球教育展望,2012(03):19～24,62

2 尚艷麗.高中化學知識結構化教學策略研究:[學位論文].北京：首都師范大學,2013

3 王琰.高中地理教學中地理認知結構的構建研究:[學位論文].上海：上海師范大學,2015

4 游永永.高一學生物理認知結構的研究:[學位論文].重慶：西南大學,2012

5 王曉艷.中學化學知識結構化策略的研究:[學位論文].濟南:山東師范大學,2010

6 課程教材研究所，物理課程教材開發中心.物理(八年級下冊).北京：人民教育出版社， 2012.53～55

7 陶本友.怎樣突破物理難點知識的教學策略初探——以“浮力”教學為例 .教育科學論壇,2014(06):46～48

8 羅海軍.中小學生對浮沉現象及其原因理解的案例研究:[學位論文].桂林：廣西師范大學,2004