圖式理論在高中物理概念教學中的應用探討

(江蘇省蘇州市吳江區汾湖高級中學，江蘇 蘇州 215211)

哲學家Kant最早提出了“圖式”的概念，他認為圖式就是學習者對過往所獲得的知識、經驗和反應等一種自我組合而形成的特定結構。[1]經多位心理學家、教育家、人工智能專家的發展和實踐，逐步由“圖式”發展為“圖式理論”?，F代認知心理學認為圖式是以某一個主題為中心形成的知識結構，從而儲存在學習者大腦中的，具有“組織性”“集合性”等特征，影響著學習者對后繼的各種客觀事物的反應和判斷。[2]學習者在獲取新知識、理解新事物時，往往會調用自己頭腦里已有的圖式去嘗試理解和分析，當兩者相符時，就可以比較順利地理解新信息；當兩者不符時，就需要對已有的圖式進行修正或重構。

高中物理中的概念教學可以在圖式理論的指導下完成，有助于學生構建良性的物理知識體系，培養學生掌握類比、遷移等科學方法，發展學生解決實際問題的能力。本文以高中物理概念教學為例，嘗試在教學中應用圖式，從而實現概念的同化和順應。

1 呈現多樣實例，幫助學生形成圖式

學習者對于陳述性知識的學習，大多是基于對大量實例的分析，通過對實例的差異性、共同性的反思后，形成對該方面內容所涉及的相關信息的記憶和理解，最終具體化為某一個確定的圖式。因此，在人腦形成圖式的過程中，教師應圍繞主題設計一系列的事例，以連續呈現或同時呈現等方式展示給學生，為學生較快地形成圖式作鋪墊。

案例1：“加速度”概念的建立

學生在學習“加速度”這一節前，可能關于“速度變化的快慢”的討論或觀察較少，更多的是觀察到物體運動的快慢，即速度的大小。如何幫助學生構建“加速度”的圖式？筆者認為可以依托學生已有的生活經歷，通過收集、整理各類實例，集中展示出來。如在加速度的引入中，可以通過“體驗—定性—定量”的流程來設計：首先，播放視頻(飛機、賽車等加速啟動的情景和正常剎車、急剎車等情景的比較)，讓學生真實感受到“不論是啟動過程還是減速過程，其中均存在速度變化以及變化快慢的問題”。其次，出示表1，讓學生在“具體化”的數據情景下，去思考、辨析，從而形成“定性加半定量”的判斷方法，即“等Δv看t，t越大，v變化得越慢；等t看Δv，Δv越大，v變化得越快”。最后，對兩種判斷方法“等Δv看t”和“等t看Δv”進行理性思考，引導學生思考這兩種方法的本質實際上是比較了單位時間內的速度改變量，從而順利地引出在“Δv與t”均不等時的比較方法，為定義加速度打下堅實基礎。

表1

2 對比差異性實例，修正圖式

學習者對于知識和方法的認識不是一蹴而就的，是在不斷研讀、反復應用中逐步形成的。同樣，儲存在大腦里的圖式也是在一系列新情景下的應用中不斷地修正、逐步地形成正確的圖式。在實際操作中，教師可以有意識地選擇一系列差異性較大的事例，通過實例的比對分析，幫助學生提煉關鍵信息和特征，鞏固正確圖式。

案例2：“功”概念的修正

關于“功”的概念，學生在初中“簡單機械和功”的學習中有所涉及。由于考慮到學生的接受能力和思維發展的特點，初中教材中的事例均是設計為“力與位移方向一致的情況”，但事實上這些事例均是特例。在高中階段，如何引導學生構建正確的“功”的圖式，從而更有利于分析一般的情況？筆者引入了差異性實例，如圖1所示。通過差異性實例，以正反對比的方式，激發學生對原有的“功”的圖式進行反思，然后由兩個“差異性實例”向“一般實例”延伸，從等效的角度，重新理解“影響做功的兩個因素”，修正了“功”的圖式。另一方面，在此概念的修正中，強化了“特殊—一般”的探究方法，引導學生利用比較、等效等方法分析問題、歸納結論。

圖1

3 自主應用實例，重建圖式

關于教學目的，從淺層看，是在課堂教學中通過恰當的問題設計，幫助學生逐漸掌握相關知識和處理問題的方法；從深層看，是通過課堂教學有意識地培養學生解決問題和自主學習的能力，促進其適應社會需要和終身發展所需的關鍵能力的提升。在教學中有意識地引導學生自主提出新的事例，去修正、重建圖式，恰恰是培養上述能力的有效途徑之一。

案例3：“功”的性質

在初中階段，主要討論的是各個物理量之間的“數量關系”，不區分標量和矢量的問題。但在高中階段，“能夠正確處理矢量的運算”是一個重點，也是一個難點。從多年的教學經驗看，學生在這個問題上，一直存在較大的問題。如何突破？筆者認為在教學中有意識地引導學生自行構建圖式，有助于突破這一難點。

圖2

如在“功的性質”這一問題上，筆者沒有直接告知學生“功是標量”，而是設計了以下問題情境：圖2為某一水平面的俯視圖，一物塊受兩個互相垂直的力作用，其中F1=3N,F2=4N。物體從靜止開始沿著合力方向運動了1m。求：(1) 在運動過程中，F1對物塊做了多少功？(2)F2做了多少功？(3)F1和F2做的總功是多少？(4)F1和F2的合力多大？(5) 合力做了多少功？(6) 合力與分力的關系？(7) 根據對上述問題的探討，你有何判斷或結論？

由于學生初次接觸“功的性質”這一問題，腦海中不具有相關的事例，筆者設計了圖2的事例，在上述的7個小問中，筆者提出了前3個問題，后繼的4個問題是由學生討論而提煉出來。通過這一方式，學生在自行求解中提煉、歸納得出“功是一個標量”這一結論，有效地幫助學生掌握標、矢量的判斷依據和方法。

4 結語

奧爾康、金德和申內特通過研究發現：在學習中，由于學習者采用的學習方式不同，往往會影響他們的知識獲得量，如一般能記住他們所閱讀過的10%、他們邊做邊說的90%。由此可見，學習者在課堂上的思維調動度和參與度是決定其收獲的主要原因之一。在高中物理概念教學中，通過列舉恰當的事例，有助于激發學生的學習興趣和提高學生課堂的參與度；讓學生在具體的事例情境中分析、思考、歸納，從而形成正確、合理的概念圖式，有助于知識和方法的結構化、集成化和簡約化；利用圖式進行教學，還可以進一步優化學生的認知結構，便于激活和遷移。[3]