物理概念圖式進階的理論探討*

鄭朝陽

(中國人民大學附屬中學朝陽學校 北京 100028)

近幾年來，學習進階理論已經深入到教育理論研究和實踐研究中.認知心理科學的發展也有效地推動了教育科學研究和教育實踐，其中的認知圖式理論也給教育理論和實踐研究提供了新的視角.物理圖式和學習進階從不同視角對物理學習過程進行了研究和解釋.在對物理學習進階過程的進一步研究中，本研究發現物理圖式和學習進階之間存在著密切聯系.

1 物理圖式

根據圖式理論，本文把物理圖式定義為：物理圖式是對即將呈現的有關信息刺激形成某種預期,進而引導相應物理知覺過程的積極的認知結構，包括物理表象圖式、物理概念圖式、物理規律圖式、物理問題圖式和物理實驗圖式等.

物理表象圖式是認知者以表象形式儲存的事實或現象及其之間關聯的認知結構.物理概念圖式是認知者對物理概念相關的文字、圖像、表象、聲音、關系、程序、規則、操作等信息及其相互關聯構成的整體認知結構.物理規律圖式是認知者對物理規律相關的文字、圖像、表象、聲音、關系、程序、規則、操作等信息及其相互關聯構成的整體認知結構.物理問題圖式由物理概念圖式、規律圖式、表象圖式、程序性知識、元認知知識、問題特征信息等按照問題主題有機構成的整體認知結構.

物理實驗圖式是由物理表象圖式、物理概念圖式、規律圖式、物理儀器圖式和操作圖式等構成的認知結構.

目前物理教育研究領域中的“概念”是廣義的概念，它包括了以往的概念和規律.本文借用這個廣義的“概念”統稱以往的概念和規律，因而“物理概念圖式”代表物理概念和規律圖式.

2 物理圖式與學習進階的關系

2.1 從圖式本體和學習進階的本質看學習進階

圖式是人腦中的認知結構，其中包含有顯性成分和隱性成分.圖式能夠對即將呈現的刺激形成某種預期，也能夠積極引導相應認知活動.根據圖式理論，認知發展的過程是個體與環境持續發生相互作用的過程.由于環境的多樣性和復雜性，環境給人腦的刺激不是單一的，而是多方面信息刺激構成的集合體.這使得個體的多種感官參與了多方面的認知活動，從而形成各種知識和技能緊密聯系的認知結構網絡——認知圖式.

在分析個體認知成分的過程中，可以把圖式中能夠外顯的知識分為陳述性知識、程序性知識和元認知技能等成分.這些外顯成分是對認知圖式進行分解后得到的分析形式，它們是認知圖式的組成部分.還原個體圖式的分析形式，得到人腦內部的部分知識和技能存在方式——認知圖式的顯性部分.由于圖式的隱性部分無法外顯，只能夠通過其表現說明隱性部分的存在.

因此，個體知識技能在人腦中存在的形式或個體知識技能的本體是認知圖式，簡稱圖式.根據神經科學的研究成果，可以認為圖式的物質載體是神經元之間的網絡連接關系.

個體的學習過程是在腦中建構認知圖式的過程，因而學習進階的本質是認知圖式的進階.

2.2 從物理圖式的形成過程和結構看學習進階

個體腦中的物理圖式包括物理表象圖式、概念圖式、規律圖式、實驗圖式和問題圖式等.這些圖式都是在生活和學習過程中，通過動手和動腦的實踐活動逐步形成，例如實驗室實驗、生活中物理現象的觀察、課堂學習和課后學習等.每一種類型的圖式形成過程有其特殊性，相互之間也有著各種聯系.每一種物理圖式不斷豐富和完善的過程其實質也就是學習者物理圖式不斷進階的過程.

就比較而言，相對于其他物理圖式，物理問題圖式是最復雜的物理圖式，其他物理圖式是問題圖式的基礎和組成部分.在解決問題的過程中，通過利用其他物理圖式、問題情境等，逐漸對相應類型問題解決的圖式不斷豐富和完善，從而實現問題圖式的不斷進階.

研究者們發現，專家頭腦中的知識技能具有良好的認知結構，是按照層級結構組織起來的圖式系統.專家的問題圖式按照陳述性知識的層級結構來組織，是一些中等抽象水平的問題圖式組成的圖式系統.圖式系統中最低端的問題圖式與問題類型情境等具體細節知識相連，從而提高圖式的針對性，便于激活來解決問題.

圖式向上依次構成不同層級結構和抽象水平的圖式，因而從非常詳細的具體問題圖式到高度抽象水平問題圖式共同構成了一個完整、龐大、精細的問題圖式體系.正是專家的這種精細問題圖式促使專家能夠快速有效地解決問題.新手需要從局部圖式的一致性，逐步達到圖式系統的一致性和自恰，才能夠從新手變成問題解決專家.

因為新手變成專家的過程是通過不斷學習，使圖式不斷進階，最終達到專家的精細化圖式的過程，所以，物理圖式結構深化和優化的過程就是物理圖式的進階過程.

在研究相應的物理問題的過程中，除了以上物理學習領域的專家形成了相應的精細化的物理問題圖式外，在物理學研究領域，物理學家們也逐漸積累形成了研究物理問題的精細化圖式.這些圖式都極大促進了物理學家們對物理問題的研究，有力地促進了人類社會對物理現象的認知，從而推動物理學的發展.

3 物理概念圖式進階的理論探討

學習者頭腦中的概念和規律的學習進階實質上是對應圖式的進階.在學習者物理概念圖式進階的過程中，不是單一某個知識和技能的進階，而是相應認知網絡結構及其技能的生態性的進階.因此，我們需要用圖式的觀點來看待整個學習進階過程.

基于此，利用物理概念圖式進階的教學設計，可以豐富教學設計的內容，也會更加接近于學生真實的認知過程.通過細化物理概念的進階過程，本文得出了“物理概念進階的層級模型”和“物理概念圖式學習進階過程的分析框架”.

3.1 物理概念圖式進階的層級模型

郭玉英教授(2016)認為，學習進階的起點是學生的前認知，終點是期望達到的教學目標，學生的學習進階過程要經歷從起點到終點的一系列中間發展階段.Knut Neumann等(2013)提出了科學概念理解發展的層級.根據這兩位研究者的觀點，結合物理圖式理論，本文提出“物理概念圖式進階的層級模型”，如表1所示.

表1 物理概念圖式進階的層級模型

3.2 物理概念圖式學習進階教學的分析框架

根據以上物理概念圖式進階的層級模型，結合外顯的物理圖式構成成分和促進圖式形成的途徑等，本文從概念圖式、模型、邏輯、方法、元認知、思維導圖、概念圖7個方面提出了物理概念圖式學習進階的分析框架，如表2所示，以便使物理概念圖式進階的教學設計具有可操作性.

表2 物理概念圖式學習進階過程的分析框架

續表2

以上分析框架試圖將圖式進階的理論和實際教學相融合，旨在細化物理圖式進階過程的特征，使其能夠融入實際教學設計的過程中，增強了圖式進階教學設計的可操作性，使抽象的圖式進階觀點轉化為具有指導教學設計的具體建議.