基于學科現象有效表征的學科認知策略

唐洋

(上海市南洋模范中學 上海 200032)

1 物理學科現象及其表征

由物理學科所承載的學科認知意義可知，物理學科知識是人們對物理學科現象(即是什么)以及物理學科現象的成因(即為什么)以及物理學科現象所遵循的規律或物理學科現象所具有的屬性或特征(即怎么樣)所進行的概括性表述．比如說，“機械運動”學科知識是對千姿百態運動現象的概括性表述，而“變速直線運動”或“勻加速直線運動”學科知識則是對運動現象的某一特征所進行的表述；“速度”或“加速度”學科知識表征的是運動現象所具有的運動快慢或運動快慢變化的屬性．再比如，“電磁感應現象”學科知識，即ΔΦ→I感，是對磁生電學科現象成因的表述，而“楞次定律”與“法拉第電磁感應定律”學科知識則是對磁生電學科現象的學科屬性的表征．

綜觀物理學科知識體系的建構，不難發現，物理學科知識可以被分為對學科現象進行描述類學科知識、表征學科現象的屬性或特征類學科知識以及表征學科現象的規律或成因類學科知識．對學科知識進行以上的分類，能使我們對學科知識的學科意義有更為深刻的認識．

物理學科認知實踐表明，對物理學科現象進行有效的表征是認知物理學科問題或是構建物理學科知識不可缺失的前提條件或首要環節．因為，這一認知環節對“生成物理學科問題、形成具有學科認知意義的猜想或假設以及物理實驗的設計”等物理學科認知行為具有舉足輕重的影響．也就是說，以上認知行為的由來都離不開“對物理學科現象的構成元素及其具有的相互關系”的審視與辨析．

仔細思辨物理學科現象不難發現，物理學科現象通常是由若干個現象元素，并以一定的相互作用關系而構成．其中的現象元素指的是構成學科現象的基本對象，且每一現象元素都有其自身的一些屬性．比如，構成單擺學科現象的現象元素為滿足一定條件的小球與細繩，而現象元素間的相互作用關系表現為“小球通過細繩被懸掛以及偏離平衡位置一定距離后被釋放”，由此呈現出的學科現象為具有固定懸點的小球圍繞平衡位置做往返運動．再比如，牛頓第一定律所解析的學科現象主要由物體及其所處的運動環境等現象元素所構成，其現象元素的相互關系表現為運動環境以一定的方式作用于物體．其學科現象表現為不同的運動環境會對物體的運動產生不同的影響．

物理學科教學實踐表明，能有效梳理出構成學科現象的現象元素以及能有效辨析出現象元素間所存在的依存關系，或現象元素間所表現出的相互作用關系，是有效感知或表征物理學科現象的重要考量指標．此外，對物理學科現象進行有效的表征還應表現在，能梳理并能表征出物理學科現象所具有的主要現象特征或學科現象所具有的學科屬性．比如，單擺學科現象的主要現象特征表現為圍繞平衡位置做往復運動，其運動屬性為變速曲線運動．再比如，牛頓第一定律學科現象的現象特征表現為不同的運動環境會對物體的運動產生不同的影響，其中的運動環境通常是以力的形式與物體發生相互作用．這種對物理學科現象的現象特征及其屬性的有效把握與表征是形成解析問題思路的重要認知切入點，而審視與梳理出構成物理學科現象的現象元素所具有的屬性以及辨析出物理學科現象元素間所具有的因果關系，則是有效把握與表征物理學科現象的現象特征及其屬性不可缺失的認知環節．

2 基于物理學科現象表征的學科認知策略

2.1 關于生成具有學科認知意義的學科問題的學科認知策略

面對物理學科現象作出具有學科認知意義的認知反應，是實現物理學科認知的重要前提，或者說，是物理學科認知必須經歷的重要環節．而這種認知反應的表征形式即為物理問題，也就是說，物理學科的認知源于面對物理學科現象所形成的認知疑惑，其中的認知疑惑主要包括：為什么會出現這樣的物理學科現象？該物理學科現象遵循怎么樣的規律，或者說，該物理學科現象具有怎么樣的屬性或特征．

比如，面對單擺這一學科現象，若從“為什么”的認知視角去思辨，就會形成“由擺球、細線組成的單擺，在偏離其平衡位置的某點釋放時，為什么會做往復運動”的認知疑惑，而若從“怎么樣”的認知視角去審視，就會形成“由擺球、細線組成的單擺，在偏離其平衡位置的某點釋放時，其運動遵循怎樣的規律”，或“由擺球、細線組成的單擺，在偏離其平衡位置的某點釋放時即會做往復運動，那么這樣的運動具有哪些運動屬性，我們應該如何來表述其具有的運動屬性”這樣的認知疑惑．不難看出，以上學科問題是針對單擺學科現象從其成因或從其所遵循的規律或從其所具有的屬性等視角提出的認知異議．而在經歷一定的學科認知后，由此即可形成“回復力、簡諧運動以及周期公式”等基于單擺學科現象的學科知識．由此可見，面對物理學科現象從其現象的成因或現象所遵循的規律或現象所具有的屬性等視角提出認知異議是生成物理學科問題的認知切入點．

綜觀物理學科的發展不難發現，有效梳理與認知物理學科問題的形成機理及其具有的認知屬性，能使學科認知中的問題生成行為變得更為清晰，更具有指向性且更具有邏輯性．進一步分析，基于物理學科視角的問題主要是針對物理學科現象從某一認知視角提出的認知異議或認知疑惑，因此，“有效感知物理學科現象”是生成具有學科認知意義的學科問題的重要前提或必須經歷與必須把握的認知環節．也就是說，若要生成具有學科認知意義的物理學科問題需要經歷對構成學科現象的現象元素進行有效的梳理與辨析、對構成學科現象的現象元素之間可能存在的內在關系進行有效的審視與思辨，進而在此基礎上，對學科現象從其成因或所遵循的規律或所具有的屬性(特征)視角提出認知異議．比如，當我們面對“處于地球表面附近的物體在沒有支撐的條件下都會下落，且其下落具有千姿百態的運動特征”的學科現象時，依據該學科現象所表現的因果關系，即可形成基于現象成因或現象特征的認知異議，就是“為什么處于地球表面附近的物體在沒有支撐的條件下都會下落”，以及“物體的下落特征與其所處的下落環境之間存在怎樣的內在關系”，或者說，“處于地球表面附近的物體其下落遵循怎樣的運動規律”等學科問題．不難看出，以上學科問題包容了“物體、下落條件、下落環境”等構成下落現象的現象元素，且所形成的學科問題具有較為鮮明的“基于現象元素之間所存在的內在聯系”的指向性特征．

需要指出的是，物理學科問題與物理學科認知問題具有不同的認知屬性，前者承載的是學科的知識屬性，而后者承載的是學科的認知屬性．且兩者的邏輯關系表現為，前者是我們要實現的認知目標，而后者則是實現認知目標所需經歷或采取的認知手段或方法．

2.2 關于形成具有學科認知意義的“猜想或假設”的學科認知策略

由于物理學科所要認知的學科問題通常還表現為，需要去認知或解析哪些學科元素會對某一學科現象的成因或規律或屬性形成一定的影響．比如，面對“蒸發”學科現象，人們會提出要認知“有哪些因素會影響液體蒸發的快慢”這樣的學科問題，同樣，面對“機械運動”學科現象，人們會提出要認知“做機械運動的物體其動能與哪些因素有關”的學科問題．

物理學科認知實踐表明，面對這樣的物理學科問題需經歷“猜想、假設”的學科認知過程．而要實現這樣的認知過程，則需要經歷以下認知環節，即首先需要經歷對構成物理學科現象的現象元素及其屬性或特征進行梳理，然后，依據所梳理出來的現象元素及其具有的屬性作為認知猜想或假設的切入點，以此提出可能影響物理學科現象的影響因子，進而在此基礎上，再借助其他的學科認知方法對物理學科問題進行進一步的認知．具體來說，關于“影響液體蒸發快慢因素”的學科認知，通過對構成該學科現象的現象元素及其屬性的梳理可以發現，“液體及液體所處的環境”是構成該學科現象的現象元素，而“不同性質的液體、液體的形態以及液體所處的溫度、氣流、氣壓環境”等是其現象元素所具有的一些屬性．基于以上對該學科現象的梳理，就可形成如下的認知猜想或認知假設，即可視“σ液，S液，t，v空”等學科元素為影響液體蒸發快慢的因素．再比如，關于如何形成“做機械運動的物體其動能與哪些因素有關”的認知猜想，亦需經歷以下認知環節：首先對構成該學科現象的現象元素的梳理，由于該學科現象是物體做機械運動，而構成該學科現象的現象元素為物體、運動．因此，若要認知“做機械運動的物體其動能與哪些因素有關”的學科問題，則基于以上對該學科現象的梳理，就可形成如下的認知猜想或認知假設，即做機械運動的物體其動能Ek可能與其自身的質量M以及其所處的運動狀態即速度v等物理量有關．

同樣，我們可以通過以下表述方式來闡述關于如何形成“導體電阻的大小與哪些因素有關”的認知猜想：

(1)對學科現象的梳理

學科現象：不同的導電體具有不同的載流屬性.

現象元素：導電體及其所處狀態.

元素屬性：導電體的物質屬性、導電體的尺度、導電體所處的電路狀態．

由以上學科現象可生成的學科問題是：導體電阻的大小與哪些因素有關．

(2)基于學科現象元素與屬性的認知猜想

依據以上對學科現象元素及其具有的屬性的審視與梳理，就可形成“導體的電阻可能與導體的屬性ρ、導體的結構特征S和l以及由電流的熱效應而引發的溫度t有關”的認知猜想．

可見，要形成具有學科認知意義的猜想或假設，需要經歷“對構成物理學科現象的現象元素及其所具有的屬性進行有效的梳理、思辨與甄別”的認知思考，而由此梳理出來的“學科現象的現象元素及其具有的屬性”即可被視為猜想或假設認知行為所期望得到的認知結果．

2.3 關于物理實驗設計的學科認知策略

用實驗的手段來認知物理學科問題，進而在此基礎上建構出相應的物理學科知識是物理學科認知常用的途徑或方法．為此，需要解決的學科認知問題是“如何建構能有效認知學科問題的實驗裝置”以及“如何利用已建構的實驗裝置來開展有效的實驗認知”．

通過對物理學科現象與物理實驗裝置兩者之間所存在的關系的審視與辨析不難發現，有關如何形成實驗裝置設計的認知思路亦離不開對學科現象的有效認知．這是因為，物理實驗裝置是再現物理學科現象的載體，因而，可以推論出：物理學科現象的現象元素即為物理實驗裝置的結構元素，而物理學科現象元素間所具有的某種相互關系則是物理實驗裝置的組合依據．也就是說，對構成物理學科現象的現象元素及元素間所具有的某種相互關系進行有效梳理與辨析，是完成具有學科認知意義的物理實驗裝置設計的重要認知切入點．比如，關于“研究磁場對電流的作用規律”的實驗裝置設計，由于該實驗所面對的學科現象是磁場對處于磁場中的電流有力的作用，也就是說，該學科現象主要由磁場、電流以及作用力等現象元素所構成，且它們之間的關系表現為電流處于磁場中，以及磁場對電流有力的作用．通過對該學科現象的進一步審視與梳理發現，磁場與電流是構成該學科現象的兩個基本元素，而作用力則是兩個基本元素相互作用的表現形式．由此可見，若要認知“磁場對電流的作用遵循怎樣的規律”的學科問題，其實驗裝置一定包含磁場與載流體兩個基本實驗構件．又由于學科現象元素之間存在“電流處于磁場中”的相互作用關系，所以，兩個主要實驗構件應該以“滿足使電流處于磁場中并能被調控”的實驗條件進行組合，這樣即可構建出如圖1所示的能承載“認知磁場對電流的作用現象與規律”的實驗系統．

圖1 探究磁場對電流作用實驗裝置

需要指出的是，通過對這兩個現象元素屬性的進一步透視可知，它們都具有多元性的特征．具體來說，就磁場而言，我們既可以通過永磁的方法獲得磁場，也可以通過電流磁效應的方法獲得磁場．同樣，就電流而言，其載體既可以是直導線，也可以是矩形線圈等．像這樣辨析學科現象元素所具有的多元性屬性特征，能有效拓展認知者的實驗設計視野．

再比如，關于探究牛頓第二定律的實驗裝置的設計．由于該實驗要認知的學科問題所基于的學科現象是在力的作用下物體的運動狀態會發生改變，那么，構成該學科現象的現象元素則是物體、力、運動及運動狀態的變化．其中，運動狀態的變化是力與物體相互作用的表現形式．由此可見，若所要認知的學科問題是“物體運動狀態的改變與物體及其作用在物體上的力有何關系”，則實驗裝置一定包含物體、作用在物體上的力、能承載物體運動的運行軌道以及能檢測現象元素屬性與運動特性的測量系統等基本實驗構件．而基本實驗構件的組合則應滿足能呈現物體在力的作用下的運動狀態，且能對相關現象元素的屬性及運動狀態進行檢測，如圖2所示．

圖2 探究牛頓第二定律實驗裝置

通過對學科現象的現象元素及其屬性的有效梳理，以及對學科現象的現象元素間可能存在關系的思辨，就能形成具有學科認知意義的實驗裝置的構建或設計．

學科認知實踐表明，為能有效提升認知者的實驗裝置設計能力，即面對實驗裝置設計的學科認知環節能形成有效的認知思路，在學科教學中我們可以通過引導認知者對以下學科認知問題的思考，即“為什么可以用這樣的實驗裝置來探究該學科問題? ”以及“還可以構建怎樣的實驗裝置來探究該學科問題？”以此來實現“通過對‘為什么’的思辨，進而形成對‘如何做’的認知策略的把握”．

2.4 關于激活解析思路的學科認知策略

綜觀物理學科的發展不難發現，許多解析學科問題的認知思路都源于對學科現象所具有的現象特征或現象屬性的有效思辨．比如，依據“大氣壓強”具有使“液態物質能被支撐”的現象特征，即可形成借助液態物質可被支撐的學科現象，以此形成測量大氣壓強的學科認知思路．再比如，正是由于處于不同傾角斜面上運動的物體都具有勻加速直線運動的現象特征或運動屬性，才能形成以下具有學科認知意義的邏輯推理，即“自由落體運動”亦具有勻加速直線運動的運動屬性．

有效梳理與思辨學科現象的這類現象特征或屬性是形成解析物理學科問題的認知思路的重要認知切入點．比如，關于“楞次定律”學科知識的建構．由于“楞次定律”學科知識基于的是“電磁感應”學科現象，且該學科現象具有“因磁通量的增大或減小，而引發感應電流具有不同的方向”的現象特征，以及具有“由變化的磁通量而引發的磁→電轉化”的現象屬性．由此形成的學科問題是：電磁感應現象中感應電流的方向遵循怎么樣的規律？

基于“電磁感應”學科現象具有以上現象特征與現象屬性，即可形成以下認知脈絡與認知行為．具體來說，由于對電磁感應現象的學科認知是源于實驗的認知，因而對其學科屬性的認知亦需經歷“用實驗的手段呈現學科現象→對實驗現象的特征進行審視與思辨→用概括性的學科語言對學科問題進行表征”這樣的學科認知軌跡，并由此應踐行以下系列認知行為：

(1)關于實驗系統的選擇.由于我們所要認知的學科問題包容在能引發ΔΦ變化的一類電磁感應的現象中，為此，依據“簡約化”的學科認知方法，就可以選擇圖3所示的實驗裝置作為認知其學科屬性的實驗認知平臺.

圖3 探究電磁感應現象實驗裝置

(2)關于實驗步驟的策劃.由于該學科現象是由變化的磁通量而引發的磁電轉化，因而，“改變Φ，觀察電流的變化”是實驗步驟必須包容的核心要素．又由于ΔΦ具有增大或減少的屬性，所以，其實驗步驟可被分解為使磁通量增大或使磁通量減少，此外，又由于磁場具有“極性”的學科屬性，因而“以不同的方式(磁場方向)形成磁通量的增大或磁通量的減少”也是策劃實驗步驟必須關注的行為元素.

(3)關于實驗數據的采集.依據實驗步驟，記錄ΔΦ增大或減小時的電流方向.

(4)關于實驗問題的詮釋.由于物理學科現象具有較為鮮明的因與果的現象特征，為此即可踐行“從現象因果關系”的視角來對學科現象的現象特征進行審視與梳理，進而在此基礎上用概括性的學科語言對其進行表征．就本實驗而言，若對“果”的表征進行轉換，即依據電流磁效應，將“電”轉換成“磁”，則該學科現象的現象特征即可被表征為“果對因的阻礙”．

有效梳理與思辨學科現象的現象特征或屬性也是形成解析學科問題的認知思路的重要認知切入點．

3 物理學科現象表征的一般方式與核心特征

對物理學科現象進行有效表征是開展探究型學習的前提，據此發生的系列認知行為可抽象出一般的思維演繹流程模型，且具有較為鮮明的“方向性、路線性與方法性”特征，可逐層遞進式地解構為：

(1)基于對生活中一類現象的觀察，以物理學的專業術語提煉并闡述具有普遍意義的學科現象“是什么”(物理學科現象的概念界定).

(2)通過對現象的審視，梳理出構成現象的現象元素.

(3)辨析現象元素的屬性或特征以及現象成因，提出學科知識性疑惑：“怎么樣”(物理學科現象所遵循的規律)、“為什么”(物理學科現象的成因)．

在明確了所要探究的學科知識性問題后，緊接著可以提出學科認知性疑惑：如何開展行為與目標清晰且有序的學科認知行為？結合物理學科的認知特征，生成如下認知方略：

(1)基于現象元素的屬性或特征以及現象成因提出猜想與假設.

(2)根據現象元素及元素間可能的內在依存關系設計實驗裝置并開展實驗探究.

(3)依據現象元素特征或屬性的有效思辨把脈認知的解析與結論的表述．

審視與明晰學科教學應承載的學科教學目標，進而在此基礎上，去思辨學科教學應包容的學科認知方式及其具有的認知特性，將對有效認知與激活學科教學的認知與教學意義具有重要的影響．以探究型教學為例，應當聚焦于學習者在學習后能否自主完成對新問題的研究，即獲得認知能力層面的舉一反三，這就需要對學科認知行為進行具有學科認知意義的審視與解析．一個較為完整的問題解決過程，離不開對認知行為由來的思辨，其中包括學科問題是如何生成的、認知思路是如何形成、認知方案是如何謀劃的以及實驗應如何被運用、認知結論應如何被提煉與被表征等，都是科學探究需要經歷的認知環節，而基于學科現象有效表征的學科認知策略提供了一種切實可行思維切入點，對激活學科認知具有一定的價值．