皮亚杰认知图式理论与物理概念教学，本文主要内容关键词为：图式论文,认知论文,物理论文,概念论文,理论论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着新课程改革的不断深入，认知结构理论备受广大教育研究者与工作者的关注。本文以皮亚杰认知图式理论来分析物理概念及其教学的本质，为教师理解皮亚杰认知图式理论和皮亚杰认知图式理论下物理概念的教学提供一定的参考。
一、皮亚杰认知图式理论概述
当代著名的瑞士心理学家皮亚杰(J.Piaget)，他从认知发生和发展的角度对认知过程进行了系统、深入的研究。他提出认知发生发展的核心因素是图式，主要过程有同化、顺应和平衡。
图式是认知结构或心理结构，是皮亚杰认知结构中最基本的单元。皮亚杰认为，心理完全像身体一样，必须具有结构，人接受任何的刺激作用并作出相对稳定的反应时，在人脑中就形成了关于该刺激物的图式（或模式），这种图式就是认知结构或心理结构。例如：初中学生学习功的概念时，通过很多的生活事例和规定、公式而形成关于功的图式为：生活生产事例—力和距离-Fs-W，这一图式储存在学生的大脑中。学生学习的知识越多，图式就越多，然后经过分类、整理，形成较大的、较复杂的图式组织（或认知结构）。看来，学生的学习首先就需要形成这些最基本的图式。
同化是指人们能把新的知觉要素或刺激物吸纳到原有的图式或行为模式中去。例如：学生在高一学习功的概念时，与初中学习功时的不同情境在于力与位移的方向互成任意夹角，要把这一新情境下做功的刺激纳入到原有图式中，就必须把原有图式扩展为：新情境—（力、位移、角度）-Fscosa-W。可见，同化是把新的刺激物纳入到原有的图式中去，这是一个新的认识过程。经过同化后扩大了图式范围，或说扩大了概念的外延。但内涵没有改变，只是发生了量的扩大。
顺应是新图式的创建或旧图式的修改。如果新的刺激物不能与原有图式同化，或者说在原有图式中找不到同类的图式，学习者就要对旧图式进行修改或重新创建新图式，来吸纳新的刺激物。例如：关于电场力做功的图式，就不可能为机械做功的图式所吸纳，于是通过改造建立新的图式：电场与电荷—（力-qE；位移-d）-qEd-qU-W。很显然，W=qU和W=Fscosa是完全不同的两个图式。
为了形成概括性的图式，在同化与顺应之间的均衡是必要的，皮亚杰把这种均衡称为平衡。学生在接受新的刺激物时，就产生了认知上的不平衡，从而学生就有寻求平衡的动机，即进一步同化或顺应。当完成一个同化或顺应时就达到了一个暂时的平衡。同化和顺应过程都是学生寻求与环境之间的均衡和适应过程，所以平衡总是伴随着同化和顺应过程，使学生与环境之间的状态从“平衡—不平衡—平衡”不断变化，使学生的认知水平不断向前发展。
二、皮亚杰认知图式理论下的物理概念
1.物理概念——图式
物理概念是人们对物理现象或物理过程的共性和本质特征的反映，是人们对物理现象进行理性认识的第一步，是学习物理知识、理解物理规律以及掌握物理方法的基础。物理概念的建立过程是掌握物理科学方法的重要途径，对提高学生的科学思维能力、科学探究能力、创造能力、综合分析问题能力等有重要的意义。
2.物理概念教学的前科学概念——原有图式
由于生活或学习中的物理现象对儿童大脑的刺激作用，儿童的大脑里便逐渐形成了对各种事物的感知和表象，随着年龄的增长，儿童在学习物理课程以前的生活实际中，对各种物理现象和过程已经有了自己的经验和认识，并形成了一些比较固定的看法，这就是前科学概念，即原有图式。
前科学概念有四个特点：(1)具有广泛性。由于儿童从出生到初二学习物理之前，已经有十几年的生活经验，因而他们头脑中自发形成的前科学概念（图式）就有了很广泛的范围。(2)具有自发性。儿童头脑中的前科学概念，是大量的生活经验在头脑中逐渐深化和发展，经过感觉、知觉、表象阶段，最终形成概念（图式），这个前概念建构过程中，完全是自发性的。例如，儿童没有专门认真思考并形成“物体下落速度与物体的重量成正比”的概念，但在学习正确概念时学生马上就会联想到他们头脑中的这个前概念图式，且很难消除。(3)具有顽固性。由于前科学概念是儿童头脑中已经形成的图式，又加上不断的、长时间的对生活的观察，从而又强化了这些概念，因此说它具有顽固性。像“力是维持物体运动的原因”的错误前概念，对学生学习惯性概念就起到“阻碍”作用，尽管对惯性概念背得很熟，但解决问题还是出错。如：当让学生回答高空匀速飞行的飞机向下投放炸弹，飞行员观察炸弹做什么运动？很多学生回答有困难，认为水平方向不受力，因此就不在向前运动，而是相对飞机向后做平抛运动。(4)具有隐蔽性。学生头脑中的前科学概念的图式是潜移默化形成的，它以潜在的形式存在，往往在运用物理概念解决实际问题时才表现出来。上面飞机投弹的例子就说明这个问题，看似概念掌握的很好，但具体问题出现时学生往往还是运用他自己原有图式解决问题。
三、皮亚杰认知图式理论下物理概念的建立过程
1.创设情境，获取丰富的图式
该环节，教师给学生创设物理概念学习的情境，让学生在各种物理情境的刺激下主动感知、重现已有的知识和技能，即给学生提供丰富的图式，为学生顺利获得新物理概念做好铺垫。例如：在机械振动概念教学时，联系生活实际，先引导学生（或借助多媒体展示视频）回顾荡秋千的孩子的运动、被击打的鼓膜的运动、被拨动的弹簧片的运动等，在学生大脑中提取相关图式并重现原有图式（前科学概念），进而鼓励学生展开联想，举出更多的振动例子，像钟摆的摆动、树梢在微风中的摇摆、活塞在汽缸中的往复运动、固体中原子的振动、人心脏的跳动等，拓展学生的思维空间，丰富学生的概念图式。由于有些物理概念的学习中仅靠已有的生活经验和前物理概念是不够的，并且有的前物理概念是不科学的，会给科学的概念学习带来负面的影响，因此还必须进行课堂的演示实验观察和亲自动手操作的实验。这一环节可以让学生亲自击鼓、拨动弹簧片去感受这种振动，观察弹簧振子演示实验。通过具体的观察和实验，能使学生获取新的刺激，而且这种刺激对物理概念的学习具有很强的针对性，使学生的概念认知图式得到拓展与再丰富。
该环节教师要注意在与学生的交流过程中注重发现学生的原有图式（前科学概念），并分析原有图式的性质以及对教学的正负迁移作用，以便灵活地进行教学过程的调控、组织与指导。
2.对新刺激同化与顺应，建立物理概念
该环节的主要任务是让学生对自己原有的图式（物理前科学概念）和前面的实验及观察获取的新刺激进行同化和顺应。当物理概念引入前的准备阶段学生获得的图式所包含的物理现象和物理过程足够丰富，能够吸纳新的物理现象和物理过程时，学生便将新、旧两类物理现象和物理过程进行对比、区分、综合等大量的抽象思维活动，试图将新的物理概念整合到已有的知识系统中去，即同化。当物理概念引入前的准备阶段获得的原有图式所包含的物理现象和物理过程不能吸纳新的物理过程时，学生便试图改变原有的图式，将新的物理现象和物理过程进行分析、综合、概括等，还要进行大量的抽象思维活动，试图修改原有的概念图式或创建新的物理概念图式，并达到平衡，使自己完成正确物理概念的建构。如：在机械振动的概念建立过程中，学生在前一环节获得的图式—荡秋千的孩子的运动、被击打的鼓膜的运动、被拨动的弹簧片的运动、观察弹簧振子演示实验的基础上，引导学生进行分析各过程运动的特点，比较它们的异同点，概括它们的共性和本质特征，并进行同化或顺应过程，使学生逐渐建立起机械振动的概念。
该环节值得注意的是，完成顺应这一过程是教学活动中的难点，需要教师应用恰当的教学方法、选择有效的教学手段、运用高超的教学技艺对学生进行指导。因为顺应的发生过程是相当缓慢的，克服旧图式的惯性，用新的图式取代旧的图式是非常艰难的过程。
3.多次同化和顺应，巩固和深化物理概念
学生对刚获得的物理概念的理解总是比较模糊、肤浅的，并且有可能很快被遗忘，为了使学生清晰、深入地掌握新物理概念，就必须应用新物理概念去再次同化更多的物理现象，让学生用刚获得的物理概念去解决日常生活和生产中的实际问题，在实际应用中深化对新物理概念的意义和本质的理解。若在应用新物理概念的过程中遇到新物理概念不能解决的物理现象，学生便会再次进行顺应，再次顺应时学生能对新物理概念进行修正和完善。可见再次同化和顺应能有效地拓展新物理概念的内涵与外延，巩固和深化对新物理概念的掌握。例如：我们在获得机械振动的概念图式后，教师再定向指导学生对弹簧振子实验做进一步分过程观察，再用机械振动的概念图式来同化或顺应弹簧振子的运动，就能使我们进一步巩固、深化理解机械振动的特点：有一个平衡位置，运动具有往复性，以及要受到恢复力的作用等机械振动概念的本质特征。并且，通过对弹簧振子的应用和分析，我们还能获得机械振动中最简单的运动方式—简谐运动，进一步深化对机械振动概念的理解。
综上所述，把物理概念的建立、发展和完善过程，概括的用下面的模式框图所示：
四、皮亚杰认知图式理论下的物理概念教学的本质
皮亚杰认知图式理论下的物理概念教学，实质上是学生不断在新的刺激作用下，认知图式的平衡—不平衡—平衡—不平衡—平衡的动态交替中建立物理概念、发展物理概念、深化物理概念的过程，它直观的反映了知识的建构过程。学生在物理概念学习前主体是平衡的，而在感知物理概念和物理过程时主体转变为不平衡，通过同化和顺应，主体进行了充分的抽象思维活动，不断地进行调整和适应，以至创建了新的图式，吸纳了新的物理现象，主体又进入新的平衡，从而获得了新的物理概念，发展了学生的认知水平。在不断变化的教学情境中学生得到不断的新的刺激，又出现了新的不平衡，又将再次进行同化和顺应，使新的物理概念得到深化与发展。