优化学生物理认知结构策略研究，本文主要内容关键词为：认知论文,物理论文,策略论文,结构论文,学生论文，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。
一、问题的提出
考察学生的学习过程，我们发现：学生的学习总是在已有的知识基础上进行的。建构主义学习理论认为：教学过程总是以学生原有的知识经验作为新知识的“生长点”，将所要学习的知识衔接“生长”到学生已有的正确认识上。学生遇到新的事物，会试用认知结构中已有的知识结构去同化它，如获得成功，就会得到认识上的平衡，把外在信息纳入到已有的认知结构中；反之，便做出顺应，调整原有结构去接纳新事物，从而建立新的认知结构。
物理的认知结构，是指学生个体已经具备的全部物理知识及其组织结构，即“物理的基本概念、基本理论、思维方法相互渗透、互相关联而在学生头脑中形成的具有内部规律的整体结构”[1]。“物理认知结构既包括作为物理知识内容的表象、概念和概念体系，又包括掌握相应知识内容所必需的思维能力”[1]。教学过程中，充分了解学生原有的知识结构，选择适当的教学方法、教学模式和教学策略，对于学生掌握新的物理知识是十分有用的。
二、学习困难学生的认知基础分析
1.知识结构不完整
经过长期的调查发现，我校学生中物理学习困难者普遍具有以下表现：
(1)对教材的理解、掌握速度较慢，若要达到与成绩优良同学相同的水平，需要花费较多的时间；
(2)学习能力差，概念形成时需要进行正、反例的多次反复比较，不太善于进行知识间的迁移；
(3)独立解题能力较差，往往需要进行针对性的指导才能形成比较流畅的思维。
可见，有许多学生，他们原有的知识结构是很不完整的，即使在初中已掌握的知识，也是在经过反复练习、多次纠正、逐步强化后才得以巩固的。他们不善于把原有的知识、经验在新情境中加以应用，对高中物理学习适应性差。有些学生的某些章节成绩不佳，其症结并不在该章节学习时的态度，而是先前的知识没有学好，即对新章节的学习准备不足，造成了学习困难。
2.认知结构的有序化程度低
在物理概念和物理规律的学习中出现的一些学习障碍，除与学生的基础知识有关外，还有一个重要因素就是不良思维习惯对认知结构有序化程度的影响。长期的观察发现，物理学习困难学生的思维有以下几种共同表现：
(1)解决物理问题时，往往只考虑物理问题的表面现象，而不深入思考，于是就死记硬背、不分情况乱套公式；
(2)由于受原有错误认识、不同知识间的干扰以及非本质的表面现象的干扰等，无法顺利形成正确的物理概念；
(3)在解题过程中，缺乏分析和推理能力，思路不清，跳跃式思维，喜欢靠盲目的尝试与猜测探求解题途径，解题缺乏严密性；
(4)思维定势的消极影响。当一个问题发生质的变化时，思维定势会使学生墨守成规，造成知识和经验的负迁移。
三、策略研究
1.优化教学设计，帮助学生构建良好的认知结构
(1)加强基础知识的复习，促进学生新旧知识的同化和顺应
学生在学习过程中，如果新旧知识之间相互联系、相互作用发生脱节时，就会造成新知识不能纳入到主体认识结构中的现象，出现学习上的困难。比如在高一阶段学习物体运动时，要使学生在头脑中由原来的简单的直线运动知识，一下子建立起匀速运动、匀变速运动、匀速圆同运动、抛物线运动等运动知识时，学生必然会感到困难。这时我们就要切实做好初、高中物理知识的衔接工作，要切实了解学生已经掌握哪些知识，了解学生存在的知识缺陷或空白点，并要认真分析引起这些缺陷或空白点的原因，然后针对不同的教学内容采取不同的教学方法。
如在讲授“弹力”这一概念时，考虑到学生的知识基础，在初中阶段虽学习了力、压力、支持力等知识，也学了弹簧伸长与外力的关系，但都没有涉及产生弹力的原因。而高中教材学弹力，不但要分析弹力的大小及方向，而且要讨论弹力产生的原因，远比初中学习的知识要抽象，学生普遍觉得难以理解。为了帮助学生顺利地突破“弹力”这一难点，我们可以首先演示弹簧伸长与弹力形成的现象来分析弹力产生的原因和方向，然后演示其他物体由于形变而产生弹力的现象，来分析普遍的弹力产生原因，目的是用旧知识去固定新知识，最后做微小形变的实验，由此引出弹力产生的物理机制——形变，和物体形变时对与它接触的物体产生力的作用，从而使学生形成弹力的概念。这样讲授，学生同化和顺应的难度就会下降，对弹力概念的理解也深刻了。
再如，高中物理学中的理想模型，像质点、理想气体、点电荷等，它们虽然在现实中并不存在，但是这些概念对物理学习却又极其重要。质点是高中物理首次遇到的理想模型，学生只能靠顺应方式，在头脑中建立新的认知结构，教学时教师要深入分析质点概念引入的必要性和条件，以后碰到其他理想模型教学，学生只要通过同化方式，就可以掌握。其流程图如下所示：
(2)了解学生原有认知结构中的前概念，帮助学生建立科学的概念
我们知道，学生在学习某一物理知识之前，头脑里并不是一片空白，或多或少都有一套自己的看法。他们通过日常生活的各种渠道，从自身的实践中已形成了对客观世界中各种事物的看法，并无形中养成了他们独有的思维方式，即前概念。他们的这些看法和思维方式有的与正确的科学概念和思维相一致，但有的则与正确的科学概念与思维方式大相径庭。由于这些前概念由来已久，根深蒂固，使得学生难以用科学的眼光去看问题、用科学的思维去想问题，它成了学生接受新知识的障碍，有的学生即使接受了，也只是在表面上接受，不能用来深入分析解释各种实际现象。这些前概念的特征是：
①缺乏概括性，只适用于特定情况，可解释部分的、有限的、特殊的现象。如认为摩擦力总是阻碍物体的运动，摩擦力的方向总是与运动方向相反等；
②往往以平时的生活经验代替科学结论。如生活中一般总是先看到闪电，然后再听到雷声，因此就得出闪电先于雷声等；
③将生活中的观念与科学上的概念相混淆。如将生活中的“做工”与物理学中的“做功”，生活中的“干涉”与物理学中的“干涉”混同起来等；
④由于晕轮效应而任意扩展。心理学中的晕轮效应是指“在知觉过程中，将知觉对象的某些印象不加分析地扩展到其他方面的一种心理现象”。如在静电场中正电荷受电场力与电场线切线方向一致，因此就认为正电荷一定会沿电场线方向运动；电势沿电场线方向降落就想当然地认为电势与电场强度有正比关系，电势较高处电荷的电势能也一定较大等等。
要消除片面的前概念及其造成的思维障碍，提高物理教学的效率，首先要深入细致地了解学生中的各种前概念的成因，然后针对学生的想法，有的放矢地组织教学，选择适当的教学策略。
如高一学生常误认为“压力等于重力”，这是由于生活经验和初中物理学习的狭隘性给他们留下的印象。为此我们可以在各个教学环节中有意识地纠正这个错误。如可以安排讨论：请你谈谈压力和重力的区别。学生们通过讨论发现：首先是产生的原因不同，压力是两接触物体由于挤压形变而产生的，是弹力的一种表现形式，而重力是由于地球对物体的吸引而产生的，是一种引力；其次是受力物体和施力物体不同；进一步讨论还会发现从力的三要素出发，对这两种力进行分析都能找出差别。通过比较，从概念的内涵上初步把压力和重力区分开来。但是，这时由于力和运动的关系尚未研究，学生们对上述两概念在外延上的区别理解不深。他们往往不去思考“压力的大小等于重力”的物理条件——“放在水平面上的静止（或匀速直线运动）的物体，而且只受重力、支持力”。
心理学研究表明，概念的基础是感性认识，对具体事物及其特性进行概括，才可以形成概念。学生如果不能把教材中的概念和一定的具体事物、现象联系起来，就不能掌握这个概念。学习了“运动和力”的关系，就为我们提供了这一联系，这时我们可以安排下面这个例题。
例1 物体作匀变速直线运动，经常碰到拉力与水平面成一夹角的情形，如图1所示。假定物体重力为G，物体与水平面的动摩擦因数为μ，欲使物体以加速度a水平向右运动，求F。
图1
学生往往列出下式：
Fcosθ-μmg=ma，
毛病又出在“压力等于重力”上。
为此我设计了下列思考题让学生展开讨论。
例2 一物体重100N，放在地面上，在如图2中的4种情况下物体对地面的压力各多少？
图2
学生们很快得出结论，并且在看到后面的三种情况后再启发学生分析前面的认识时，就水到渠成了。
2.完善基础知识结构，构建整体有序化的认知结构
(1)坚持按知识结构进行教学的原则
良好认知结构的构建过程就是使学生头脑中的知识结构不断接受外界知识而构建新知识结构的过程。奥苏贝尔认为，学生的认知结构是从教材的知识结构转化而来的，因此教学过程中要坚持按教材的知识结构进行教学的原则。进行知识结构教学，是指教师在教学中，通过分析教材，找出知识之间的联系和内在规律，把各部分知识的中心内容以及与之有联系的知识串成“系列”，连成“网络”，彼此间建立联系，便于复习、记忆、应用，也有利于发展学生的智力。如高一物理第二章“直线运动”，教材就是按照如下顺序串成：
(2)综合贯通，构建整体化的认知结构
综合贯通是指相互并列的知识之间的横向组织，如概念与概念之间、原理与原理之间乃至章节之间的横向联系，亦即知识的融会贯通。因此，教师教学时特别是在复习课教学时，对一些零碎的概念及原理、规律等进行各种形式的归类、整理，使知识结构化，是课堂教学的重要任务，也是提高学习效率的重要措施。如在力学中的“动量和能量”问题，我们常用以下认知结构图帮助学生理清认知脉络。
应用以上知识结构图，便可迅速检索出如下一类案例所需的知识线索，提高解题效率。
案例探究：输出功率保持10kW的起重机从静止开始起吊500kg的货物，当升高2m时的速度达到最大，求最大速度和完成这一过程所用时间。
案例分析：此题若用牛顿定律结合运动学知识来求最大速度，则由于此过程运动是一个变加速直线运动，无法应用高中物理知识求解出时间，但考虑到牵引力做功也可以通过W=Pt来计算，因此从能量的观点入手由动能定理来求解该题就显得顺理成章。
解答：（略）
3.重视拓展和反思，促进完整的认知结构的深化
(1)在广泛联系中拓展完整的认知结构
随着新课标新教材的逐步推行，学科的综合化会越来越加强。良好的物理认知结构是一个开放的系统，不但其自身在不断变化、完善，而且它必须也应该能通过与其他学科的相互渗透、相互衔接、相互迁移促进各自的发展。在教学中我们要有意识地从构建开放系统的角度来思考教学的过程。在教学中遇到与其他学科有重要联系的内容，应适当留下一些相互联系的“茬口”，以便与别的学科知识相“接茬”。例如在“分子动理论”“阿伏加德罗常数”“理想气体方程”等处与化学学科的联系，“物体的内能”“能量守恒”等处与生物学科的联系等，都是我们构建学科开放性认知结构的好“基点”。
(2)在反思中巩固正确的认知结构
结构完整的物理认知结构的形成，不是一朝一夕就能完成的，期间必定会有反复巩固的过程。例如，课后要留有一定时间，让学生自己反思这堂课所学知识有否听懂，如没有听懂，原因是否是以前知识没有学好？如果懂了，寻找新知识与以前所学知识有哪些联系？课堂上做完一个题目，也要给学生留有一定时间反思：如果错了，在哪个环节出错？为何会出错？如果正确，为何要按这种方法做？有无其他方法（有哪些其他知识点也牵涉到此题）？哪种方法最简单？哪种方法最易掌握？此问题有无可变之处？试着总结此类题目是否有一定解决模式。章节测试后，可引导学生反思总结这一章节的知识要点在测试卷上的哪几个地方体现出来？哪些知识与前面章节有联系？怎样的联系？整章知识的框架？通过这样前后联系，纵横对比，将知识系统化、条理化，形成完整的认知结构，并进一步地领会概念的内涵和外延，明确公式和定律的成立条件和适用范围，使之融会贯通。对诸如此类问题的反思能有力地促进学生深化已形成的正确的认知结构。