从全球认知风格看高中物理课程的改进&以高中物理“电磁场与电磁波”为例_电磁场与电磁波论文

整体型认知风格视角下我国高中物理课程的改进——以高中物理“电磁场与电磁波”部分为例，本文主要内容关键词为：高中物理论文,电磁场论文,电磁波论文,为例论文,视角论文，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、物理课程设计需要介入整体型认知风格的视角

      物理课程设计是物理教育的核心工作之一。对于课程与教科书的设计，认知心理学已被国际研究者纳入了研究视域。认知风格（cognitive style），指的是个体感知、记忆、思维、问题解决、决策以及信息加工的典型方式。其主要特征是：持久性与一致性[1]58。在诸多认知风格中，整体型与系列型认知风格显示出了与物理课程设计更为强烈的联系。整体型认知风格的学生往往倾向于对整个问题涉及的各个子问题的层次结构以及自己将采取的方式进行预测，并且他们的视野比较宽阔，能够把一系列子问题组合起来，而不是一碰到问题就立即着手一步一步地解决；而拥有系列型认知风格的学生一般把重点放到一系列的子问题上，他们把这些子问题联系在一起时，十分注重其逻辑顺序，由于他们通常都按顺序一步一步地前进，所以他们只有在学习进程快结束时才能对所学内容形成一种比较完整的看法[1]63。研究表明，学习材料与认知风格的匹配能够实现更好的学习效果[1]64。

      之所以聚焦于整体型与系列型认知风格，是因为我国物理教材历史形成的特点与教学中存在的问题。老一辈物理教材编者张同恂先生在总结我国30年物理教材建设经验时指出：“跟国外教材比较，我们教材的知识面比较窄。从道理上说，应该扩展知识面。知识面宽，知识更加丰满，可以扩展思路和眼界。但实际做起来并不容易，这里有主客观的原因。”“总是说物理课负担重，不断地下发精简指示，顾不上再扩展知识面。精简教材内容，未必能缓解升学考试压力，减轻教学负担。升学考试是选拔性的考试，总要有少量难题。缩小知识面，升学考试就会在某些知识点上‘深挖洞’，出难题，也可能出现偏题。”[2]应该承认，张先生的论述是深刻而切中的。物理课程知识面的狭窄不利于整体型认知风格的学生。

      二、电磁场与电磁波课程设计存在的问题

      整体型认知风格对物理课程的透视作用在高中物理“电磁场与电磁波”部分体现得最具典型性。在现行高中物理课程体系中，电磁场与电磁波内容被纳入选修3-1、3-2、3-4部分。

      选修3-1内容的编排体现了基础性与由浅入深；将电磁感应这一重点作为选修3-2的首个二级主题；将“电磁振荡与电磁波”部分置于选修3-4中则意在完善“波动”这一课程模块。在教学心理的层面上，电磁场与电磁波部分形成的课程结构如图1所示。

      

      如图1，本部分课程共分为Ⅰ～Ⅳ四个相互联系的层次。在具体的设计上则存在如下问题。

      Ⅲ与Ⅳ部分分别为电场与磁场的描述与应用。应该认识到，对电/磁场描述的实现是对其“试探”研究的结果，即运用试探电荷、电流元等试探物对电/磁场加以激励—响应的干预与测量。因此，对电/磁场应用与描述之间的关系正如同科学理论与实践的关系一样，是一体同源的。然而现行课程则缺少对这一同体关系的阐述，使学生在学习时产生了“反复”的感觉。

      Ⅱ部分是电场与磁场之间的生成关系，即电磁波的内涵与机制。该部分存在的问题是，对“磁生电（电磁感应）”的分量布局远大于“电生磁（变化的电场会产生磁场）”的分量，这损害了一种均衡的确定感的形成。

      Ⅰ部分电/磁场来源的出现在现行教材中并未被刻意地强调，然而这一来源问题对于学生的认识结构与认知风格都是极为重要的。学生在学过牛顿力学之后，对理论体系的严密性、逻辑性已经产生了先入为主的认知体验（甚至定式），因此会自然地注重电磁场理论的因果逻辑性与结构性。具体而言，在牛顿力学思维方式的影响下，学生形成了线性的决定论因果关系，因此对磁场、电场的起源都有强烈的认知意愿，即要追问“电场与磁场到底谁是第一性的？”

      应该说，学生在学完电场与磁场的基本知识后，对二者都形成了“单一来源”的印象，而电磁感应与电磁波知识的加入则动摇了这种“单一来源”带来的确定感。如果说“电磁感应”大量的篇幅和训练相对强化了“磁生电”的确定感，而“变化的电场会产生磁场”的缺失则使磁场来源的非单一性成了学生核心的疑虑。即疑虑：变化的电场与电流这两种来源，哪者更为基本？是否还存在其他来源？加之本部分定则、术语的繁多，因此甚至使学生难以辨别自己疑虑的真正根源。

      整体来看，现行高中物理课程对电磁场与电磁波部分的布局显得分散，且缺乏联系性与确定感。可以说，以上所有的问题对整体型认知风格的学生都是不利的。而在高中阶段，整体型认知风格的学生对学习内容倾向于“要么会、要么就不去了解”，并表现出顿悟思维的倾向，因此往往会被误解为“钻牛角尖”或“强迫症”“拖延症”。然而每种认知风格都不应受到歧视与责备，相反，在学习功利化与浅层化的不良趋势下，整体型的认知风格恰恰是应该被关注与呵护的。

      三、电磁场与电磁波课程设计的改进建议

      在以上认识的基础上，电磁场与电磁波课程设计的改进就应着眼于整体型的认知风格展开。如图2所示，是课程改进的结构图。

      

      如图2，课程改进的关键是Ⅰ、Ⅱ部分的逻辑整合。

      （一）区分静电场与涡旋电场

      为实现电场来源的清晰性，课程设计可以考虑在电磁感应之前对电场做出静电场与涡旋电场的分类，同时指出二者具有不同的来源。之所以不在电场的基础章节呈现，是由于“电场”的相关概念与规律要实现对各种电场的充分概括性，否则学生有可能认为静电场与涡旋电场拥有质的不同。在这个意义上，电场的相关基本概念和规律发挥了先行组织者的作用。而对静电场与涡旋电场的区分则成了“电磁感应与电磁波”教学的先行组织者。

      （二）“位移电流”概念的引入

      理顺磁场的来源需要引入“位移电流”的概念，即“电位移矢量通量对时间的变化率”，在高中课程中可表述为“变化的电场”。这一概念可考虑置于“电磁振荡与电磁波”的章节，其引入的必要性也是出于先行组织者的考量。在历史层面，奥斯特实验对电流产生磁场的揭示构成了电磁学的重要突破；而该实验与现象的密切关联也使其体现了更多的“经典”性；此外，学生在初中就学习了奥斯特实验，因此对“恒定电流产生磁场”的认知是先存在且相对巩固的，甚至是刻板的。这就造成了对“变化的电场”这一磁场的另一来源感到难以接受。而“位移电流”概念将变化的电场（电位移矢量的通量）也视为一种电流，就将新知识成功纳入了已有的框架中。事实上，当历史上麦克斯韦用几个方程式表达了已有的电磁规律之后，发现了其中的矛盾只有加上“位移电流”这一项，方程才能实现彼此相容。而正是“位移电流”的一项导致了电磁波这一重大发现[3]。而对于位移电流的真正内涵则在高中课程中不需作更深的展开。

      （三）“磁荷”概念引入的可能

      麦克斯韦方程未能实现完美的对称性，即缘于磁单极子的难寻。德国卡尔斯鲁厄教材编者赫尔曼教授区分了作为物理量的“磁荷（描述磁极的量）”与作为物理实在的“磁单极子”的不同：“一个物理量并不是自然界中‘存在’的东西，正如爱因斯坦所说，它是描述自然的工具。”[4]因此，他建议在物理课程中引入磁荷的概念。事实上，这一举措已在卡尔斯鲁厄物理课程（KPK）中得到了体现，是为重构本部分课程的另一重要思路。然而，物理概念及其表述不仅有抽象概括的功能，也必然地发挥着隐喻的作用。而隐喻与逻辑一样，是科学模型建立甚至科学认识过程中必不可少的，甚至更加重要的认识模式。如是观之，虽然磁荷概念并不代表磁单极子的实体，但是也会造成“磁单极子存在”的暗示或误解。因此在很大程度上，在磁单极子发现前，“磁荷”仍然不宜在中学物理中作为课程重构的基点。

      （四）避免认知风格匹配的极端化

      需要避免的是认知风格匹配的绝对化。事实上，整体型认知风格也并非没有缺点，“病态”的整体型认知会倾向于做出不合适的、未经深思熟虑的类推，或在没有了解足够证据的情况下基于形成个人的判断并将其运用于其他方面[1]63。显然，课程设计注定不能对此做出片面的迎合，更何况存在学科本身的约束。

      课程与教学的配合也是避免认知风格绝对化的重要途径，毕竟课程内容的组织无法等同于学生的学习。在对电磁场与电磁波课程组织进行整体型认知风格改进的背景下，教学的方法与风格也应该与此匹配，但是亦不能走向极端，而应有效利用整体型的课程框架，发扬其便于实行“渗透式教学”的特点，这需要教学的勇气与智慧。此外，对前述磁荷与磁单极子的问题，教学中甚至可以将其以开放性问题的方式提出，让学生自主查阅资料展开研习。毕竟电磁场理论是一个仍然开放的体系。

      四、总结与展望

      （一）提升我国物理课程的理论化程度

      与整体型认知风格的匹配对应的就是课程理论化程度的提升。开展这一探索的历史原因则如前所述。历次课程改革中对儿童中心、探究应用的强调忽视了物理学“理论学科”的身份。某种程度上，我国物理课程体系一直以来都缺少“培养理论物理学家”的课程目标。而增强物理课程的理论化程度作为德国KPK、美国《概念物理》等物理课程所代表的重要方向已经产生了重要的影响。这一改革趋势应该引起我国物理课程建设的重视。

      值得肯定的是，我国课程教学改革的理念与实践已然为这种改进提供了一些良好条件。如当前课标修订就强调了整合与衔接的理念，而学校场域下的走班制、选课制、校本课程、选修课程等改革已经为课程提供了更多的选择性与灵活性。

      （二）将结构图示纳入物理课程文本

      在物理教科书的编制体例上，如前所用的课程结构示意图很好地突出了课程的主要结构和逻辑框架，因此值得被纳入课程文本的编制。

      物理学科作为范式化最强的学科，较之其他学科更具备做出课程结构图的基础与可能，因此应充分发挥这一优势。结构图的设计应注意的是，应力图实现结构图的简约与重点的突出。在具体的操作层面，应力戒结构图的繁多，即尽量避免出现“一节一图”、“一章一图”，且最好能实现多章一图、一册一图或跨模块作图等情形。

      （三）指导物理课程文本的阅读方法

      应该指出的是，物理学科出身的教师与考试文化影响下的学生普遍缺乏文字材料的阅读方法，而对“公式结论”更为敏感。这使得他们失去了大量的理解物理意义的机会，也使整个课程设计的结构有落空之虞。

      有鉴于此，教材编写单位应在教师用书中介绍教材阅读的方法与建议，各级各类教师培训以及师范教育也应纳入课程文本阅读的方法指导。更为重要的是，阅读物理课程文本的方法并非限定于阅读课程文本本身，物理课程设计者与物理教师应分别向教师与学生有计划地开列参考书单并提供相应的阅读建议，指出与课程文本的联系。由此，通过开放性阅读文化的营建，物理课程对师生不同认知风格的包容与理解就能达到新的水准。

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