图式理论在物理教学中的应用，本文主要内容关键词为：图式论文,物理论文,理论论文,教学中论文，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。
现代认知心理学认为，图式是指围绕某一主题组织起来的知识表征和储存方式，表现为一些观念和关系的集合，形成一种有组织的知识结构。图式的知识要点精炼准确，是陈述性知识的综合表征形式，一般由命题、表象和线性排序构成。命题是知识的最小单位，主要表征言语信息；表象是当前未直接呈现的客体或事件在脑中浮现出的视觉影像，为非言语表征的知觉信息，其有助于命题信息的形象化；线性排序可以使图式的各个知识点形成有序的组织结构，促进相关信息的记忆、理解和推断。相关的心理学实验表明，引导学生自觉地建立恰当的图式，能显著地提高学习效率。
学习者在认知过程中，对当前的认识通过过滤、选择、抽象等方式，进行整理归类、精确简约、协同组织，建构出一个科学规范的图式，并随之形成良好的记忆。当学习者需要对当前的知识状态作出解释时，图式就会被激活，形成相应的预测和推理，同时可产生触类旁通的学习迁移作用。物理学认知内容具有高度的抽象性、严密的逻辑性和丰富的组织性，学好物理需要获得规范的认知图式。
一、物理模型图式的表征
物理模型是对物理客体或事项的一种抽象化、理想化的反映，力求准确地体现物理研究指向的主要内容，是对客观对象的一种简明近似反映。物理模型分为实物模型、状态模型、过程模型。学习者通过对物理模型中的概念、规律等典型特征信息及相应关系进行科学规范化的认知，便可建构出一种关于物理模型知识的有序组织结构，从而形成稳定的心理表征，获得一个相应的规范图式。
实物模型与自然实体相对应，其图式属于自然范畴图式。自然范畴图式表征对象是自然实体的属性，如物体、静电场等自然界实体范畴的知识点的集合，可表征出相应的自然范畴图式；自然范畴也指由人类文化所造就的一些客观实在范畴，如点电荷、单摆等经过科学抽象简化出的物理实在。自然范畴图式可用槽（属性）与值（内涵）的表征方式来建构。槽与值的一组配对，可以构成某一范畴相应图式的其中之一特征。若干组槽与值的配对构成图式的主要典型特征，通过对各元素（槽与值）的线性排序，可构成有组织的知识结构。槽可理解为自然客体或事项的属性名称，“值”是对“槽”的内涵的具体说明。如单摆图式可用槽与值的结构表征（见表1）。
实物模型是对具体客观实体的物理简化，主要关注客观实体在结构方面的物理主旨信息的提取。实物模型图式的物理教学策略以模型的结构特征为主线，以与反映结构特征相关的物理量为认知对象，达到组建简洁明确的模型图式为目的。图式建构的设计程序为：列出若干个典型的研究实体对象——研究各单个实体结构——进行信息加工提炼——确定信息表征的图式内容——组成实物模型的图式结构。例如单摆模型图式，首先要对各类具有单摆特征的同类自然对象进行归类抽象，得到简化的模型图示，列出其若干典型的共有特征，将各知识要点相互关联、组织集合，形成如表1所示的科学的单摆图式。
本图式共选取了九个知识点作为图式的要素，并给出了九个槽（属性）的简洁名称，同时前八个槽采用命题的形式给出了对应的物理内涵，表象这个槽则是用图示的方式展现出来。按物理内涵相近进行线性排序，共分出三个组块，各组块中的槽顺序在逻辑上关联递进，便于学习者记忆，同时也使知识的关联组织有序化，易于理解和学习迁移。模型构成要素反映了单摆装置的实体特点，运动特征要素则反映了单摆运动学与动力学的特点。将表象要素纳入图式，可使学生在处理问题过程中能在大脑中浮现出单摆的简洁图象，可从中联想解读出单摆各个知识要点内容。
物理状态模型、过程模型一般是关于物理特征的综合内容结论式描述，其图式可采用汇聚图式来表征。汇聚图式要求将内容的主题汇聚成有组织的简明知识结构，从而使认知者能获得一个明确的认知图式。汇聚图式的结构与自然范畴图式类同，建构方法也相近，但其认知对象是结论式的内容。后面提到的物理量、物理定律和结论性的内容等也常用汇聚图式来表征，另有详述。关于状态与过程模型的汇聚图式建构方法，在此不再讨论。
二、物理量图式的表征
一些有关测量与计量的国际组织联合制定的《国际通用计量学基本术语》（1993）书中，将物理量定义为：物理量是物理现象、物体或物质的可以定性区别和定量确定的属性。因此物理量既有质的限定性，又有量的规定性。在物理教学中为了认知上的方便，又将物理量归类为可测性的物理概念。
物理量定义式具有测量上的操作性，其量度方法及定量关系能进一步揭示物理实在的内在本质。学习物理量主要关注其测度的数学表征方式和物理本质内涵要点的主旨信息提取。“物理学是研究物质的最基本、最普遍的运动形式和相互作用以及物质的基本结构的科学。”据此可将物理量分为物质性质量（简称物性量）、运动状态量、运动过程量和物质作用量四大类。物理量是人类在从事科学文化活动过程的产物，是一种结论式的文本，其内容的主题汇聚成有组织的简明知识结构，可采用汇聚图式的结构来表征物理量。
物理量的定义具有严密的科学规范性，其形成方式与内容可概括为：引入目的、基本定义及其来源、符号表征，测量规范，量度单位及其换算等几个部分。其中引入目的反映了该物理量所属的研究范畴和方向，为物理量类别的判断提供了依据；测量规范为物理量确定了科学的量度方法。此外物理量的数学表征有标量、矢量之分。依据上述分析可设计出物理量图式的基本结构，按数学结构、物理内涵和表象的顺序则进行线性排序，综合调整得到物理量图式“槽”的要素集合，即符号表征、测量定义、度量单位、数学性质、物理定义、物理意义等六个结构要素。
这些要素只是物理量图式的共有“属性”要素，对于不同类别的物理量，除了上述共同的属性要素之外，还应有它们独有的能够反映其特点的属性要素。描述物性的物理量一般由物质自性决定，其图式的“槽”应加上“物理特性”项。物质运动状态量与运动过程量在时域上分别对应时刻和时间区域，都存在“时间特性”的表征。故二者的图式“槽”项应外加“时间特性”要素。物质作用量与相互作用机制相关，其图式“槽”项需增加“作用机制”要素。有时为了使物理量的内涵能形象地表征出来，常采用图示的方法来说明，所以还要加上图示表象要素。
建构物理量图式应注意，其一“槽”名称的选取要准确典型，“值”是对“槽”的内涵的说明，其表述务必简洁明了；其二线性排序的逻辑顺序要规范明确，实行分块组合，块间层次分明，块内各要素存在递进关联；其三图式在整体上使物理知识形成科学规范的组织结构，各图式间也可形成有机联系。下面以电场强度为例，给出其汇聚图式的具体内容和表征形式。此图式将槽的要素分成了三个组块，按物理上的逻辑关系与意涵关联递进的方式进行线性排序，其中数学表征组块反映电场强度的量的规定性要点；物理表征组块显示其质的限定性内涵；表象组块可将电场强度的抽象表达直观形象化。
整个图式通过槽与值对应内涵的简明解释，实现了电场强度认知的系统化、组织化和有序化，有利于学生对电场强度的记忆、理解及运用！
按照上述方式，可以建构出其他类型的物理量图式，也可以对那些不能量化的物理概念建立相应的物理图式。
三、物理规律图式的表征
物理规律是物质相互作用和有关物理现象、过程在一定条件下发生发展的必然趋势及内在的本质联系，其表示方式可分为物理原理、定律、定理及结论等。物理基本规律一般侧重于用数学公式来表示，有些也运用命题的形式来阐明，即物理规律的在表征形式上有两种——命题式与数学式，命题式表示方式是以言语来综合陈述，如伽利略相对性原理、牛顿第一定律和安培定则等；数学式表示方式是运用若干个物理量之间的因果关系来组织成精确的数学公式，如牛顿第二定律、动能定理和匀变速直线运动的推论等。物理规律的内涵抽象深刻，逻辑严密，内容要点的因果关系密切相关，表征形式简洁明了，在整体上可组织成一种协同有序的知识结构。物理规律的表征形式是典型的科学文化活动的内容，其图式可采用汇聚图式的结构来表征。命题式与数学式的物理规律对应的图式在结构上既有相似性也存在差异性，需要依据具体对象的特征来设计建构。认知物理规律主要关注其原创发现过程所采用的思想、方法的主要特点及其物理结论的关系表述和内涵的主旨信息提取。本文以数学式的物理定律为例来建构图式，其他形式的物理规律图式可仿此来设计。
数学式的物理定律的研究及形成要涉及如下内容：建立模型，选取实验或观察对象，确立寻找定律的方法，确定因果物理量，得到因果关系，给出数学表征，进行相应的物理解释。据此可选取物理模型、有代表性的实验对象、实验方法、适用范围、数学公式、物理内涵、实例解读、表象实例等九个要点，组成物理定律图式的基本结构。按照这一建构的策略，我们建构出牛顿第二定律的认知图式如右表3所示。
此图式分成了三个组块，第一组块将物理定律的实验考察要点提炼出来，槽的要素顺序依照实验操作的先后过程排序，符合认知规律；第二组块对物理定律的数学显示与物理解释的精致化说明，按照思维的认知顺序排列，符合物理逻辑关联特点；第三组选取得三个典型的物理运动，将牛顿第二定律的物理内涵形象化地表现出来，使抽象的内涵形象化。总体而是对“槽”与“值”的提炼遵循精准简明、科学规范的原则，知识要点的集合符合组织化与有序化及形象化的要求，达到深化理解和灵活运用的目的。
按照上述方式，可以建构出其他类型的数学式物理规律图式，也可以对那些命题式的物理规律建立相应的物理图式，只要对图式的基本要素作恰当的修改即可。
在图式理论中关于事件图式和文本图式也有详细的论述，其特点也可以方便地用于教学。事件图式是人对所从事的文化活动按先后次序所做的有组织的认识，其认知对象为自然或社会中发生的事件。该图式对于某一事件要从中分解、概括出具有个性特征的各项活动，用命题的形式表征关键信息，按活动先后来组织排序，形成规范图式。如物理实验过程就可以按照时间先后建构成一个操作简明的事件图式。文本图式的认知对象为各种体裁的文本，建构图式要求将各段文本内容特征点进行提炼，对关键信息实行分块组织排序，形成规范的文本图式。如教师的教学设计规范格式就可用文本图式来编排。
总之，教师在物理教学中，可从物理认知对象本身的特点出发，有目的地围绕图式的规范与认知规律来设计教学方案，引导学生按图式的要求来认识、记忆和理解物理学的知识，帮助学习者自主建构出科学规范的物理图式，使学生在学习之初就能快速地形成结构合理、内容简明、要点关联有序、抽象内涵能直观表达的知识系统，最终达到学习者能准确运用物理知识解决相关问题的目的。
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