浅论知识建模在中学物理教学设计中的作用，本文主要内容关键词为：建模论文,作用论文,知识论文,中学物理教学论文，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、引言
物理教学论发展到现在，积累了很多优秀的教学法。这些教学法之所以优秀，并被人们广泛借鉴，是因为其无形中遵循着合理的知识论逻辑。下面我们可以通过一个具体例子来详细说明教学法中蕴涵着怎样的知识论逻辑。在中学物理教学法的研究中，关于“力”概念教学，有下面这样的论述：“‘力’概念教学，首先，应将‘重力’‘弹力’‘摩擦力’等各种性质的力进行对比，比较他们的产生条件、产生原因、大小、方向和作用点，才会使学生形成正确的力概念。其次，要把力和与它相联系的概念进行对比，如把‘力’与‘加速度’‘功’‘冲量’等概念进行对比，加深对力概念的理解。”[1]这个教学法的科学性、合理性可以得到知识论角度的解释。
首先，我们将上述教学法中所涉及的各个知识点抽取出来；接着，将各个知识点之间的特定关系用相应箭头连接；最后，形成一个包含所有知识点及其相应联系的知识网络图，如图1所示。这个图反映了知识隶属关系的结构特征。从图1我们可以看出，“力”与“重力”“摩擦力”“弹力”之间都存在着“是一种”关系，其中“力”为上位概念。因此，为了更好地理解“力”概念，我们需要对它的下位概念进行对比分析，找出各个下位知识点之间的异同，从而使学生形成正确的“力”概念。从图1我们还可看出，“力”与“加速度”“功”“冲量”等概念都是通过与相应的原理公式类知识点间建立“结论包含”关系联系起来。因此，为加深对“力”概念的理解，需要鉴别“力”“加速度”“功”“冲量”等各个概念类知识点的特征，找出“力”概念与“加速度”“功”“冲量”等概念的异同。我们认为，正是知识点及知识点间的特定关系决定了知识学习的特定任务设计与选择，此教学法中蕴含的合理知识论逻辑确保了采用上述方式进行“力”概念教学的合理性。
图1 知识网络图A
在物理教学法的研究中还存在很多这样的例子，通过绘制知识网络图，我们都可以找到它们相对应的知识论逻辑。绘制知识网络图的过程也就是知识分析的过程，我们可将之称为知识建模。知识建模不但可以使我们认清中学物理教学法的知识论逻辑，而且也会进一步促进中学物理教学法的发展。下面，我们将对中学物理学科中已有的知识建模研究做一个调查分析。
二、物理教学研究领域中关于知识建模的已有研究
在中学物理学科教学研究领域，目前人们对知识建模的研究主要集中为物理知识结构的研究。
有关物理知识结构的研究，从物理学诞生时起就已存在。我们可将这些研究大致归为以下两类。一类为物理教学论专家所做的理论性研究，主要侧重于对物理知识结构的构成及重要性的研究。如有学者[2]认为，“物理中的知识结构是由物理的各个基础知识及其它们之间的联系构成，物理基础知识又可细分为物理概念（物理量）、物理定律（定理）、物理公式、比例常数和物理常数、物理单位等五类。”还有学者[3]认为，“初高中学生物理学习中存在着诸如知识学习不扎实、电学学习比较困难、聪明学生也怕物理等等普遍问题，造成这些问题的主要原因是学生认知结构中知识表征不清晰。”另一类是一线教师根据自己的教学实践所做的经验性总结，主要侧重于物理知识结构在物理教学中的作用的研究。如“将概念图用于合作学习及评价”[4]“将构筑单元知识结构网络作为物理知识复习的有效途径”[5]“将物理知识网络作为保存知识及快速准确提取和迁移知识的载体”[6]等。总之，以上这两类研究都强调，清晰的知识结构不仅有助于为学生呈现比较系统的知识、启发学生主动学习、加深学生对知识的记忆与应用，而且有助于教师自己分清主次、突出重点、抓住关键、控制教学的广度和深度。由此可见，用网络结构处理知识是很必要的，这样处理符合知识自身的性质。不过，目前所有这些研究主要是站在物理教学的角度，从物理教学设计角度研究知识结构的很少见。另外，这些只关注知识语义的知识结构，也决定了它不会对教学设计具有指导作用。针对这种情况，我们提出了一种反映知识隶属关系的知识网络图，并探索其在中学物理教学设计中的作用。
三、物理知识建模在物理教学设计中的作用
任务作为学习活动的核心，是教学设计的关键对象。对于任务的描述，有学者等[7]认为“根据学习目标的层次将其区分为两类：一类是意义建构类活动任务，主要是指对知识点的信息加工过程中的语义编码的操作外显化，主要是为获取目标知识的意义；另一类是能力生成类活动任务，主要是为训练学生对目标知识点的运用能力，其主要有题目、问题等形式。”中学物理知识建模，对于中学物理意义建构类活动任务设计和能力生成类活动任务中问题的设计，都将会产生比较大的影响。一方面，通过物理知识建模，我们可以依据知识点类型及其知识点之间的关系，根据已有的心理学研究，设计出帮助学生准确获取知识意义的任务。另一方面，通过物理知识建模，结合相应的变换，我们还可设计出针对性较强的物理问题。下面，我们主要围绕物理知识建模在物理教学设计中的两大重要作用展开论述。
1.有助于教师进行意义建构类学习任务设计
下面我们通过一个例子来具体说明。图2是我们根据高一物理中的“牛顿运动定律”部分的内容所画。从图2，我们可以发现其中存在着一个个特定关系的子图，我们将其称之为知识组块。根据知识组块与任务的映射关系，见参考文献[8]，我们可以方便地进行意义建构类活动任务设计。从图2的阴影部分(1)中我们可看出，各个概念类知识点之间通过“组成”关系相联系，为其设计“鉴别基本单位和导出单位的基本特点”“建立基本单位和导出单位之间的联系”“建立基本单位和导出单位与单位制间的联系”等任务比较合适。对于图2的阴影部分(2)，事实范例类知识点与原理公式类知识点之间通过“包含”关系相联系，可以为其设计“学生能用质量与惯性间关系原理解释相应的物理现象”任务。图2的阴影部分(3)中过程步骤类知识点之间通过“步骤包含”关系相联系，为其设计“建立牛顿运动定律解题步骤的顺序并明确各个解题步骤间的联系”任务比较合适。对于图2的阴影部分(4)，原理公式类知识点与概念类知识点之间通过“结论包含”关系相连.我们可以为其设计“鉴别牛顿第二定律的特征和要素”“建立‘质量’‘加速度’‘合力’三者之间的联系”等任务。另外，阴影部分(4)中“合力”知识点又与“分力”知识点共同构成“力”的下位概念。因此，我们可用“分力”替换“合力”，从而设计出“牛顿运动定律是否适合于分力情况”“假如适合分力情况，加速度又应具有什么特点”等比较新颖的任务。由上，我们可以很清晰地看到，通过知识建模，遵循心理学已有研究结论，教师可很容易地设计出合理的帮助学生获取知识意义的任务，并且还可以通过一些简单变换，设计出比较新颖的任务。
上面所提到的知识组块仅与知识点的类型及其知识点之间的关系有关，与知识点的具体内容无关。因此，对于同一类型的知识组块，我们可以为其设计相同的任务。为方便教师进行任务设计，我们可将中学物理学科中常出现的知识组块类型抽象为若干个知识组块模式图。教师根据这些知识组块模式图就可快速地识别出知识组块，并设计相应的任务。教师在设计出任务后，可根据知识点之间的联系，确定任务序列。然后，以这些任务作为活动的核心，设计活动的其他成分，并依据任务序列确定活动序列。最后，将一系列的活动组合成为一堂课。通过这种方式，教师的教学设计过程相对于以前的无具体方法可依变为有一定方法可循、由以前单纯的经验主导变为理性主导下的技术性操作，教师的教学设计过程向着科学化、理性化的方向前进。
图2 知识网络图B
2.为教师进行问题设计提供依据
物理问题对于培养学生的能力有非常重要的作用。目前，已有的物理问题设计技术可以为教师进行简单问题设计提供一些可参照的依据，如“从物理学的基本研究方法及研究内容出发来设计问题、依创造技法设计问题”[9]等。这些研究只对问题设计做了一个宏观步骤介绍，缺少微观具体细节介绍，教师在进行问题设计时完全靠自己在教学过程中的不断体会和总结，教师的自身经验占据决定性地位。另外，在物理问题设计中，对于复杂问题的研究很少涉及，仅仅是一线教师在教学实践中对于“一题多变”的研究。如“教师在物理习题课中怎样通过一题多变加深学生对知识点的理解和掌握”[10]“教师如何对课本习题进行一题多变以从不同角度来强化学生对知识点的理解”[11]“学生在乎时的解题过程中如何进行一题多变”[12]等。这些研究也是教师依据自己的经验，总结出的一些针对特定问题的一题多变技巧。总之，不论是简单问题设计还是复杂问题设计，都是教师教学经验的简单总结。然而，教师对于从特定目标出发的问题设计依然无从下手。针对这种情况，我们提供了这样的问题设计思路，即：通过物理知识网络图找出与其目标知识点相关的已学知识点，找到已学知识点的问题原型，通过对此问题原型的相应变换，设计出适合目标知识点的问题。下面，我们主要通过一个具体例子来详细说明。这个例子也将反映物理知识建模如何为教师进行问题设计提供依据。
该例子选自人教版高中物理第一册第五章第三节“平抛物体的运动”。假设现在要开始学习第三节的内容，教师可以依据已学过的内容画出所要学习的目标知识点为核心的知识网络图。我们以概念类知识点“平抛运动”为例，可画出如图3所示的知识网络图。为设计出培养上位知识点的问题，我们可以从其已学的下位知识点出发来选择问题原型。从图3中，我们看到与“平抛运动”处于下位关系的知识点包括“匀速直线运动”和“自由落体运动”两个，我们可以依据这两个知识点来选择问题原型。选择包含已学知识点的问题原型时，有两种方式：一种是直接找课本上的例题或习题；另一种是依据教师的经验在其他资料上选择。对于经验不是很丰富的老师可以采用第一种。这里，我们主要依据第一种方式以选择“自由落体运动”知识点为例，选择人教版高中物理第一册第二章第八节“自由落体运动”练习八的第一题，即：
为了测出井口到井里水面的深度，让一个小石块从井口落下，经过2s后听到石块落到水面的声音。求井口到水面的大约深度（不考虑声音传播所用的时间）。
选好包含已学知识点的问题原型后，接着需要进行新问题的设计已使其适合于目标知识点“平抛运动”的培养。
图3 知识网络图C
图4是根据解题过程画出来的，包括问题情境和相应知识点，沿箭头的方向为解题的推理过程，因此我们可形象地把这个图称为问题的知识推理路径。我们可以对图4进行操作，如将图4中的“自由落体运动”替换为“平抛运动”，则可设计出新题1，即：
为了测出井口到井里水面的深度，让一个小石块在离地面h高度开始做平抛运动，经过t后听到石块落到水面的声音。求井口到水面的大约深度（不考虑声音传播所用的时间）。
图4 问题的知识推理路径
在新题1的基础上，我们可以再将“石块”替换为“炸弹”，考虑声音传播所用的时间，并辅以一定的情境，设计出新题2，即：
飞机以恒定的速度沿水平方向飞行，在飞行过程中释放一枚炸弹，且飞机飞行的速度v，经过时间t，飞行员听到炸弹着地后的爆炸声，假设炸弹着地即刻爆炸，且爆炸声向各个方向传播的速度都是
，不计空气阻力，求飞机飞行时距地面的高度h。
由上面这个例子，我们可以看到，这种问题设计方法强调从目标出发。不仅为中学物理教师进行问题设计提供了微观具体操作细节，使得问题设计不再完全依赖教师经验。而且为中学物理教师更好地处理学生之间的差异提供了便利，使得中学物理教师能够依据学生各自的知识掌握情况为他们设计合适的问题。对于成绩差的学生，教师可以先分析学生所欠缺的知识点，然后根据这些知识点为学生设计出相应的问题，最后通过让学生解决这些问题使得其所欠缺的知识点转化为已掌握的知识点，从而缩小学生间知识掌握程度的差异。
总之，依据知识网络图，教师可以有针对性地选择问题原型并加以适当变换，设计出适合培养目标知识点的新问题。物理知识建模作为物理教师进行问题设计的重要依据，必将会为物理学科问题设计技术的发展提供有意义的参考价值，必将提高中学物理教师问题设计的理性化水平。
四、小结
上面提到知识网络图在物理教学设计中有比较重要的作用，那么如何绘制知识网络图呢？其实，知识网络图的绘制非常简单，下面主要从知识建模的前期准备和具体步骤来进行介绍。
1.知识建模的前期准备
要想使得知识建模过程比较科学合理、方便快捷，我们需要做好三个前期准备工作。首先，找出物理学科中的知识点类型。知识点类型作为知识建模的最基本单元，必须事先确定。通过对物理学科已有知识分类的分析研究，结合实际需要，我们将物理学科中的知识点类型划分为：符号和名称、概念、原理公式、事实范例、过程步骤、认知策略。其次，找出物理学科中各个知识点之间的关系类型。根据心理学、物理教学论的已有研究，见参考文献[8]，我们可以将物理知识点之间的关系类型大致确定为以下六大种：上下位关系（是一种、组成）、同位关系（相似、相反、等价、并列及其他）、包含关系（包含、内容包含、结论包含（定义公式）、条件包含、步骤包含）、是前提关系、具有属性关系、派生关系。其中，上下位、包含、是前提、具有属性、派生等关系用单向箭头连接，同位关系用双向箭头连接。最后，找出物理学科知识组块模式图类型。为任务设计的方便，我们探索出了物理学科中常用的知识组块模式图类型，如图5（见下页）所示。这个知识组块模式图可能不是很完善，中学物理教师可根据自己丰富的教学经验对其不断加以补充和完善。
2.物理学科中知识建模的基本过程
物理学科中知识建模的基本过程可用如图6所示的流程图表示。主要包括以下四步：(1)确定物理学科中相应内容的目标知识点类型。参照教师参考用书，找到目标知识点，并确定其类型。(2)根据目标知识点类型选取对应的物理知识组块模式图。在所有目标知识点中任选一个，根据其类型为其选择合适的知识组块模式图。(3)选择核心知识点。核心知识点作为继续选择知识组块模式图的基点，其实质仍是目标知识点。如果画出的知识组块中存在目标知识点，则以新出现的目标知识点作为核心知识点；如果画出的知识组块中不存在目标知识点，则可以选择其他的目标知识点作为核心知识点。选好核心知识点后重复步骤(2)，直到知识网络图中包括了所有的目标知识点。(4)对画好的知识网络图进行检查修改。对照知识组块模式图，找出各个目标知识点的所有可能从属的知识组块模式图，然后对已画出的知识网络图进行检查及其补充修改。
图5 物理学科知识组块模式图
依据上面的操作规则，我们可以方便地进行物理学科知识建模。中学物理知识建模可帮助中学物理教师进行任务设计和问题设计。它作为一种辅助教师进行教学设计的新方式，将会进一步促进物理教学论向着更高层次发展，增强中学物理教师教学设计过程的理性，提高中学物理教师的专业化发展水平。
图6 物理知识建模流程图