论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。
图式理论是现代认知心理学中的一个重要概念。在注重如何高效学习的今天，将图式理论恰当地应用于物理教学，既符合学生的认知规律，又能帮助学生形成知识结构，是一种提高教学效果的有效策略。
一、图式理论概述
现代认知理论认为，图式(Schema)是指围绕某一主题组织起来的知识的表征和贮存方式，是认知的建筑材料（或“组块”），是信息加工的基本要素。人们所习得的知识不是杂乱无章地贮存在大脑之中的，而是围绕某一主题相互联系起来形成一定的知识单元，这些单元就是图式。例如，我们见到某种动物的图片，就能很快想起它的名称、性情、生活习性等很多有关该动物的知识，这说明该动物的外观特征是与它的名称、性情、生活习性等有关知识联系在一起贮存在人的大脑中的。所以说，图式实际上是一种关于知识的认知模式。
在近代心理学研究中，最早对图式给以理论上高度重视的是格式塔心理学。在心理学发展史上，经验主义的代表人物英国的心理学家巴特莱特(Bartlett)认为，图式是“过去反应或过去经验的一种积极组织”。他还认为“图式具有积极主动加工的特点”。瑞士著名的心理学家、教育家皮亚杰也十分重视图式的概念，他认为“图式是指动作的结构或组织”。现代图式理论是在信息科学、计算机科学深入到心理学领域，使心理学中关于人的认知的研究发生了深刻变化之后于20世纪70年代后期发展起来的。概括起来，现代图式理论有4个要点：①图式描述的是具有一定概括程度的知识，而不是定义；②图式有简单和复杂、抽象和具体、高级和低级之分；③图式不是各个部分简单机械相加，而是按照一定规律由各个部分构成的有机整体；④图式是在以往经验的旧知识与新信息相互联系的基础上，通过“同化”与“顺应”而形成的，是以往经验的积极组织。
二、图式的功能
1.图式的选择与加工信息的功能
外部信息在输入人的大脑时，认知图式就会被激活并主动对输入信息进行选择、吸纳，滤去无关的刺激。对同样一种知识，不同的人可能会进行不同的筛选和过滤，产生不同的理解，这种情形的产生取决于每个人建构的认知图式的不同。人在学习知识的过程中接受的知识结构可能不同，因而造成不同的认知图式，这种认知图式的差异反过来又影响了对知识的不同理解。另外，知识是否被认知图式选择还取决于这部分知识是否同认知图式的某一变量相一致，如果输入的知识与认知框架中的变量相一致，这些知识就会填充到认知框架中。否则，认知框架就会予以排斥。认知图式的选择还表现为对输入的知识进行抽象，把知识变成图式所能接受的东西。通过图式的过滤、选择和抽象而输入到大脑中的知识就会得到整理、归类和组织，从而建构出一个自己的知识结构网络来。
2.图式的预测与推理功能
图式一旦被激活，它就要对当前的知识状态作出解释，进行解释必然包含着预测和推理。现代认知心理学家鲁梅哈特(Rumelhart)把图式比作理论来说明它的预测和推理作用。他认为，图式同理论一样具有预测作用，使用正确的理论可以对那些未被观察到的事情作出令人折服的推理。同样，图式在具体化过程中解释的现象往往是我们的感官所不能达到的，它使我们对知识的理解超出了观察的范围。实际上，一旦图式对情境作出了适宜的评价，很难确定我们的理解是直接观察到的，还是图式提供给我们的。图式与理论之间的这种类比尽管有不恰当之处，但它确实说明了图式在知识获得中的预测和推理功能。
3.图式的迁移功能
迁移对知识获得有极为重要的作用，因此它能广泛运用于同类事物学习的相似情境。即使对于不同类事物的学习，由于事物抽象后的本质属性在趋于哲学的层面上仍有更多的一致性。迁移的根本条件就是建立良好的图式，在系统的知识结构转化为良好的图式后，就能产生举一反三、触类旁通的作用。因此可以说，良好的认知图式是获取新知识的有效工具。
三、图式理论的教学意义
1.图式是一种高级的学习策略
有研究结果表明，个体图式学习策略的形成是十分重要的。一方面，它有利于知识结构化，结构化的知识可被浓缩成框架，组成网络，容易记忆；另一方面，它能优化学生的认知结构，被优化的认知结构使所贮存的知识都是“产生式”的，知识节点间具有高度的组织化，易于激活，便于迁移。在物理问题解决中，图式策略使个体探究问题的张力扩大、指向性增强，提高了探索正确解决问题方案的效率。
2.图式是一种高级的教学策略
常规教学强调以教师为中心，重视陈述性知识和知识的陈述，学生被动甚至机械地接受知识，难以形成框架清晰且富有连动性的认知结构。而图式教学策略，重视学生完整的知识结构的建构与活化，并因此能消减因知识难度增加所带来的认知障碍。
四、图式理论在物理教学中的应用
1.图式理论与物理概念教学
应用图式理论来考察物理概念的教学，我们会发现学生对物理概念的掌握，其实质就是学生头脑中形成了有关物理概念的图式。因此，物理概念的教学可用图式的形成来描述。将物理概念看作图式，每个物理概念都是由几个相互关联的部分所构成的，这些相互关联的部分便是这一物理概念图式的变量。在物理概念教学中，要注重引导学生分析物理概念的几个构成部分（物理概念图式的变量），并从中找出关键变量，把握好整体与部分的关系，这样便能准确地理解和掌握物理概念了。例如在“波长”概念的教学中，应先找出其图式的变量：“相邻的”、振动过程中“位移总相同的”“两质点间的距离”等。其中“相邻的”“位移总相同的”是波长概念中的关键变量。在教学中透彻地分析这几个关键变量，可以使学生形成关于波长的正确图式，进而准确地掌握机械波的基本概念。
图式理论指出，图式不是变量的机械相加，而是按一定规律结合的有机整体，图式的变量之间有相互约束的关系。因此，在概念教学中，不仅要分析物理概念的构成部分，更重要的是要搞清这些构成部分之间以及物理概念之间的内在联系和知识结构关系。例如在进行“加速度”概念教学时，不仅要弄清楚加速度的定义，更要让学生明确速度v、速度变化△v、加速度
三者在大小和方向上的联系和区别。物理概念的图式之间还存在着简单与复杂、低级与高级的关系。例如，“共振”这一概念包含于受迫振动概念中，从图式的高级与低级的关系看，共振的图式是低级或下位图式，而受迫振动和无阻尼振动相对来说则是高级或上位图式。因此，在概念教学中，应用图式理论可以帮助学生更好地理解物理概念各构成部分之间以及物理概念之间的内在关系，形成物理概念网络。这对学生准确、牢固地掌握物理概念是非常必要的。
学生对物理概念的形成是一个从对物理现象和事实的感性认识出发，经过抽象、概括而达到对物质属性和物质运动的理性认识的过程。它首先是建立在以往经验的旧概念和新知识联系的基础上，然后通过新知识与原有物理概念的相互作用，构建新的物理概念。这一过程正是图式理论所描述的原有的图式可通过“同化”和“顺应”形成新的图式的过程。例如“自感现象”概念图式的形成，首先是电磁感应现象概念这一原有图式同“自身电流变化”这一新信息的积极联系，再通过“同化”，电磁感应现象概念图式将新信息“自身电流变化”纳入自己的图式，使之成为新概念自感现象图式的一部分，最后形成关于自感现象的完整图式。而“温度”概念的完整图式则是通过对从冷热程度角度定义的温度概念图式“顺应”，不断调整自己的组成部分和结构而形成的。从“表示物体的冷热程度”的温度概念到“温度反映物体内部分子运动的剧烈程度”，再到“温度是物体内分子平均动能大小的标志”这一高层次温度概念的发展过程中，已有温度的宏观表现图式不能“同化”其他新知识形成温度的微观本质图式，只能通过呈现一些分子热运动的事例和演示实验，分析热现象并揭示其微观本质。这样，经过调整、改造即所谓“顺应”，就可形成高层次温度概念的图式。因此，运用图式理论来进行物理概念教学时，对于新概念图式的形成，既可以通过“同化”学生已有物理概念图式的方式来实现，也可以通过“顺应”的方式来实现。教学中，教师应当根据具体内容，精心设计或选择有利于形成概念图式的一些实例或演示实验，透过现象揭示其本质，从而使学生形成完整的、正确的物理概念图式。
2.图式理论与物理习题教学
学生原有的认知结构是影响习题教学的一个重要因素。学习的实质就是在新知识与学习者已有认知结构中的原有知识之间自觉地建立起有效的联系，我们的教学目标就是要提高学生用已有的知识经验去理解和学习新知识的能力。在教学中，教师要善于观察和判断学生已有的知识模式，将新知识与旧知识进行类比，并作出关联，从记忆中提取相关知识进行同化，达到迅速求解习题的目的。例如在研究动力学问题时，学生对牛顿运动定律、运动学公式的运用较为熟练，但往往是套用公式情况较为普遍，不能灵活运用基本模型去解决问题。在图1(a)所示中，固定支架ACB,AC竖直，AB为光滑钢丝，AC=BC=l，一穿在钢丝中的小球从A点静止出发，滑到B点所需时间t为多少？
学生往往在解决此类问题时，原有认知图式模糊，无法实现同化。如果教师在教学中意识不到这一点，只是简单介绍方法，描述结论，那必然是迫使学生被动接受，不能真正达到同化。教师在解决前，可以引导学生回顾“等时圆”问题：如图2所示，A、B是直径为d的圆的最高、最低两点，任一物体从A点静止起沿任何光滑弦轨道滑下时，所需的时间t均相同，且
。由于在图1中，AC和BC的长度都等于l，且AC为竖直方向，所以l相当于“等时圆”的半径R，如图1(b)所示。按照“等时圆”模型的结论，小球从静止出发滑到B点所需要的时间
。这样，可以使学生利用上述由基本物理规律所得到的一个基本模型去解决许多问题，从而在主动学习中巩固了物理知识和技能，充实了物理认知图式。
又如在简谐运动的教学中，学生对一维典型简谐运动问题容易理解，但对于如图3(a)所示的运动情景的解答就比较困难。图中一列火车以惯性向前行驶，爬上一个与水面夹角为θ的小山坡。求从开始爬到停止，共用多少时间？火车长为l，不计摩擦，且停止时火车尚未全部走上山坡。
解题教学时，教师若能及时帮助学生寻找到原有的解题图式，比较出火车在斜坡上的运动与弹簧振子中小球的运动的情景相同，那么后一情景学生就十分熟悉。小球在某一平衡位置往复运动，若回复力和相对于平衡位置的位移大小成正比，方向相反，即F=-kx，那么小球运动就为简谱运动，其周期
。
这样，学生主动对该题解题图式进行同化，达到迅速解题的效果。可见，要想提高学生的解题能力，习题教学中应该掌握典型的基本问题的图式。
若原有的图式不能同化新的问题时，就要对原有的解题图式加以修正和重组改造即“顺应”，以适应新的问题。教师要注意积极引导，发挥学生的主体作用，启发学生去主动寻求物理问题的本质特征，主动演绎推理，达到顺应的目的。
一般说学生对平抛运动之类问题已具备了较清晰的认知图式，以为这类问题比较简单，容易解决。物体作平抛运动时，它在空中运动的时间为t
然而，问题并不那么简单。例如2004年全国普通高等学校招生考试（理科综合能力测试）第23题：一水平设置的水管，距地面高h=1.8m，管内横截面积
。有水从管口处以不变的速度v=2.0m/s源源不断地沿水平方向射出，设出口处横截面积上各处水的速度都相同，并假设水流在空中不散开。取重力加速度
，不计空气阻力。求水流稳定后在空中有多少立方米的水。学生普遍都能认知水流运动是平抛运动，但水流体积的求解似乎与平抛运动的典型模型无法关联，不能直接用平抛运动模型的图式去同化水流问题。其实，我们可以引导学生作以下的分析。每滴水的运动都可以看成是平抛运动，水滴无论做什么运动，它的体积都不会改变。若第一滴水落地时的水平位移为L，则在空中水柱的水平长度也应为L，那么空中水柱的体积为：
图4
像这样接纳新问题的方式就是顺应。通过这种方式解题可使学生原有的认知结构得到质的飞跃，使学生在解决问题时变得更为方便。
总之，应用图式理论进行物理概念和习题的教学，有助于教师在进行知识组织的同时，深入钻研教材，理清知识的纵横联系、内涵外延；有助于学生积极地迁移组织，建立新旧知识之间的联系，促进学生对知识的理解和记忆，从而提高效率，形成图式（认知结构）；更重要的是图式理论帮助学生建立了完整的系统和知识网络，有利于学生迅速提取与新知有关的知识，培养学生的学习能力，使他们终身受益。