郭芳俠 賀江江 李 靜

(1.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710062;2.延安市黃陵縣黃陵中學(xué)，陜西黃陵 727300)

1 問題提出

已有的知識表征的理論主要關(guān)注知識在頭腦中的形成、表征、儲存和激活等心理特征，這對于我們深刻理解知識的形式心理特征具有重要意義［1］.除此之外，我們還應(yīng)該充分關(guān)注知識的內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)、知識的建構(gòu)過程和應(yīng)用知識解決問題等的教學(xué)心理特征.在實(shí)際物理教學(xué)中，學(xué)生往往不能準(zhǔn)確、深入地理解所學(xué)知識，不重視知識得來的過程，疏于總結(jié)知識得來背后蘊(yùn)含的科學(xué)研究方法和應(yīng)用知識解決問題的方法.這些方面的缺失或不足使得他們在知識習(xí)得和能力培養(yǎng)等方面出現(xiàn)困難，甚至失去學(xué)習(xí)的興趣.如果能將基本物理知識和與之相關(guān)聯(lián)的科學(xué)方法層次分明、主次分開，科學(xué)地呈現(xiàn)出來，以幫助學(xué)習(xí)者理解知識、建構(gòu)知識和解決問題，學(xué)習(xí)的效率便將大大提高.

新一輪的基礎(chǔ)教育新課程在物理學(xué)科方面將過程與方法和知識與技能放在同等重要的地位［2-3］.由此可見，非常有必要指導(dǎo)學(xué)習(xí)者深入理解學(xué)科的基本知識和基本方法為原則來表征知識，進(jìn)而以簡單、直觀的形式將其呈現(xiàn).

2 知識表征

奧蘇伯爾將認(rèn)知結(jié)構(gòu)定義為:“個體的觀念的全部內(nèi)容和組織，或者，就教材學(xué)習(xí)而言，指個體的特殊知識領(lǐng)域的觀念的內(nèi)容和組織［4］.”現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為:狹義(靜態(tài))認(rèn)知結(jié)構(gòu)與人的長時記憶中的信息儲存模式有關(guān)，是人腦中的內(nèi)存結(jié)構(gòu)或知識庫結(jié)構(gòu)，也被稱為“信息表征”或“知識表征”［5］;廣義(動態(tài))認(rèn)知結(jié)構(gòu)加工制作出的各種經(jīng)驗(yàn)、觀念和知識，都能以靜態(tài)的模式存放在人腦的內(nèi)存結(jié)構(gòu)中，形成人腦中十分龐大的知識庫［6］.基于認(rèn)知信息加工理論，筆者認(rèn)為狹義認(rèn)知結(jié)構(gòu)指學(xué)習(xí)者以代碼、程式、模式3種形式存儲于頭腦中的觀念的內(nèi)容和組織.知識的產(chǎn)生離不開人們對客觀世界的實(shí)踐和思維的交互活動，這個過程本身就蘊(yùn)含了“得來什么知識”、“知識怎么得來”和“得來知識的方法”這3個方面的知識.據(jù)此，我們可以將知識分為陳述性知識、程序性知識和模式性知識.

2.1 陳述性知識表征——FIS模型

安德森從信息加工的角度，把知識分為陳述性知識和程序性知識.陳述性知識是關(guān)于“是什么”的知識，是對事實(shí)、定義、規(guī)則和原理等的描述［7］，有3種表征的形式:特征、形象和語義.特征即事物的特點(diǎn)和特性;形象即事物的表象;語義即個體對事物作出的語言描述，體現(xiàn)了個體對事物的理解、應(yīng)用和評價等.按照概括程度的高低，陳述性知識可分為事實(shí)陳述性知識和概括陳述性知識.前者較具體，后者較抽象，這種具體和抽象具有相對性.例如，“蘋果”既可以包含不同品種的“蘋果”:“富士”、“紅星”、“嘎拉”等，又可以作為“水果”的一種.

基于認(rèn)知信息加工理論，陳述性知識的3種表征形式可以看作是據(jù)以認(rèn)知加工的“代碼”.這樣，陳述性知識就可以用一張直觀的“代碼語義”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行呈現(xiàn)了.這種代碼語義網(wǎng)絡(luò)具有類目、層級、直觀等特點(diǎn)，筆者稱之為FIS(Feature Image Semantic)模型.

2.2 程序性知識和模式性知識的綜合表征——PM模型

我國傳統(tǒng)教學(xué)中所認(rèn)為的“技能”范疇僅僅相當(dāng)于程序性知識中的行動序列方面，而將程序性知識的模式辨別歸為“知識”范疇，這實(shí)際上是不恰當(dāng)?shù)?現(xiàn)代認(rèn)知派心理學(xué)家經(jīng)大量的研究表明，模式辨別知識的獲得、保持、激活過程的規(guī)律與行動序列知識是相同的，這表明模式辨別與行為序列實(shí)際上是同類知識［1］.我們可以將安德森提出的“程序性知識”進(jìn)一步劃分為程序性知識和模式性知識.受計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行的編碼映射、編程操作和編態(tài)控制的啟發(fā)，筆者作如下闡述.

程序性知識是陳述性知識認(rèn)知映射下的認(rèn)知操作程序的知識，體現(xiàn)為個體頭腦中具體的認(rèn)知加工過程，由一系列從事實(shí)條件性知識到事實(shí)結(jié)果性知識的程式組成.程式即“產(chǎn)生”，是程序的基本構(gòu)成單元，在頭腦中以“如果……，那么……”形式存儲的執(zhí)行事實(shí).在程序執(zhí)行過程中，有時上一個程式推得的“結(jié)果”并不是下一個程式執(zhí)行所需的完備“條件”.這時，學(xué)習(xí)者需要通過思維活動添加新的“條件”，整合構(gòu)成下一個程式執(zhí)行的“條件”，實(shí)現(xiàn)程序的持續(xù)執(zhí)行.

模式性知識是程序性知識認(rèn)知操作下的認(rèn)知控制模型的知識，體現(xiàn)為具體認(rèn)知加工過程所參照的規(guī)則、方法和策略，由一系列從概括條件性知識到概括結(jié)果性知識的模式組成.模式即“產(chǎn)生式”，是模型的基本構(gòu)成單元，在頭腦中以“如果……，那么……”形式存儲的執(zhí)行規(guī)則.

模式是從多個類似的程式抽象概括出來的產(chǎn)生式規(guī)則，而模型是從多個類似的程序抽象概括出來的產(chǎn)生式系統(tǒng).程式、程序、模式和模型都是由代碼構(gòu)成.筆者將這種程序性知識和模式性知識綜合表征的理論稱為PM(Program Model)模型.

2.3 知識表征——FIS-PM模型

綜合3類知識表征的理論，筆者提出知識表征的新理論:FIS-PM模型，如圖1所示.知識表征通過“中心詞”與一系列的代碼、程式、程序、模式、模型相聯(lián)系.這種聯(lián)系在學(xué)習(xí)者具體的認(rèn)知活動中，伴隨著感覺、知覺、回憶、聯(lián)想、思維等認(rèn)知特點(diǎn)得以體現(xiàn).代碼以合理的分布位置與“中心詞”連接，位置分布的合理性依據(jù)它們之間聯(lián)系的緊密程度，通過位置的相對遠(yuǎn)近體現(xiàn).聯(lián)系越緊密，相對距離越近.從根本上說，“中心詞”與代碼間的聯(lián)系緊密程度由認(rèn)知加工活動的需要來確定:是否以及多大程度上有利于知識的建構(gòu)、理解、記憶和問題的解決等.

圖1

3 例析微型物理知識分布圖的制作(以“質(zhì)點(diǎn)”為例)

將知識表征的FIS-PM模型與物理學(xué)科相結(jié)合，則有物理學(xué)科領(lǐng)域的陳述性知識包含物理事實(shí)、物理概念、物理定理、物理定律、物理定則、物理推論等要素性知識;物理學(xué)科領(lǐng)域的程序性知識包含具體情境下物理工具的使用、物理實(shí)驗(yàn)的操作、物理知識的建構(gòu)、物理問題的解決等過程性知識;物理學(xué)科領(lǐng)域的模式性知識包含物理思維方法、物理科學(xué)研究方法、物理問題解決方法等方法性的知識.也可以說，物理知識由要素性物理知識、過程性物理知識和方法性物理知識構(gòu)成.過程性知識是要素性知識和方法性知識聯(lián)系的紐帶，基于要素性知識，而受方法性知識指導(dǎo)，是學(xué)習(xí)者技能運(yùn)用的實(shí)際體現(xiàn).3種知識互相聯(lián)系，組成了一個有機(jī)的物理學(xué)科領(lǐng)域的知識體系.下面，筆者以人教版高中物理必修1教材中的“質(zhì)點(diǎn)”為例，制作一個具體的微型物理知識分布圖.

3.1 解讀新課標(biāo)，確定“質(zhì)點(diǎn)”在知識與技能和過程與方法2個維度的教學(xué)要求

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中“質(zhì)點(diǎn)”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn):通過對質(zhì)點(diǎn)的認(rèn)識，了解物理學(xué)研究中物理模型的特點(diǎn)，體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用，認(rèn)識在哪些情況下，可以把物體看成質(zhì)點(diǎn)［2］.解讀新課標(biāo)，將其轉(zhuǎn)化為物理教學(xué)目標(biāo).知識與技能維度要求學(xué)生認(rèn)識建立質(zhì)點(diǎn)模型的意義和方法，能根據(jù)具體情況將物體簡化為質(zhì)點(diǎn)，知道科學(xué)抽象是一種普遍的研究方法.過程與方法維度要求學(xué)生體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用，初步掌握科學(xué)抽象理想化模型的方法.

3.2 根據(jù)知識表征的FIS-PM模型，確定與“質(zhì)點(diǎn)”相關(guān)的3類知識

3.2.1 陳述性知識

(1)特征:質(zhì)量、大小、形狀、點(diǎn)、條件、理想化物理模型;(2)形象:地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動、地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動;(3)語義:質(zhì)點(diǎn)是只有質(zhì)量，而無大小和形象的點(diǎn).質(zhì)點(diǎn)是一種理想化的物理模型.將物體看成質(zhì)點(diǎn)是有條件的.例如，在地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動中，地球可以被看成質(zhì)點(diǎn);在地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動中，地球不可以被看成質(zhì)點(diǎn);(4)其他概念:機(jī)械運(yùn)動、參考系、坐標(biāo)系.

3.2.2 程序性知識

(1)程式:在地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動中，地球的直徑不足它到太陽距離的萬分之一，所以地球可以被看做質(zhì)點(diǎn).(2)程序:為了簡潔地描述老鷹從山頂A飛到山頂B的機(jī)械運(yùn)動，老鷹的形狀和大小不利于簡潔地描述老鷹的運(yùn)動，是次要因素，將老鷹看成一個點(diǎn);老鷹的質(zhì)量是它的固有屬性，是主要因素.這樣，我們就可以將老鷹看成一個質(zhì)點(diǎn)了.

3.2.3 模式性知識

(1)模式:在機(jī)械運(yùn)動中，如果物體的大小和形狀對所研究的運(yùn)動是次要因素，那么物體可以被看做質(zhì)點(diǎn).(2)模型:為了簡化研究對象以利于問題的解決，研究者需要突出研究對象的主要因素，忽略研究對象的次要因素，將研究對象抽象成一個理想化物理模型.

3.3 確定內(nèi)容要素和聯(lián)系緊密度分值

“質(zhì)點(diǎn)”的內(nèi)容要素(不含語義)有:質(zhì)量、大小、形狀、點(diǎn)、條件、理想化物理模型、地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動、地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動、機(jī)械運(yùn)動、參考系、坐標(biāo)系.“質(zhì)點(diǎn)”及其內(nèi)容要素間的聯(lián)系緊密程度分為5級:不緊密、不太緊密、一般、比較緊密、非常緊密，分別用1-5的分值表示.

聯(lián)系緊密度分值根據(jù)以下2個方面整體確定:其一是“質(zhì)點(diǎn)”在知識與技能和過程與方法兩個維度上的教學(xué)要求;其二是“質(zhì)點(diǎn)”及其內(nèi)容要素間是否以及多大程度上有利于物理知識的建構(gòu)、理解、記憶和問題的解決等.要素和其自身聯(lián)系的緊密程度用“∞”表示.如果要素之間沒有聯(lián)系或者聯(lián)系無意義，則用“-”表示.

筆者通過與課程專家、一線物理教師訪談得出“質(zhì)點(diǎn)”及其內(nèi)容要素間的聯(lián)系緊密度分值，如表1所示.

表1

3.4 制作微型物理知識分布圖

根據(jù)知識表征的FIS-PM模型和表1，筆者制作了“質(zhì)點(diǎn)”的微型物理知識分布圖，如圖2所示.“質(zhì)點(diǎn)”作為中心詞向外輻射出多個內(nèi)容要素、語義及與之相關(guān)聯(lián)的問題解決方法和科學(xué)研究方法.各要素除了與“質(zhì)點(diǎn)”聯(lián)系，它們之間也有聯(lián)系.例如，質(zhì)量和點(diǎn)、大小和形狀、地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動和地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動這3對要素之間也具有一定的聯(lián)系.從老鷹運(yùn)動的分析得出其可以被看作質(zhì)點(diǎn)和抽象得出理想化物理模型這兩個過程的各個步驟相互聯(lián)系，前者是具體的知識建構(gòu)過程，后者是知識建構(gòu)所參照的科學(xué)研究方法.

圖2

4 結(jié)語

知識表征的FIS-PM模型的提出基于認(rèn)知結(jié)構(gòu)的定義，彌合了新課程的基本理念，針對物理教學(xué)中面臨的主要困難和問題.其最主要的優(yōu)勢是使得知識得以形象化，利于對其記憶和提取.微型物理知識分布圖的制作基于知識表征的FIS-PM模型，精要、直觀地呈現(xiàn)了基本物理知識內(nèi)容要素的結(jié)構(gòu)、建構(gòu)過程和科學(xué)方法3方面的內(nèi)容.制圖過程便是對物理知識進(jìn)行解構(gòu)與整合的思維過程.學(xué)生各自制圖，教師組織討論，可使他們對物理知識形成豐富、準(zhǔn)確的理解.微型物理知識分布圖的合理應(yīng)用想必能夠促進(jìn)實(shí)際的物理教學(xué)，至于成效如何還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和改善.一線教師和課程專家可制作多個模塊化的微型物理知識分布圖，將其建設(shè)成學(xué)生可通過手機(jī)、電腦等終端獲得的物理課程資源庫.這樣， 學(xué)習(xí)的發(fā)生就可以突破時空限制，實(shí)現(xiàn)“任何人”在“任何時間”處于“任何地方”都可以學(xué)習(xí).如此一來，學(xué)生學(xué)習(xí)物理將變得更加高效、便捷!

1 莫雷.知識的類型與學(xué)習(xí)過程［J］.課程·教材·教法，1998(5):20-24.

2 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:人民教育出版社，2003:1-12.

3 中華人民共和國教育部.全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:北京師范大學(xué)出版社，2001.

4 皮連生.奧蘇伯爾的教學(xué)論思想［J］.外國教育資料，1991(1):35-44.

5 遲希新.試析人類認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基本組成與功能［J］.呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(2):34-36.

6 張富昌.認(rèn)知結(jié)構(gòu)與腦結(jié)構(gòu)在主體認(rèn)識加工中的作用［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(1):44-50.

7 陳琦，劉儒德.當(dāng)代教育心理學(xué)［M］.北京:北京師范大學(xué)出版社，2007:251.