韓艷華

摘要：促進(jìn)學(xué)生物理思維能力發(fā)展一直是物理教學(xué)的終極目標(biāo)。關(guān)于學(xué)生物理思維能力在以往的教學(xué)中過多探討的是思維的分類，沒有形成在教學(xué)過程中可操作的思維層級。本文結(jié)合物理教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容有針對性地提出促進(jìn)學(xué)生物理思維能力的策略。

關(guān)鍵詞：Solo；知識結(jié)構(gòu)；思維；物理思維能力發(fā)展

中圖分類號：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-1580（2017）12-0025-03

促進(jìn)物理思維能力發(fā)展是物理教學(xué)過程中的重要問題。由于受升學(xué)壓力的影響，許多物理教師和學(xué)生無暇顧及物理思維能力的發(fā)展和應(yīng)用物理知識解決物理問題的方法以及策略提升的研究。而物理思維能力的發(fā)展和解決物理問題策略的形成，是影響一個學(xué)生終生學(xué)習(xí)能力的積極重要因素。本文主要依據(jù)solo分類理論，結(jié)合物理學(xué)科特點(diǎn)對物理思維能力進(jìn)行層級分類，探索在教學(xué)過程中促進(jìn)學(xué)生物理思維能力發(fā)展的策略。

一、Solo理論

“SOLO”是英文“Structure of the Observed Learning Outcome”的首字母縮寫，意思是“能觀察到學(xué)習(xí)成果的結(jié)構(gòu)”。Solo理論起源于英國心理學(xué)家艾德文.皮爾（Edwin Peel）的研究成果，澳大利亞的教育心理學(xué)家JonhB.Biggs和Kevin F.Collis發(fā)展了其理論體系，并提出：學(xué)生在學(xué)習(xí)一門新學(xué)科時，剛開始是以量的方式獲得彼此不太相關(guān)、零碎的內(nèi)容，但隨著學(xué)習(xí)過程的不斷深入和發(fā)展，學(xué)生的學(xué)習(xí)由原來對知識量的積累逐漸發(fā)生質(zhì)的變化，把以往看似零散的、不成系統(tǒng)的知識相互連結(jié)起來，形成一個前后相互聯(lián)系的整體知識組塊。在學(xué)生思維最高層次上建立起相應(yīng)的抽象體系，衍生出新維度，如形成新科學(xué)假設(shè)以解決以前從未遇到過的問題。

Biggs和Collis把學(xué)生對某部分知識內(nèi)容學(xué)習(xí)的過程和結(jié)果由低到高劃分為五個層次：知識學(xué)習(xí)前知識結(jié)構(gòu)、認(rèn)知知識過程中單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用知識解決問題過程的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、提升解決問題通過時的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和促進(jìn)思維發(fā)展的抽象拓展結(jié)構(gòu)。

（一）知識學(xué)習(xí)前知識結(jié)構(gòu)

在未接觸本知識前學(xué)生對與本知識相關(guān)的問題，只是一些感知層面的認(rèn)識，沒有邏輯關(guān)系，基本上不能運(yùn)用其解決具體的問題，當(dāng)然對于與本知識相關(guān)的問題也談不上去解決。

（二）認(rèn)知知識過程中單點(diǎn)結(jié)構(gòu)

學(xué)生對于一些關(guān)于什么是什么的公式應(yīng)用條件有了一些初步的了解，對于一些簡單、可直接應(yīng)用公式得出結(jié)論的問題形成一定的思路和方法，但只是一一對應(yīng)地去解決問題。

（三）應(yīng)用知識解決問題過程的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)

學(xué)生在已有的陳述性知識的基礎(chǔ)上，已經(jīng)掌握一些運(yùn)用公式和規(guī)律解決一些涉及程序化的問題，初步形成運(yùn)用物理規(guī)律解決問題的思路和方法，并在一定程度上能把有關(guān)的思路整合成一個有效的方法。

（四）提升解決問題時運(yùn)用的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)

學(xué)生已經(jīng)形成了關(guān)于某一類問題的多個思路和方法，并在一定程度上可能找到與此情境相關(guān)的物理思維方法和解題策略，并能把這個方法有意識地遷移到另一個問題情境中去。

（五）促進(jìn)思維發(fā)展的抽象拓展結(jié)構(gòu)

學(xué)生能夠?qū)σ呀?jīng)學(xué)習(xí)和解決過的物理問題有意識地進(jìn)行抽象的概括，從方法論的高度來分析問題、提升方法，同時從類別和問題的本質(zhì)上進(jìn)行有意義的拓展。

Solo是一個立體的、由點(diǎn)到面、由簡單到復(fù)雜的思維結(jié)構(gòu)，它摒棄了以往只是在宏觀上探究學(xué)生思維能力的弊端，能夠從具體可操作的點(diǎn)人手，有針對性地探討學(xué)生思維能力的量與質(zhì)的關(guān)系，從而更加科學(xué)、合理和客觀地評價學(xué)生的物理思維能力。

二、物理思維能力形成的動態(tài)過程

物理思維能力的發(fā)展和解決物理問題策略的形成是影響一個學(xué)生終生學(xué)習(xí)能力的積極有效的方式和方法。關(guān)于物理思維能力的發(fā)展一直以來各家看法各不相同，但大都停留在對能力的分類方面，而真正從能力的層次上加以評價的卻是少之又少。

熱力學(xué)第一定律是高中物理選修3-3第十章第三節(jié)內(nèi)容，普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對它的要求是：能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界中能量的轉(zhuǎn)化問題。選修3-3中比較核心的兩部分內(nèi)容：一個是氣體三個定律和理想氣體狀態(tài)方程；二是熱力學(xué)第一定律。在教學(xué)過程中，其定律內(nèi)容描述很清晰，學(xué)生從表面上也能理解得很好。它的結(jié)論是在前兩節(jié)功和內(nèi)能、熱和內(nèi)能兩節(jié)的基礎(chǔ)上得出的，應(yīng)該說從知識的邏輯體系而言是很清晰的。在知識講解過程中，讓全體學(xué)生都處于單點(diǎn)結(jié)構(gòu)也完全可以做到，但課程標(biāo)準(zhǔn)把熱力學(xué)第一定律定位在：能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界中能量的轉(zhuǎn)化問題。要達(dá)到這樣的目標(biāo)，僅有單點(diǎn)層次知識結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)層次知識結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，最終要達(dá)到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)甚至于抽象擴(kuò)展層次。那么，如何從單點(diǎn)知識結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)知識結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到相關(guān)知識結(jié)構(gòu)呢？

（一）單點(diǎn)知識結(jié)構(gòu)

1.作功可以改變物體的內(nèi)能，用公式表示W(wǎng)=△U。

2.系統(tǒng)不從外界吸收熱量，也不向外界放熱，這樣的過程叫絕熱過程：Q=0。

3.熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能：Q=△U。

4.熱力學(xué)第一定律：一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它做的功的和，公式：△U=Q+W。

（二）多點(diǎn)知識結(jié)構(gòu)

1.做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，其效果是相同的，但其本質(zhì)卻是不同的，做功改變物體的內(nèi)能是能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，熱傳遞改變物體的內(nèi)能是熱量由一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體上。

2.一個系統(tǒng)如果是絕熱過程，也就是此系統(tǒng)既不從外界吸收熱量，同時也不會向外界放出熱量，那么此過程就隱含著：（1）系統(tǒng)是密閉的，如果不密閉就會有熱量的交換了；（2）系統(tǒng)內(nèi)的研究對象質(zhì)量是不變化的，如果變化，則其能量就變化了。

3.一個系統(tǒng)向外做功，必消耗能量，則w為負(fù)，我們就說功為負(fù)，即W<0；外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)獲得能量，我們就說功為正，即W>0。endprint

4.由前概念已知W=Fx

F=Ps

W=Psx=P（V2-V1）=P△V

（三）關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)

1.分子平均動能和分子勢能之和，統(tǒng)稱為內(nèi)能。分子平均動能是物體溫度的標(biāo)志，若物體的溫度相同，則其平均動能就相同，因此，物體的溫度變化是物體內(nèi)能變化原因之一；分子勢能是由于分子間的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致分子勢能發(fā)生變化，分子之間的距離發(fā)生變化，其宏觀表現(xiàn)為體積變化，因此，物體的體積變化是物體內(nèi)能變化的另一原因，因此，溫度和體積是決定物體內(nèi)能的兩個因素。如果研究對象是理想氣體，由于理想氣體是一種理想化的模型，它成立的前提是分子之間沒有相互作用力，也就是說，理想氣體的分子沒有分子勢能，其內(nèi)能僅由溫度決定，與分子間距離無關(guān)。即理想氣體的內(nèi)能只是由溫度決定，與體積無關(guān)。

2.熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律結(jié)合在一起解決問題，在理解熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上，熟練掌握氣體三個實(shí)驗(yàn)定律及三個實(shí)驗(yàn)定律的圖像，能準(zhǔn)確判斷出氣體變化過程中壓強(qiáng)、體積和溫度的變化。如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓變化到狀態(tài)B，此過程，氣體的壓強(qiáng)P=1.5×10⁵Pa，吸收的熱量為Q=2×10²J，求此過程中氣體內(nèi)能的增量。

要解決這個問題，首先想到單點(diǎn)結(jié)構(gòu)：

①熱力學(xué)第一定律W+Q=△U；

②明確氣體從外界吸收熱量Q=2×10²J；

③氣體體積減小，外界對氣體做正功，那么W=？

要想解決這個問題，只擁有單點(diǎn)結(jié)構(gòu)就不夠用了。

多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，W=P△V；要實(shí)現(xiàn)求W，我們必須得知道從A狀態(tài)到B狀態(tài)的過程中體積的大小。A狀態(tài)體積已知，可是B狀態(tài)的體積不知道。要想解決這個問題，就必須結(jié)合氣體的狀態(tài)看圖像了。

關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)：氣體從A狀態(tài)經(jīng)等壓變化到B狀態(tài)，AB是一條等壓線，則從A到B，由蓋一呂薩克得V2=2升，則由此可得W=P△V=1.5J，Q=200J，則△U=W+Q=350J，此題正確解決。

三、促進(jìn)學(xué)生思維由單點(diǎn)結(jié)構(gòu)向關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)展的策略

物理思維能力的形成是建立在具體的物理知識基礎(chǔ)之上的，但不等同于擁有物理知識物理思維能力就能自動形成。物理思維能力的形成不是具體物理知識的簡單積累，而是在對具體知識的本質(zhì)屬性概括提升的基礎(chǔ)上，發(fā)展出超越具體知識，拓展到解決其他問題的帶有方法性質(zhì)的思維方法。從知識的發(fā)生發(fā)展及變化過程來看，我們大致可以把知識分成三種類型：一是陳述性知識，也就是知道“什么是什么”，如力是物體和物體之間的相互作用；二是程序性知識，就是關(guān)于“怎么辦”“怎么做”的知識。形成程序性知識過程的第一步就是要掌握本知識組塊中的陳述性知識，陳述性知識經(jīng)過各種變式訓(xùn)練，以產(chǎn)生式進(jìn)行表征和存儲于學(xué)生知識網(wǎng)絡(luò)中，并逐漸形成自動化的技能；三是在一定情境中，程序性知識依據(jù)圖示被逐漸提取出來，并應(yīng)用于解決具體問題。如玻意耳一馬略特定律本身是陳述性知識，應(yīng)用定律解決實(shí)際問題時就是程序性知識。應(yīng)用本定律解決等溫問題時，首先要確定研究對象，其次看的是初狀態(tài)參量，再看經(jīng)過狀態(tài)變化后，它的質(zhì)量和溫度發(fā)生變化的情況。如果m和T都沒有發(fā)生變化就滿足P1V1=P2V2，代人數(shù)據(jù)就可以求得結(jié)果。這是一道典型的“怎么做”的問題，只是相對新手和相對專家有些差別：學(xué)生作為相對新手，從知識角度擁有陳述性知識，不會應(yīng)用陳述性知識解決具體問題；作為相對專家的教師就要先從單點(diǎn)結(jié)構(gòu)的思維方式引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用陳述性知識，當(dāng)單點(diǎn)知識在某一知識點(diǎn)上讓學(xué)生應(yīng)用成熟了，就要擴(kuò)展難度，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用知識解決問題，最后生成自動作化解決這一類問題的方法。當(dāng)程序性知識形成自動化后，就要引導(dǎo)學(xué)生從單一的解決問題的方法跳開，從多角度多維度考量應(yīng)用知識的角度，對同一類型問題構(gòu)建一個模型。三是策略性知識，它是知識的最高境界。它從程序性知識形成自動的過程中，引導(dǎo)學(xué)生跳開具體物理問題的情境總結(jié)方法，從建立物理模型的角度引導(dǎo)學(xué)生去思考問題，不是單點(diǎn)對單點(diǎn)，而是單點(diǎn)集合體對關(guān)聯(lián)，這樣才能使學(xué)生會一題，知一類，提方法，促模型，有效地促進(jìn)思維的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)向多點(diǎn)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。endprint