知识表征的FIS-PM模型与微型物理知识分布图的制作

郭芳侠 贺江江 李 静

(1.陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西西安 710062;2.延安市黄陵县黄陵中学，陕西黄陵 727300)

1 问题提出

已有的知识表征的理论主要关注知识在头脑中的形成、表征、储存和激活等心理特征，这对于我们深刻理解知识的形式心理特征具有重要意义［1］.除此之外，我们还应该充分关注知识的内容和组织结构、知识的建构过程和应用知识解决问题等的教学心理特征.在实际物理教学中，学生往往不能准确、深入地理解所学知识，不重视知识得来的过程，疏于总结知识得来背后蕴含的科学研究方法和应用知识解决问题的方法.这些方面的缺失或不足使得他们在知识习得和能力培养等方面出现困难，甚至失去学习的兴趣.如果能将基本物理知识和与之相关联的科学方法层次分明、主次分开，科学地呈现出来，以帮助学习者理解知识、建构知识和解决问题，学习的效率便将大大提高.

新一轮的基础教育新课程在物理学科方面将过程与方法和知识与技能放在同等重要的地位［2-3］.由此可见，非常有必要指导学习者深入理解学科的基本知识和基本方法为原则来表征知识，进而以简单、直观的形式将其呈现.

2 知识表征

奥苏伯尔将认知结构定义为:“个体的观念的全部内容和组织，或者，就教材学习而言，指个体的特殊知识领域的观念的内容和组织［4］.”现代认知心理学认为:狭义(静态)认知结构与人的长时记忆中的信息储存模式有关，是人脑中的内存结构或知识库结构，也被称为“信息表征”或“知识表征”［5］;广义(动态)认知结构加工制作出的各种经验、观念和知识，都能以静态的模式存放在人脑的内存结构中，形成人脑中十分庞大的知识库［6］.基于认知信息加工理论，笔者认为狭义认知结构指学习者以代码、程式、模式3种形式存储于头脑中的观念的内容和组织.知识的产生离不开人们对客观世界的实践和思维的交互活动，这个过程本身就蕴含了“得来什么知识”、“知识怎么得来”和“得来知识的方法”这3个方面的知识.据此，我们可以将知识分为陈述性知识、程序性知识和模式性知识.

2.1 陈述性知识表征——FIS模型

安德森从信息加工的角度，把知识分为陈述性知识和程序性知识.陈述性知识是关于“是什么”的知识，是对事实、定义、规则和原理等的描述［7］，有3种表征的形式:特征、形象和语义.特征即事物的特点和特性;形象即事物的表象;语义即个体对事物作出的语言描述，体现了个体对事物的理解、应用和评价等.按照概括程度的高低，陈述性知识可分为事实陈述性知识和概括陈述性知识.前者较具体，后者较抽象，这种具体和抽象具有相对性.例如，“苹果”既可以包含不同品种的“苹果”:“富士”、“红星”、“嘎拉”等，又可以作为“水果”的一种.

基于认知信息加工理论，陈述性知识的3种表征形式可以看作是据以认知加工的“代码”.这样，陈述性知识就可以用一张直观的“代码语义”网络进行呈现了.这种代码语义网络具有类目、层级、直观等特点，笔者称之为FIS(Feature Image Semantic)模型.

2.2 程序性知识和模式性知识的综合表征——PM模型

我国传统教学中所认为的“技能”范畴仅仅相当于程序性知识中的行动序列方面，而将程序性知识的模式辨别归为“知识”范畴，这实际上是不恰当的.现代认知派心理学家经大量的研究表明，模式辨别知识的获得、保持、激活过程的规律与行动序列知识是相同的，这表明模式辨别与行为序列实际上是同类知识［1］.我们可以将安德森提出的“程序性知识”进一步划分为程序性知识和模式性知识.受计算机程序执行的编码映射、编程操作和编态控制的启发，笔者作如下阐述.

程序性知识是陈述性知识认知映射下的认知操作程序的知识，体现为个体头脑中具体的认知加工过程，由一系列从事实条件性知识到事实结果性知识的程式组成.程式即“产生”，是程序的基本构成单元，在头脑中以“如果……，那么……”形式存储的执行事实.在程序执行过程中，有时上一个程式推得的“结果”并不是下一个程式执行所需的完备“条件”.这时，学习者需要通过思维活动添加新的“条件”，整合构成下一个程式执行的“条件”，实现程序的持续执行.

模式性知识是程序性知识认知操作下的认知控制模型的知识，体现为具体认知加工过程所参照的规则、方法和策略，由一系列从概括条件性知识到概括结果性知识的模式组成.模式即“产生式”，是模型的基本构成单元，在头脑中以“如果……，那么……”形式存储的执行规则.

模式是从多个类似的程式抽象概括出来的产生式规则，而模型是从多个类似的程序抽象概括出来的产生式系统.程式、程序、模式和模型都是由代码构成.笔者将这种程序性知识和模式性知识综合表征的理论称为PM(Program Model)模型.

2.3 知识表征——FIS-PM模型

综合3类知识表征的理论，笔者提出知识表征的新理论:FIS-PM模型，如图1所示.知识表征通过“中心词”与一系列的代码、程式、程序、模式、模型相联系.这种联系在学习者具体的认知活动中，伴随着感觉、知觉、回忆、联想、思维等认知特点得以体现.代码以合理的分布位置与“中心词”连接，位置分布的合理性依据它们之间联系的紧密程度，通过位置的相对远近体现.联系越紧密，相对距离越近.从根本上说，“中心词”与代码间的联系紧密程度由认知加工活动的需要来确定:是否以及多大程度上有利于知识的建构、理解、记忆和问题的解决等.

图1

3 例析微型物理知识分布图的制作(以“质点”为例)

将知识表征的FIS-PM模型与物理学科相结合，则有物理学科领域的陈述性知识包含物理事实、物理概念、物理定理、物理定律、物理定则、物理推论等要素性知识;物理学科领域的程序性知识包含具体情境下物理工具的使用、物理实验的操作、物理知识的建构、物理问题的解决等过程性知识;物理学科领域的模式性知识包含物理思维方法、物理科学研究方法、物理问题解决方法等方法性的知识.也可以说，物理知识由要素性物理知识、过程性物理知识和方法性物理知识构成.过程性知识是要素性知识和方法性知识联系的纽带，基于要素性知识，而受方法性知识指导，是学习者技能运用的实际体现.3种知识互相联系，组成了一个有机的物理学科领域的知识体系.下面，笔者以人教版高中物理必修1教材中的“质点”为例，制作一个具体的微型物理知识分布图.

3.1 解读新课标，确定“质点”在知识与技能和过程与方法2个维度的教学要求

《普通高中物理课程标准》中“质点”的内容标准:通过对质点的认识，了解物理学研究中物理模型的特点，体会物理模型在探索自然规律中的作用，认识在哪些情况下，可以把物体看成质点［2］.解读新课标，将其转化为物理教学目标.知识与技能维度要求学生认识建立质点模型的意义和方法，能根据具体情况将物体简化为质点，知道科学抽象是一种普遍的研究方法.过程与方法维度要求学生体会物理模型在探索自然规律中的作用，初步掌握科学抽象理想化模型的方法.

3.2 根据知识表征的FIS-PM模型，确定与“质点”相关的3类知识

3.2.1 陈述性知识

(1)特征:质量、大小、形状、点、条件、理想化物理模型;(2)形象:地球的公转运动、地球的自转运动;(3)语义:质点是只有质量，而无大小和形象的点.质点是一种理想化的物理模型.将物体看成质点是有条件的.例如，在地球的公转运动中，地球可以被看成质点;在地球的自转运动中，地球不可以被看成质点;(4)其他概念:机械运动、参考系、坐标系.

3.2.2 程序性知识

(1)程式:在地球的公转运动中，地球的直径不足它到太阳距离的万分之一，所以地球可以被看做质点.(2)程序:为了简洁地描述老鹰从山顶A飞到山顶B的机械运动，老鹰的形状和大小不利于简洁地描述老鹰的运动，是次要因素，将老鹰看成一个点;老鹰的质量是它的固有属性，是主要因素.这样，我们就可以将老鹰看成一个质点了.

3.2.3 模式性知识

(1)模式:在机械运动中，如果物体的大小和形状对所研究的运动是次要因素，那么物体可以被看做质点.(2)模型:为了简化研究对象以利于问题的解决，研究者需要突出研究对象的主要因素，忽略研究对象的次要因素，将研究对象抽象成一个理想化物理模型.

3.3 确定内容要素和联系紧密度分值

“质点”的内容要素(不含语义)有:质量、大小、形状、点、条件、理想化物理模型、地球的公转运动、地球的自转运动、机械运动、参考系、坐标系.“质点”及其内容要素间的联系紧密程度分为5级:不紧密、不太紧密、一般、比较紧密、非常紧密，分别用1-5的分值表示.

联系紧密度分值根据以下2个方面整体确定:其一是“质点”在知识与技能和过程与方法两个维度上的教学要求;其二是“质点”及其内容要素间是否以及多大程度上有利于物理知识的建构、理解、记忆和问题的解决等.要素和其自身联系的紧密程度用“∞”表示.如果要素之间没有联系或者联系无意义，则用“-”表示.

笔者通过与课程专家、一线物理教师访谈得出“质点”及其内容要素间的联系紧密度分值，如表1所示.

表1

3.4 制作微型物理知识分布图

根据知识表征的FIS-PM模型和表1，笔者制作了“质点”的微型物理知识分布图，如图2所示.“质点”作为中心词向外辐射出多个内容要素、语义及与之相关联的问题解决方法和科学研究方法.各要素除了与“质点”联系，它们之间也有联系.例如，质量和点、大小和形状、地球的公转运动和地球的自转运动这3对要素之间也具有一定的联系.从老鹰运动的分析得出其可以被看作质点和抽象得出理想化物理模型这两个过程的各个步骤相互联系，前者是具体的知识建构过程，后者是知识建构所参照的科学研究方法.

图2

4 结语

知识表征的FIS-PM模型的提出基于认知结构的定义，弥合了新课程的基本理念，针对物理教学中面临的主要困难和问题.其最主要的优势是使得知识得以形象化，利于对其记忆和提取.微型物理知识分布图的制作基于知识表征的FIS-PM模型，精要、直观地呈现了基本物理知识内容要素的结构、建构过程和科学方法3方面的内容.制图过程便是对物理知识进行解构与整合的思维过程.学生各自制图，教师组织讨论，可使他们对物理知识形成丰富、准确的理解.微型物理知识分布图的合理应用想必能够促进实际的物理教学，至于成效如何还需进一步实验和改善.一线教师和课程专家可制作多个模块化的微型物理知识分布图，将其建设成学生可通过手机、电脑等终端获得的物理课程资源库.这样， 学习的发生就可以突破时空限制，实现“任何人”在“任何时间”处于“任何地方”都可以学习.如此一来，学生学习物理将变得更加高效、便捷!

1 莫雷.知识的类型与学习过程［J］.课程·教材·教法，1998(5):20-24.

2 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准［M］.北京:人民教育出版社，2003:1-12.

3 中华人民共和国教育部.全日制义务教育物理课程标准［M］.北京:北京师范大学出版社，2001.

4 皮连生.奥苏伯尔的教学论思想［J］.外国教育资料，1991(1):35-44.

5 迟希新.试析人类认知结构的基本组成与功能［J］.呼伦贝尔学院学报，1999(2):34-36.

6 张富昌.认知结构与脑结构在主体认识加工中的作用［J］.西北大学学报，1995(1):44-50.

7 陈琦，刘儒德.当代教育心理学［M］.北京:北京师范大学出版社，2007:251.