构建物理知识学习的过程模型有效消除学习中的“认知障碍”

张建波

摘 要：本文通过揭示物理知识学习与掌握过程中的动态结构和规律，阐述各个认知阶段和环节之间的联系和转化依据，从而探明哪些认知的阶段或环节出现“认知障碍”的频率较高，以此来构建相应的物理知识学习的过程模型，寻求消除这些障碍的策略，减少低效重复，激发学生学习物理的兴趣，提高教学效率，达到事半功倍的教学效果。

关键词：物理知识学习；认知障碍；过程模型

一、缘起

高中很多学生会出现的问题：听听都懂、做做不会。通过调查发现，物理学科是一个多数人认为偏难的学科。笔者对这个问题进行了一些思考，希望能与各位同行一起分享。

二、探因

物理学习的基础和核心是物理知识的学习。科学的探究思想和逻辑思维能力的提高、物理应用能力的提高、科学的解题方法等均要以物理知识为依据，或紧密结合物理知识的学习而展开。

从认知心理角度来讲，物理知识的学习是学生个体的物理认知结构与物理环境相互作用的过程，也是物理认知结构不断发生变化的过程，即物理心理结构的构建过程。具体而言，学生学习物理知识的过程是不断地形成、发展、完善自己认知结构的过程，也就是使物理现象、物理概念和物理规律在学生心智中合理组合、配置、形成认知网络的过程。从学习的具体过程和认知活动角度讲，物理知识的学习是通过一系列的心理活动，如感觉、知觉、表象、记忆、判断、思维、推理、想象、抽象、概括、具体化、系统化等，对外来信息或存在资料进行加工处理而完成的。即在现实的物理教学情境中，学生对物理知识的学习通常要经历感知物理现象、建立物理表象、形成概念和掌握规律、认知结构重组、运用巩固几个基本阶段。

所以，只要某个认知活动过程出现偏差，或在某个学习的基础环节上出现“认知障碍”，即会妨碍学生进一步有效学习，阻碍形成完整的知识网络，造成学生“听听都懂、做做不会”的问题。不少学生正是由于逾越不了物理学习中的障碍而丧失继续学习的信心。要改变这种局面，教师就得深入研究学生物理知识学习的过程，新旧知识衔接的环节和转化通道，从中探索和发现学生在哪些节点上会出现认知障碍，其特点和形式有哪些，如何有效地消除这些认知障碍，避免学生浪费时间和精力去填平知识的鸿沟，跨越认知障碍，把他们从“题海战”的泥潭里拔出来，减轻学生的负担，帮助学生更高效地进行有意义的学习。

三、行动一：研究物理知识学习的具体过程，探求“认知障碍”出现的环节和表现形式

1.人的认识过程模型

2.物理知识学习和掌握过程中的典型认知阶段和环节

（1）物理知识是人类认识物质运动规律和物质结构的具体成果，是物理学习的直接对象。物理知识包括物理现象、物理概念和物理规律三个要素。

物理现象即实验基础以及自然界中与物理有关的实际现象。它们可以通过感官观察或借助仪器观测对自然界和实验室中发生的物理事件直接描述。如：“电流的磁效应”“电磁感应现象”“自由落体运动”“薄膜干涉现象”“彩虹”等。

物理概念是组成物理知识的基本元素，是一类物理现象的共同特征和本质属性在人脑中概括和抽象的反映。物理概念的学习在整个物理学习中处于核心地位，概念理解得如何从根本上决定了学习的效果。

物理规律是物理知识的骨架，它表现为若干物理概念之间的内在联系，反映出物理现象和过程在一定条件下发展、变化的必然趋势。物理规律的学习同物理概念的学习一样，在整个物理学习中居于核心地位。物理规律的描述往往有三种基本形式，即文字叙述、数学公式和函数图像。对物理规律的掌握程度直接决定学生应用能力的高低。

（2）不同类型的物理知识对思维活动的要求侧重点不同，但都要遵循认识活动的基本规律。关于人的认识的发展过程，列宁曾作过这样的概括：“从生动的直观到抽象的思维，并从抽象的思维到实践，这就是认识真理、认识客观实在的辨证的途径。”对物理知识的认知过程正是经历了这样的途径，通过认识上的两次飞跃而不断完成的。抓住了认识上的两次飞跃，就抓住了物理学习认知过程的关键。

第一次飞跃，即从感性认识上升为理性认识的飞跃。感知阶段是感性知识的形成过程。物理知识学习中有两种感知形式，一种是以观察实验为形式的对正在发生的物理现象的感知，另一种是以听讲、阅读为形式的对教材中材料的感知。比如，在感知单摆运动的观察实验中，要测量摆动周期，就需要学生用眼盯准摆同平衡位置重合的时刻，同时用手起动秒表，用口数着摆动次数，用耳鉴听自己的读数。当看到摆最后一次通过平衡位置时，及时止动秒表。整个过程交织着多种感官活动，在观测中互相制约、协调进行，使学生对单摆的运动获得比较完整的感性认识。

建立物理表象阶段是对感性知识的加工改造，是从具体感知到抽象思维的过渡和桥梁。表象既是对事物的直接和形象的认识，又是对事物的初步概括和抽象的认识，表象是从感知过渡到思维的中间环节。在物理知识的学习中，学生自觉地进行表象活动，利用表象使物理概念形象化，促成从形象思维到抽象思维的转化，从而顺利地掌握概念。例如：学生在学习电磁感应现象时，通过观察实验获得了一些物理现象：导线在磁极间作某种运动时，连在电路中的电流会显示回路中有电流产生；当磁铁插入或拔出线圈时，与线圈相连的电流表会显示线圈中有电流产生；当改变原线圈中的電流时，与副线圈相连的电流表会显示副线圈中有电流产生。从中概括出：在与电流表相连的回路所包围的区域中，如果磁场有了变化，电流表会有电流产生。

形成物理概念和掌握物理规律是学生将感性认识上升到理性认识的核心阶段。本阶段实质上是思维过程。具体而言，学生经过感知而获得的物理表象在认知结构中原有知识经验的支持下，转化为头脑中的抽象规定，是通过分类、概括、抽象等思维加工活动完成的。例如，在理解“位移”这一概念时，要明确：①为什么引入这一概念？②它的内涵，如是描述什么的物理量？是否是矢量？它的大小和方向如何定义？它的单位是什么？③它的外延，即概念所反映的本质属性的对象，也就是概念的适用范围。④了解它与路程的区别与联系。物理规律是物理过程中各概念之间的必然联系，是在形成物理概念的基础上进行的，它的主要思维活动是抽象、判断和推理。

物理认知结构的重新组合阶段是感性认识上升到理性认识的一个重要环节，它是一个回忆、归类、概括、判断、推理、分析、综合的思维加工过程。物理认知结构的变化，主要是使头脑中已知的散乱的物理现象形成秩序，或使头脑中的知识结构扩展、更新或重建。例如，学生在认知结构中已经有了相互并列的概括：纸片比粉笔下落得慢，纸团和粉笔几乎同时落地。两种现象的对比能够推理得出没有空气阻力，不同质量的物体下落速度一样。这样就会改变以往的认知结构，使物理知识结构重新组合。因为理解了，所以容易记住。

第二次飞跃，即通过运用知识解决物理问题的过程，学会应用物理知识解决实际问题的方法。一方面，需要从已有的认知结构中提取有关的知识和方法；另一方面，解决问题将巩固、深化、活化认知结构中的已有知识，并有可能进一步丰富认知结构的内容。通过解决问题，学生灵活地把理性知识运用于实际，思维从抽象上升到具体，使知识从弄懂到会用，从而完成认识上的第二次飞跃。具体而言，学生通过感知、表象、形成概念、整合，对所学的物理知识已有所领会，但实际掌握过程到此并没有完结，而是在教师的引导下提出更深层次的问题，需要在新情境中推广、应用物理知识。

3.物理知识学习和掌握过程中各阶段之间的联系及转化依据

首先，这些阶段是由低到高、由简单到复杂依次深入和上升的，后一阶段都是在前一阶段顺利完成的基础上实现的，同时后一阶段又是前一阶段的提升和发展。

其次，实现各环节的顺利转化的依据是：（1）完整地观察实验、模型，仔细阅读教材、查阅数据，并能正确体会其中含义，同时激活已有知识，将新、旧知识有机结合起来，归纳、概括出概念、规律和定律。（2）正确理解概念、规律、定律的要素，并有迁移应用的能力和分析、辨析新问题的能力，并顺利延伸到实践应用中。

上述这些必须条件或依据中，只要其中某一环节或节点出现认知障碍，物理知识的学习就会中断或变得零散，不成系统，还会导致其他环节出现学习障碍，在应用时遇到困难。所以有必要测查在哪些环节上最易出现认知障碍。

4.物理知识学习环节中的认知障碍的特征及表现形式

根据笔者的教学实践，有意识地针对学习困难学生的认知阶段进行观察，并进行一年的跟踪测查，方法主要有“谈话法”“分析诊断法”“自我反省法”等。最终总结出以下几种典型的认知障碍。

（1）感知信息障碍。物理学是一门实验科学，离开了对正在发生的物理现象的观察，物理学就成了无源之水，无本之木。但由于实验观察的局限性，查阅资料、数据的不完整性，感知物理环境的局限性，会造成感知信息障碍。例如，没有观察到足够多的电磁感应现象，就不可能很好地理解和掌握电磁感应这一概念，更不可能理解电磁感应定律。

（2）新旧知识衔接障碍。新知识在形成结论前往往需要以旧知识作为依托，由于没有及时巩固，遗忘率较高，使新旧知识不能有机地连贯起来，造成新旧知识衔接障碍。例如：在应用牛顿第二定律解决动力学的两类基本问题时，有的学生把匀变速直线运动的基本规律及一些推论忘记了，感觉无从下手，难以掌握。

（3）相关知识干扰障碍。物理概念之间既相互联系，又相互区别。学生在学习物理概念时，常常不能区分相邻、相近的物理概念。例如，很多学生不能正确区分速度和加速度的概念，在理解速度和加速度的概念时，所犯的错误主要是：不能把特定的瞬时速度和特定的时刻联系起来；不能区别速度和速度变化，忽视速度发生变化时的时间间隔；另外，还有前科学概念对物理概念的干扰。学生在学习物理之前，头脑中并不是一张白纸，他们从日常生活中积累了不少与物理有关的感性经验，对事物的物理属性有了一定的认识，形成一定的观念，即前科学概念。其中有些经验形成的观念是错误的或片面的，从而干扰了正确概念的形成。例如：认为铁球比纸团下落得快；摩擦力总是阻碍物体的运动；甲把乙推倒了，说明甲推乙的力比乙推甲的力大；物体受力才运动等。

（4）知识迁移障碍。由于对概括得出的结论的本质要素理解不够深刻、清晰，所以缺乏对知识进行模仿、延伸、再造的能力。因此，即使是简单的模仿应用都不顺畅，更不用说将知识进行变换、联想、类比了，从而造成知识迁移障碍。例如，如图所示，AB是半径为1米的光滑圆弧，在A点与水平面相切。已知AB弧长为4厘米，现将一质量为m的小球从B点由静止释放，设小球下滑到圆弧低端A所需时间为t，为使小球下滑时间增为2t，可采用下列方法中的哪一种？

A.小球质量增加为原来的两倍

B.将圆弧的半径增加为原来的4倍

C.将圆弧的长度增加为原来的两倍

D.将小球从圆弧的中点C有静止释放。

有的学生把简谐运动的周期公式背得滚瓜烂熟，但若换成上题，很多学生却答不上来，这就是迁移障碍。其实只要将小球的运动看成是单摆，问题就迎刃而解。

（5）定势作用的障碍。在学习过程中经常受到心理定势或知识定势的影响，主观意志凌驾于客观分析之上，只会沿着一个方向挖掘，不善于变换角度思考，从而造成认知障碍。例如，有一人在匀速行驶的列车上竖直向上抛出一小球，则小球将落在抛出点的：

A.前面 B.后面 C.原地 D.無法判断

很多学生会选B，这就是思维受到定势作用，认为小球在做竖直上抛运动这段时间里，列车在向前运动，而忽略小球在抛出时同时还具有向前的速度。

（6）知识体系形成障碍。由于已有的物理知识结构不清晰，概念模糊，在已建立起来的长时记忆系统中各知识点的横向联系和纵向层次关系不是很明确，造成新知识纳入困难，找不到合适的归属位置，从而使得知识零散，不仅不能运用自如，而且容易遗忘，这便是知识体系形成障碍。

例如，在学完了高中力学部分内容以后，在脑子里分散着很多概念、定理、定律、原理，搞不清各部分之间的逻辑关系，不明确各知识点在知识结构中所处的地位，各概念及规律之间的联系与区别，找不到力学知识体系的主线——力和运动的关系，直接影响知识的整体应用。

综上所述，学生在学习过程中往往受到上述认知障碍的阻挡，而不能顺利地完成学习任务，所以需要构建一种学习的过程模型，在实施过程中教师进行有目的的引导和训练，针对性地消除学生可能出现的认知障碍，从而避免学习中的低效重复，切实减轻学生的课业负担，提高学习的效率。

四、行动二：构建物理知识学习的过程模型，探求克服认知障碍的策略

知识的掌握必须通过一系列的认识活动才能实现，因此，从物理知识学习与掌握过程的动态规律入手，构建一种物理知识学习的过程模型、它的特征是符合人的认识活动规律，按学习和掌握知识的各个认知阶段和环节安排学习过程，有目的地在学习过程中进行针对性训练，以便帮助学生成功逾越认知障碍，提高学习能力，激活学习氛围，使学生能够愉快地进行自主学习，最终达到提高成绩的目的。

1.物理知识学习过程模型的基本结构

2.在课堂教学中贯彻过程模型的实施，实现有效克服认知障碍的策略

在课堂教学中教会学生“怎么学”，即帮助学生构建物理知识学习的过程模型的初步框架，让学生了解怎样去观察、思考、概括，如何编织出知识网络，建立完善的物理知识的基本框架，同时训练学生研究和认识事物的科学方法，即观察现象、发现问题、提出假设、查阅资料、用实验验证得出结论。通过观察、操作、分析、整理、类比、归纳等过程，提高学生的观察能力、实验能力、思维能力、创新能力等。在整个高中阶段的物理知识学习中让学生逐步熟练运用该过程模型进行自主学习，并在学习过程中不断地加以完善。

下面就“平抛物体的运动”一节课谈谈如何结合课堂教学中实施该过程模型，及如何有效地将克服认知障碍的策略有机地结合到教学实践中。

（1）課前预习，消除新旧知识衔接障碍。有意识地指导学生课前复习相关旧知识。教师在引入时，只需简单的几句话就能迅速地切入正题，达到激发学生求知欲的目的。如布置课前预习物体做曲线运动的条件，牛顿运动定律的内容，匀变速直线运动的基本规律，运动的合成遵循的规律，等等。

（2）指导直观，消除感知信息障碍。本节课的重点是研究平抛运动的规律，关键是做好演示实验和分析闪光照片。教师要用启发性的、能揭示要点的语言指导学生，设问应有一定的梯度，让学生在探究过程中经过努力就能达到目标，从而将学生的注意力和思维不断引向深入，激发学生的内在动力，实现自我发展。例如，通过演示1（沿水平抛出一小球）让学生看到平抛运动的轨迹，得到物体做平抛运动时，在水平方向和竖直方向都有运动这个事实，然后提出研究这两个方向上的运动具有什么特点；出示演示2（用平抛竖落仪演示同时做平抛运动的小球A和自由落体运动的小球B同时落地），使学生认识平抛运动在竖直方向的运动是自由落体，提示想进一步知道平抛运动在水平方向是什么运动怎么办？这时及时出示平抛运动的闪光照片，提出分析他人的实验结果，也相当于做实验，并让学生通过自己的操作得出结论。

（3）帮助概括，消除知识类化、整合障碍。解析上述两个演示实验和闪光照片，依据表象及获得的实验信息，概括出平抛物体在水平方向的运动是匀速的，在竖直方向上是自由落体运动，这两个运动互不干扰、相互独立。在此基础上，让学生通过所学的动力学知识去认识其中的道理，引导学生自己列出一条知识主线，得出平抛运动的规律，并将它纳入质点的机械运动一类。

（4）设计习题，消除迁移障碍及思维定势障碍，巩固、深化所学知识。在学生知识迁移能力较弱时或新知识层次较高完全领悟较困难时，要避免设计跳跃性训练题。应从低层次开始，逐渐提高，先让学生学会简单地模仿，再上升到会变换角度思考，并进一步要求他们独立联想、对比。例如，理解了平抛物体在水平方向的运动是匀速的，在竖直方向上是自由落体运动，得出平抛运动的规律以后，就可解决一些实际问题。

例题1 飞机在810米的高空中水平飞行，速度是252千米/小时。为了使飞机上落下的物体能落在指定地点，应该在离开指定地点的水平距离多远的地方落下？物体落地时速度如何？

例题2 在水平路上骑摩托车的人，遇到一个壕沟（如右图所示），摩托车的速度至少要有多大，才能越过这个壕沟？

在“新课教学”以后围绕本节课的重点知识安排“课堂讨论”，帮助学生概括、消化、理解所学的内容。

讨论1 用m、v0、h分别表示平抛运动物体的质量、初速度和抛出点离水平地面的高度，在这三个量中：A.物体在空中运动的时间是由————决定的。B.在空中运动的水平位移是由————决定的。C.落地时瞬时速度的大小是由————决定的。D.落地时瞬时速度的方向是由————决定的。

讨论2 伽利略在1638年写的《两种新科学的对话》一书中曾说，一颗石子从船上一根桅杆顶上落下时，不论船是静止的还是匀速航行的，它都将落在桅杆的脚下，并亲自做了这个实验。请由平抛运动的规律解释这一现象。

讨论3 一架飞机水平匀速飞行。从飞机上每隔1秒钟释放一个铁球，先后共释放4个。若不计空气阻力，从地面上观察4个球，下列说法正确的是：A.在空中任何时刻总是排成抛物线，它们的落地点是等间距的。B.在空中任何时刻总是排成抛物线，它们的落地点是不等间距的。C.在空中任何时刻总在飞机正下方排成竖直的直线，它们的落地点是等间距的。D.在空中任何时刻总在飞机正下方排成竖直的直线，它们的落地点是不等间距的。

讨论4 猎人用枪水平地射击停在树枝上的一只猴子，就在子弹从枪口射出的瞬间，猴子从树上由静止开始自由落下，子弹能击中猴子吗？为什么？

通过讨论不仅可以活跃课堂气氛，让学生积极参与，充分体现学习的主动性，还可以使学生加深对平抛物体运动规律的认识，并能从多角度去理解题目所给的物理过程，往往可以使学生大开眼界，既能拓展知识，还能培养学生的想象能力。

五、实施物理知识学习之过程模型的效果调查与反思

在对所教班级的后十五名学生跟踪测查近一年后，掌握他们频繁出现认知障碍的几个环节，让他们严格按照上述过程模型进行明确的学习，教师采用针对性措施，尽可能预防和消除其中的认知障碍。经过一年多的实践，获得了较明显的效果。

首先，这些学生对物理学习的畏惧情绪有了很大的转变。从原来一看到物理题就怕、烦，慢慢转变成可以接受，甚至有些喜欢，并能主动地发问。

其次，在学习过程中学生自己学会了各种物理学习方法。如问题讨论法实验探究法、局部探求法、对比练习法、信息综合法、推理学习法，等等。众多的学习方法交替应用在学习过程中，从而对各种物理学习方法熟练运用，大大提高了物理学习的效率。

再次，学生在不断使用各种物理方法解决实际问题时，物理学习能力大幅度提高。如运用实验的方法，锻炼了学生的观察能力、设计能力、操作能力；在实验设计和问题讨论过程中，强化了逻辑思维能力、发散思维能力和创造思维能力；在查阅资料解决问题时，提高了阅读能力、自学能力、获取信息的能力。

总之，构建物理知识学习的过程模型，其主要目的是改变传统的教学观念，把学生当作学习的主人，让学生主动参与学习，明确学习的各个环节和步骤，看到自己在学习中的问题所在。同时掌握科学的学习方法去探究物理知识的本质和内涵，充分开发学生学习的潜能。教师在学习过程中起好导演和点拨的作用，帮助学生去跨越知识的鸿沟，消除认知障碍。实践证明，按这种过程模型学习，学生不仅学会了知识，更掌握了学习方法，提高了学习的能力，绕过了学习过程中的拦路虎，让学习由被动转为主动，切实地减轻了学生的负担，真正做到高效有意义地学习。

参考文献：

[1]阎金铎.物理学习论[M].南宁：广西教育出版社，1996.

[2]阎金铎.物理思维论[M].南宁：广西教育出版社，1996.

[3]皮连生.教育心理学——献给教师的书[M].上海：上海教育出版社，2005.

[4]官文栎.走进高中物理教学现场[M].北京：首都师范大学出版社，2011.