探究分布式认知理论下的物理教学设计

徐翠艳 郑冕 符伟

【摘要】随着素质教育理念的提出和运用，人们越来越重视教学过程中对学生综合素质的培育。而其科学观点的革新也加速了人类认知的进步，在这一形势下，分布式认知理念应运而生。它强调人类在获取知识的过程中，是依靠一系列实践活动，通过对较多的分布式信息或系统进行分析，从而在交互过程中获取新的认知。本文通过这一理论知识的启发，在研究该理论的基本内容后，提出了一些将其运用在物理教学设计的一些要点，并通过一些实例分析，研究了教学设计、实现过程。

【关键词】分布式认知 物理教学设计 素质教育

【中图分类号】G642.3 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）39-0121-02

一、引言

我国的教育事业发展较快，近年来开展了一系列教学改革活动，要求教育工作者将学生的综合素质作为教学目标，实现教书育人的目的。在大学物理的教学中，知识点有一定难度，学生需要形成较为系统的知识结构，并具备一定的理解深度，能够将其运用到生活或今后的学习中。分布式认知框架中，学习过程是成为了一种交互体验，在学习者之间；学习者与学习对象之间；学习者与工具之间都形成了较为紧密的纽带。将其运用到大学物理教学中，能够有效提升教学效率，并且这种学习过程产生的结果较为宽泛，符合素质教育理念的要求。基于此，本文研究了大学物理教学中运用分布式理念的重要意义和主要实现途径。

二、分布式认知理论

分布式认知提出较久，它认为人类的认知活动应该是存在社会的各种意识形态中，而不是局限于某一个体。信息包括外部的直接信息和内部的深层表征信息。认知这一概念则存在于各个形态中，包括个体内部、传播媒介、信息所在环境、文化背景、时间状态、以及各个信息之间的关系等等[1]。相比于其他类型的认知理念，可以看出这种理念更符合信息的实际分布状态，也符合人类的正常认知习惯，也更加接近当前哲学意识中的世界原貌观。在分布式认知理念中，信息的分布式是错综复杂的，又是有迹可循的；是深入细致的，又是包罗万象的；是各有千秋的，又是同文共轨的。

因此，分布式认知理念与实际的联系较高，能够产生极高的社会实践价值，将其运用到物理教学中，还能够提升学生对知识认知的全面性，在系统的结构框架中完成涉及范围广、精研程度高的学习行为。这种实践特性为分布式认知在大学物理教学中的运用提供了可行性[2]。而且，大学物理教学内容中，有较多实践行为，要求学生运用丰富的知识解决生活中的问题，且需要运用较深层次的数学知识进行仿真程度较高的模型模拟分析。这也向教学工作者提出了重视知识全面性、真实性、实践性的要求。在这一形式下，将分布式认知运用到大学物理教学中具有重要实践意义。

三、教学设计要求

大学生的学习已经展现出了较高的个体差异，且学生在学习过程中往往有不同的兴趣爱好和志愿发展方向，这就要求在教学方案中实现个体的开放，尊重每一位学生的个体诉求，并使用科学的教学手段和丰富的教学经验将其融入到整体教学活动中。因此，可以开展小组合作模式的教学，将教学知识体现给全体学生，同时产生不同的认知结果。在设计教学方案时，要注意以下几点。

1.问题知识表征

首先，大学物理与高中相比，定律、规律更加抽象，在较多的模拟场景内开展了一些理论研究，导致学生理解这些定律有些困难。教师就可以将这些模拟场景运用多媒体技术展示，通过图像信息的模拟，学生能够形象直观地看到物理教学中一些传统手段无法直观看到的元素，从而提升教学效率。另外，教师在教学过程中需要注意各种信息媒介下知识点的体现方式，将物理规律隐藏在模拟动画中。

2.任务分工

在小组的合作过程中，知识分布的全面化和分散化有较多的任务量，这就需要小组开展良好的分工合作。而且，在教学过程中，学生的个体差异较大，教师的教学活动需要面向全体学生，这就要求教师设计教学的难度梯度，引起所有学生的注意力，在良好的兴趣中开展教学活动。在自主学习过程中，可以多开展探究式内容，并由小组之间的分工合作实现探究内容与学习过程的互联。

3.交互活动

在课堂的教学活动中，存在着学生个体的内部互动，但更多的是学生与学习材料、工具以及教师、同学之间的互动。因此，在设计教学方案时，要将这种互动重点体现，良好的互动不仅能活跃课堂气氛，提高教学效率，还能够降低教学难度，提升学生的学习主动性。

四、物理教学案例

为了进一步分析分布式理论在物理教学设计中的运用效果，本文例举了一些大学物理教学设计方案。

1.巧设问题，归纳知识

在学习这一部分的内容时，主要需要教学的有两个重要的知识点，一是刚体转动的能量定律，二是刚体转动的角动量守恒定律[3]。在教学时，要采取循序渐进的方式，首先向学生介绍力矩做功的相关定，此时要重点介绍右手法则，将力矩的定义和方向判别在深入理解贯彻的基础上融入到“手掌”中。在教学时，教师需要主动引导学生使用右手法则，这种教学互动能够引起学生的兴趣，并且在“手势”教学中活跃了教学氛围[4]。另外，可以向学生提问：为什么要使用右手来鉴别方向？有什么方便的地方吗？左手可以完成吗？通过这种启发式的问题，学生能够更好地理解扭矩，为之后的转动惯量学习打下基础。然后在学习有关转动惯量的内容时，可以利用多媒体技术展现出转动过程的微分思想，并通过一些实例进行分析。

例如某圆盘的质量是m，半径是R，则转动惯量I的计算过程就可以运用以下的微积分思想：

将圆盘分成无限个环装，对其中的一个环求转动惯量，

就有dI=r2dm

因此整个圆盘的转动惯量经过积分计算，就可以得出为mR2/2[5]。

在进行例题教学时，要引导学生进行思考，如何对圆盘进行微分，是按照转动方向的圆心进行逐层分割，还是以旋转轴所在任意平面为标准，进行有截面分割。这样学生能够更好地理解转动惯量的定义和相关概念。使用多媒体技术需要合理，在此处可以运用多媒体技术展示圆盘的微分形式，如下圖1所示。

图1 圆盘微分

在完成该例题的教学后，可以再向学生提问：把圆盘变为圆环，其转动惯量计算方式一样吗？将转轴位置变换，其转动惯量计算方式一样吗？将分析对象换为细棒、求壳、球体等形状呢？然后引导学生开展相应的微积分计算，得出其转动惯量计算公式，不仅实现了知识点的归纳总结，还实现了计算方法的温习巩固。计算结果（部分）如表1所示[6]。

表1 部分计算结果

刚体 转轴 J

细棒（长l，质量m） 过中心，垂直 ml2/12

细棒（长l，质量m） 过某一点，垂直 ml2/3

圆盘（半径R，质量m） 过中心，垂直 mR2/2

球壳（半径R，质量m） 过球心 2mR2/3

2.追根溯源，归纳演绎

在大学物理学习过程中，可以发现很多的教学内容实际都是围绕着同一主线，从小学到大学的学习阶段也是知识点越来越靠近现代，内容越来越抽象的。这是因为，教学过程实际类似于人类对世界的认知过程，越靠近新发现的理论，理解难度就会越高。基于此，可以将知识点的教学融入到物理历史中，在前人的认识发展中寻求更准确、更接近于正确的物理认知。并且向学生僧介绍一种演绎推理的思想，以实际场合的某一具体事件或一系列现象，证明某一理论的正确性。例如，在万有引力的教学过程中，就可以介绍相关的理论和实践证明内容。首先由牛顿提出了理论构想，然后根据这一理论进行计算，发现当前的太阳系行星运行轨道的实际效果与理论有较大偏差，而理论计算的材料则来源于星系观察，因此推算星系观察有所遗漏，并进一步分析太阳系存在着第九行星[7]。最终由天文学家发现了海王星，并与万有引力支持下的理论计算基本符合，由此进一步验证万有引力的正确性。这种归纳演绎、发现证明的方式促进了物理的发展，在发展遇到瓶颈时，通过这种逆向推理，提高了物理发展规律。在大学物理教学中向学生介绍这种思考方式，能够有效提升教学质量，实现学生综合素质的提升。

另外，归纳演绎的方法也可以为学生对某一类知识的认知提供借鉴方法，这也符合分布式认知理论的特性和教学要求。例如在对光的认知教学中，就可以向学生光的波粒二象性认知过程。首先是牛顿提出光具有微粒性，满足了反射等特性，但无法满足衍射等特性；随后惠更斯提提出光具有波动性，能够同时反映光的反射、衍射等现象。然后光电效应有催生了“光量子，”随后，现代物理提出光具有动量，最终爱因斯坦提出光具有波粒二象性[8]。在之后的实验中，这一假说得到了证明。通过想学生介绍认知事物的过程和方法，有助于学生养成良好的物理思维，是一种自然辨证地看待问题的方法。学生学习知识更加宽泛，影响更深刻，理解更透彻，还能将这种思维运用到其他的学科学习甚至生活中，即总结分析现象，进而提出假说，然后修正证明，这种科学的物理思维是大学物理教学的重要内容。

五、结束语

本文研究了分布式认知理论在大學物理教学中的运用，并以实际案例进行了简单说明。在运用分布式理论开展教学时，要注意将教学过程设定得符合大学生群体特征，要具备较高的专业性和全面性，在各个知识点相联系的氛围中引起学生的求知欲。另外，在任何学习阶段，教师都需要注意培养学生的自主学习能力，因此在设计教学方案时，要多设置探究型内容，从而帮助其养成自主学习习惯。在条件允许的情况下，可以由教师带领学生开展系列实验，在亲身实践中领悟更多知识点。分布式认知认为知识存在于各种意识形态中，知识所处的环境、存在的媒介都使认知的一部分。因此，开展物理实验也是分布式教学的重要实现方法，除了本文到的课堂教学方法，在课外实验、实际生活中，学生也可以开展学习活动。

参考文献：

[1]刘海兰.重视物理学思想、方法的教学——大学物理教学设计之二[J].物理与工程，2009，19（6）：17-19.

[2]宋志怀.大学物理课程考核模式改革的探索与实践——大学物理教学设计之七[J].物理与工程，2010，20（6）：13-15.

[3]赵跃英，王祖源.注重基础物理课程与专业学科间的衔接——大学物理教学设计之五[J].物理与工程，2010（4）：7-8.

[4]陆汝杰，宋志怀，吴於人.充分利用物理演示实验培养学生探究未知的能力——大学物理教学设计之六[J].物理与工程，2010，20（5）：10-12.

[5]吴天刚，倪忠强，吴於人.数字化物理教学的设计与实践——大学物理教学设计之三[J].物理与工程，2010，20（2）：10-12.

[6]刘钟毅，吴天刚.贯彻《基本要求》把握教学重点难点——大学物理教学设计之一[J].物理与工程，2009，19（5）：4-6.

[7]姜国栋.浅谈与专业相结合的“三校生”大学物理教学设计新途径[J].科技创新导报，2015（17）：170-171.

[8]杨玉梅，唐远林，王凯俊，等.问题解决教学设计应用于大学物理创新实验的探索与实践[J].物理实验，2012，32（11）：23-27.

基金项目：辽宁省教育科研管理智库项目（ZK2015031）；辽宁工业大学理学院教改项目（201709102）。

作者简介：徐翠艳（1975-），女，汉族，辽宁朝阳人，学历：硕士，职称：副教授。研究方向：理论物理及物理教学研究。