动态信息加工模型下的自主科学探究培养学生的物理核心素养

摘   要：知识与实践的双向融合是形成物理核心素养的关键，素养是在理论指导实践、实践创新理论的过程中螺旋上升。模块化的科学探究设计要求学生自主经历探究的全过程，学生提出与生产生活实际相联系的探究主题，在完成项目的过程中随时进行输入、编码、记忆、输出，随学随用，动态建构，即时检验，通过探究自主构建出熟练操作实验的程序性知识及描述实验问题、假设、原理、方案、步骤、数据、模型、结论、误差等的陈述性知识，最后以书面研究报告的形式将记忆表征外显化，由此构建物理观念、形成科学思维、感悟科学家作研究的态度与精神，形成具有专业特征的核心素养。

关键词：核心素养;信息加工;探究实验;长时记忆

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）11-0001-5

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力[1]。科学探究是物理核心素养的一个组成部分，也是一项学习活动，通过有效的科学探究活动能够让学生在探究过程中建构物理知识、形成物理思维、认识科学本质，并形成严谨的科学态度，科学素养在探究活动中动态提升。但应该认识到科学探究不是按照课程标准中的几个步骤的八股式探究，认识到解决同一个问题的方法不是唯一的，而是多种多样的，任何科学知识都不是一成不变的，而是基于证据发生变化的，知识系统是在实践中不断完善的。

物理核心素养最关键的是物理观念的形成。物理观念的学习目的是为了学习者能够用相关知识去解释自然现象和解决实际问题。物理观念总体而言是一种物理的自然观，是在物理知识基础上的提炼和升华[2]。因此，物理观念的形成需要将知识学习、解决问题、具体实践进行有机的整合统一。对于物理学科来说，物理探究实验是一个非常好的学习方式。实验过程是一个不断利用物理知识解决实际问题的过程，实验的每一步都是基于物理科学原理的操作，需要经历提取记忆、操作感知、编码存储、提取应用的动态循环过程。

1    动态信息加工模型

当代认知心理学把人看作是一个积极的、具有主观能动性的信息加工者。人的信息加工过程类似电脑的工作，需要将输入的信息编码为电脑操作系统能够识别的符号（二进制），电脑操作系统再经过符号指令集对输入信息进行编码、存储、输出。符号是泛指代表、表示或意指他物的一切东西。这里的符号既可以是書籍中的符号，如教材中的文字、字母、图示等;也可以是人脑中抽象的符号，如言语、表象等。符号操作系统把人类所具有的观念、能力以及脑内加工的过程看作是一系列符号及其运作的事件。

基于信息加工模型的符号操作系统具有以下六种功能：（1）输入符号（输入）。人能够通过眼睛看、耳朵听、手触摸或手写字来输入符号。（2）存储符号（储藏）。人类把输入的信息保存在头脑中（记忆系统）。（3）建立符号结构。人类通过自己所接收到的信息对符号进行不同的组合，得出新的关系，整合成新的符号系统。（4）条件性迁移（条件传递）。条件性迁移是指某个物理符号系统根据原来存储的信息和当前输入的信息而进行整合的一系列活动，它依赖于已经掌握的符号系统。条件性迁移的假设是：如果满足了某种条件，即如果有了条件A就去执行活动B。计算机完全按照这个程序指令一步一步完成条件性迁移。这也就像人类的心智活动的操作任务。（5）复制符号（复制）。认出符号并能把它原封不动地复制出来，存储到某个地方。（6）输出符号（输出）。输出时把运算、控制、存储装置中的运送结果或信息、符号显示出来或者记录下来的过程。人说话、写字、走路等动作都是输出[3]。

但人与电脑信息加工系统也是不同的，电脑接收信息是被动接受，而人的信息加工系统可以控制主动接收信息。当人们解决自己感兴趣的问题时，发现长时记忆中的知识无法满足解决问题的需求时就会进行执行控制，要求主动输入新信息（知识），再进行编码记忆，与原有认知产生同化或顺应，在学习动机驱使下大脑控制系统会不断进行加工，判断解决问题的知识是否满足，不满足该如何再进行输入、编码、记忆、输出，周而复始，直至最终问题得到解决并以各种形式输出。这样的动态信息加工过程是知识的主动建构过程。当然，如果没有解决问题的兴趣和动机，即使有输入信息，大脑也会拒绝编码记忆。

2    实验探究过程中的动态编码记忆

2.1    实验的感知输入

语义记忆是指一般知识的长时记忆，是人们不知什么时候就已获得的知识;情景记忆是指保存了个人经历或者情节的长时记忆[4]。中学生的认知中已经存储了一定量的物理语义记忆和情景记忆。学生在做实验的过程中情景和语义同时输入：操作真实仪器属于情景输入，与实验相关的原理属于语义输入。两种输入并行有利于编码存储形成进一步的语义记忆和情景记忆。

2.1.1    情景输入与情景记忆

学习动机是主动意义建构知识的前提，实验的最大特征就是输入真实情景，让学生亲自操作。一方面激发学习动机，另一方面可以训练感觉、培养直觉、发展创造力。

学生站在实验台前映入眼帘的是仪器，这些仪器也许有的是已经熟悉的情景记忆，如学生电源、电流表、电压表、变阻器等。但有的却是第一次见到，如变压器、真空泵、发波水槽、传感器等，需要补充到长时记忆中。

感知实践包括感知实验的挫败感。目前，中学物理实验仪器琐碎，质量良莠不齐，元件容易损耗，设备也容易出故障。如一些电学实验按照线路图连接电路时发现用电器不工作或仪表指针不动，学生自己得找到原因进行解决，有时候也许一节课也调不出一个实验现象。让学生真正感知科学家做实验的艰辛，这种难忘的情景输入有利于学生形成情景记忆。

2.1.2    语义输入与语义记忆

物理实验的原理是指用仪器完成某一特定实验而遵循的一般原理。但物理仪器的构造原理比实验原理更复杂，每一个物理实验仪器都是一个工程产品，它们是工程师经历了设计、研发，而最终形成的产品，是多种知识的组合应用。如研究平抛运动的实验仪，其基本实验原理是两个相互垂直方向上的运动合成。但目前中学物理实验仪器有很多种，不同实验仪器的构造原理不一样，有的用斜面控制小球初速度，有的用碰撞控制，还有的用电磁铁控制，这就包括了斜面、碰撞、电磁的原理。很多仪器构造暗含的理论会高于实验学习目标本身。因为实验仪器的构造原理都不是独立的，制造仪器包含着多方面的原理和技术，因此实验过程中需要不断输入和再学习与之相关的理论意义，在实践中进行编码记忆形成知识的语义记忆属于深度学习，比纯书本学习理解得更深刻。做实验的过程中，语义记忆和情景记忆相互促进，对实验原理和仪器构造原理的理解会帮助学生诊断实验过程中出现的故障，寻找解决问题的办法，改进实验仪器;也能够帮助理解真实产品的构造原理，如对偏振实验原理的理解帮助学生理解偏光太阳镜和立体电影的原理。对实验现象、实验原理的解释都属于语义记忆，与学习书本知识不一样的是这种语义记忆是在真实情景感知的基础上建立起来的。由仪器诱导出的思考，也许就是学生的创新之源。

2.1.3    情景、语义的不断输入动态形成陈述性知识和程序性知识

做实验既需要陈述性知识，也需要程序性知识。陈述性知识包括存储于语义记忆和情景记忆中事实的意义，是人们能够用语言描述事物“是什么”和“怎么样”的知识;程序性知识是一套办事的操作步骤，是關于“怎么办”的知识。

做实验最终会形成程序性知识，即熟练操作仪器，知道做实验的每个步骤。形成程序性知识的一种方法就是熟能生巧，我国很多学校对于中考要考的实验就采用这样的办法，反复训练，熟练掌握几个固定实验的操作步骤，但却忽略了实验的意义，变成了动手不动脑的过程，这样也没有达到物理实验的目的。物理实验是让学生学会物理实验研究的方法，由实验学习理论。因此，做物理实验不但需要操作实验的程序性知识，也应该能用陈述性知识解释整个实验过程。即一方面能够熟练操作一些实验仪器，另一方面也能用书面语言编写实验的操作规程、描述实验现象、解释实验原理、处理实验结果等。

按照实验常规，实验前需要通过各种方式为学生输入实验原理的语义信息。教师讲解实验原理是比较快捷的途径。但我们提倡教师提供与实验原理相关的资料，让学生边感知实验情景边输入原理意义信息，让原理指导实验。这时候的学习属于发现式的有意义学习。如在学习声音的传播实验时，可以让学生先进行真空罩实验，感知随着空气的抽出声音逐渐变小，推理得出声音的传播是需要介质的结论，同时也发现实验室仪器无法达到完全不传声的效果，学生会寻找原因，如真空度不够，仪器构造的某些部件（如放闹铃的底座）仍能作为介质传播声音，因此想办法测量真空罩中的气压并改进实验[5]。在这个过程中学生边实验边发现问题、解决问题，同时不断输入理论解释现象，学会控制变量法、理想实验法、推理法等科学方法，体验理论与实践的差距。

超出既定目标的实验现象会诱导出新的实验原理。感知现象的同时必须回忆大脑中储存的物理原理，如果记忆中的知识与现象不匹配，就要重新输入新的物理原理。如楞次定律演示仪是需要验证通过闭合铝环回路的磁通量发生变化时遵循来拒去留的运动现象。学生进一步实验发现，如果在条形磁铁上再吸附一块强磁铁，插入非闭合铝环，铝环也会运动。为了解释这个现象，就需要输入涡流的理论[6]，学习在不经意中就自然发生了。因此，做实验希望学生能够刨根问底、探究原理、发现新问题、学习新知识、激发进一步学习的热情。学生感知实验过程是任何人或媒体都无法替代的，学生在感知实验过程中不断进行同化顺应，动态构建自己的陈述性知识和程序性知识。

2.2    探究学习过程的双重编码记忆

陈述性知识有两种表征方式：类比表征和符号表征。类比表征也叫心理表象，保留原始刺激物或事件的大部分特征，在头脑中形成曾看到物体或事件的心理图画;符号表征是指依赖于人的主观符号的陈述性记忆。语义记忆和情景记忆都可以通过类比（心理表象）和符号（心理命题）的形式进行表征。双重编码理论认为，人们既可以通过心理表象也可以通过心理命题的方式表征信息。要让学生更好地记住信息就要图文并茂[4]。

按照支架式学习理论，实验情景属于搭支架，是协助建构知识的，最终支架撤去后存储在记忆中的是表征为表象和命题的图式结构。就像盖房子，只有支架没有砌砖，那只是个空架子，砌的砖如果不牢固，也会坍塌。只操作实验没有对实验过程、方法、数据、结论进行编码记忆，那就是一个空架子;对上述过程编码但不成体系说明知识是离散的，就不可能形成物理核心素养。

对输入的信息必须进行编码、记忆、输出，学习才能发生。无论实验现象还是实验原理，感官输入后必须要被主体有意识地编码记忆。仅看到现象而没转换为物理术语的编码记忆，实验就是看热闹，看到仪器不会调用大脑中的表象及命题表征对其进行再次编码，原理和实践就是两张皮。

但目前中学物理实验也有一个误区，老师展示精彩的实验，学生兴趣盎然地观察现象，但等到需要对实验现象进行编码记忆时，就变成老师讲解，学生被动机械记忆。因此，我们不能让实验成为活跃感知、惰性编码状态的课程。

对实验现象、实验结果的编码是物理学习的关键环节，可以编码表征为表象和命题。如编码为物理示意图等属于表象，编码为原理定律等属于命题或命题网络。一个物理概念原理可以表示为图形、图示、文字、符号、公式，因此需要表象及命题的双重表征方式。

科学的陈述性知识有别于一般自然语言，科学学习的最终目的是希望学习者能够以书面语言的形式输出。无论是回答考试问题还是设计一个方案，都需要用专业的科学术语、符号、图示等展现出来，即利用大脑长时记忆中的陈述性知识描述出来。因此，描述的水平直接取决于大脑中对各类问题表征的准确性，输出的书面语言表征也能即时检验记忆中欠缺的知识，再进行补充。现在很多学生喜欢做实验观察现象，但不喜欢写书面的研究报告，或者不能用规范的科学语言符号描述实验现象及原理，说明学生对实验情景并没有进行有效的编码记忆或者记忆表征不够准确。

物理实验创设的真实情景方便学生将现象转换为记忆中准确的表象表征。如学生看到图1（a）中磁铁周围小铁屑或小磁针的分布，很容易由图1（a）建立起磁感应线的表象[图1（b）][7]。表象建立起来后，也很容易对表象进行语义编码。用物理学术语言描述或者概述出来，形成命题。

通过磁感应的表象促进形成磁场分布一系列命题描述：磁感应线是在磁场中画一组由N极出发、S极结束的曲线来描述磁场分布的一种图示方法，曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同，磁感应线的疏密程度代表磁场的强弱，条形磁铁两极磁性最强、中间最弱等。经历了观察、编码、记忆、表征四个环节，加工层次越来越深。由实验情景到表象表征要让学生学会如何忽略真实实验现象的一些次要因素，提炼出主要特征，用类比和符号双重表征出物理模型。

科学探究实验的编码从一开始就已经发生，提出并定义问题、形成假设、设计实验方案、设计表格、操作实验、读取数据、记录数据、处理数据、讨论结果等环节都对应着不同的编码形式。现在很多实验的方案设计、表格设计、结果分析都由教师包办，操作也是教师演示一遍，学生依葫芦画瓢，缺失了这些实验环节的自我编码记忆，这对学生科学思维及科学探究核心素养的形成非常不利。若学生不是主动进行自我编码记忆，那么知识就是记住的，不是理解的[8]。

因此，我们希望探究一开始就由学生完成，每一个环节都由学生自觉地输入信息、编码记忆、输出探究实验报告。语言是思维的载体，一份探究实验报告能反馈出学生对实验的长时记忆表征形式，判断陈述性知识在长时记忆中的类比表征和符号表征的程度。科学家的研究论文和研究报告事实上也是陈述性知识表征的外显形式。

3    基于工程实践的中学模块化物理探究实验设计

好的实验设计是为学生搭建一个学习的平台，不是为了做实验而实验，而是为了学习一种实验研究方法，思考实验现象和结论，意义建构知识。著名物理学家卢瑟福的观点就是“实验很重要，但用脑思考更关键”。

学生自主探究需要动手操作、动脑思考。探究的各个环节都应由学生完成，但也不是把学生放在实验室就撒手不管。做实验也需要学生大脑中有一些与实验相关的情景记忆和语义记忆。如果没有实验体验学生会对实验仪器产生操作焦虑，不敢动手。因此，提倡模块化探究，即将探究实验放在一个模块或者一个单元正常学完之后，学生在这个模块的学习过程中经历了教材中安排的所有实验，对一些设备都已经熟悉。模块探究就是把与本学习模块相关的各类实验仪器都摆放在实验桌上，让学生对照这些仪器提出一个探究问题，这个探究问题可以是几个实验的组合，也可以是对比实验，还可以是与生活、生产实践相联系的实验拓展。

例如，电学模块可以提供一些学生电源、电阻、小灯泡、电流表、电压表、电容器、开关、导线等，学生可以在提出“探究家庭灯光的电路设计”或“探究圣诞树彩灯设计”等研究问题后自己开始查阅资料弄清原理、形成假设、进行方案设计、选择仪器、撰写实验步骤、实施实验、记录数据、分析数据、研究实验结果、形成结论或模型、撰写研究报告进行交流等，最终也可以提出家庭灯光或圣诞树布线的工程设计方案。教师可以将这些环节设计为探究实验指导书，并提出一些要求，如在选择仪器时要求学生拍摄仪器照片并进行功能标注，分析数据要求有误差分析等。要求学生边做实验边完成指导书，实验项目结束后提交报告。这类模块化探究可以安排三次课：第一次课学生主要是摸索仪器，提出问题，试着操作，课后设计方案;第二次课是开发实验，完成实验指导书中的相关内容，课后继续完善指导书;第三次课进行汇报交流，以视频或实物形式展示实验作品。学生学完电磁学模块后，利用线圈和磁铁等开发的集成化的电磁演示实验（图2），可以展示磁生电、电生磁及相互作用的多种实验。如图3所示，是学生设计的手摇手电筒模型。这种完全探究根据具体情况一学期可以进行一次，或者以课外学习小组的形式开展，帮助学生获得科学家进行科学研究的真实体验，从中获得成就感。

经过一个模块的学习可以积淀一定的知识和经验，再经历一个模块化的探究项目可将知识与现实问题联系起来，由真实场景激活记忆中的知识元。动脑设计、动手制作加工，在这个过程中攻克一道道难关，最终当看到解决问题后输出的作品时，就会体验到解决问题的成就感。在不断解决问题的过程中使得原有知识、思维、态度得到进一步升华，培养一种潜在科学家或者工程师的素质。

4    小  结

基于动态信息加工理论的探究实验设计强调学生在实验过程中随时进行输入、编码、记忆、输出，随学随用，动态建构，即时检验。实验过程中将深奥的仪器原理、有趣的实验现象、灵活的动手能力、外显化的物理知识和操作相互融合，使得学习者知识、能力、方法多维度发展。通过循环，记忆的加工水平逐渐加深，知识理解得更透彻。中学物理实验不像那些高尖端的集成实验，其精确度不高，实验过程状况百出，是最接近科学家发现物理规律的原始实验。中学物理实验教材中几乎所有实验都需要实验者将多个元件、设备进行设计組装或者搭建，如光的折射需要玻璃砖、激光笔、量角器等;电路的串并联需要导线、电压表、电流表、电源、灯泡。每个元件又有各自的特性和操作规范，实验者从这些仪器本身就能学习到很多物理学的知识。在仪器组装过程中也许会遇到很多不确定因素，出现各类故障，在解决这些问题的过程中，实验者需要查原理、理思路、找原因，这也是一个非常好的学习过程，如灯泡不亮，就学会检查电路，检查接法;静电感应现象不明显是不是还要考虑周围环境及天气的影响，跨学科知识也在实践中自然而然地渗透进来。

基于工程实践的科学探究就是把现实中的真实问题与物理实验联系起来，渗透工程思维和设计思想，条件容许时进行工程实践。物理实验为工程实践构建了理论模型和样本模型，但工程实践时还得考虑很多因素，如时间成本、经济成本、施工难易度等，除此之外还得考虑很多标准，如环保、安全、美学等。因此，工程实践也可以让学生先设计一个方案，在条件容许时再进行具体实践。让学生在渗透工程实践的科学探究中感悟为什么要有终生学习的理念，知道知识是在解决问题的过程中动态形成的，对高标准输出的渴望激发其不断进行学习输入的动机，领悟为什么生产实践和科研领域有那么多的技术难题和科技难关需要攻克，逐渐形成为解决我国“卡脖子”问题作贡献的雄心壮志。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：4.

[2]廖伯琴.《普通高中物理课程标准》（2017年版）要点解读[J].物理教学，2020，42（02）：2-5.

[3]梁宁建.当代认知心理学[M].上海：上海教育出版社，2003：18-21.

[4]（美）斯滕伯格（Sternberg.R.J）.教育心理学[M].张厚粲，译.北京：中国轻工业出版社，2003：248-249.

[5]杨万琴，马静，张轶炳.注射器在与真空度相关实验中的应用及原理分析[J].物理通报，2017（11）：82-85.

[6]张轶炳，祁瑞娟，王芳芳.非闭合导体回路电磁感应现象形成机制的探讨[J].物理通报，2015（11）：20-23.

[7]马静，马文婧，张轶炳.基于科学探究实验的“磁现象 磁场”教学设计[J].物理教师，2018，39（05）：35-38.

[8]陈刚.试论物理学科认知领域的学习分类——学习心理学的视角[J].物理教学，2013，35（10）：7-12+6.

（栏目编辑    廖伯琴）

【专家介绍】

张轶炳（1964-），女，宁夏大学物理与电子电气工程学院教授，硕士生导师。1985年毕业于宁夏大学，2004年获北京师范大学理学硕士学位，2009—2010年于美国俄亥俄州立大学做访问学者。2013年获钟瀚德基金会的全国明德教师奖，2017年获宁夏回族自治区“十三五”普通高校第二批教学名师。曾主持完成国家自然科学基金项目及其他各类课题十余项，发表各类论文七十余篇。