促知识内化的学习活动设计研究*

吴彦文

(华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心 湖北 武汉 430079)

李梦鸽 葛 迪 程家洛

(华中师范大学物理科学与技术学院 湖北 武汉 430079)

1 物理学科教学对知识内化的要求

“致知在格物”，物理是一门主要以实验为基础来研究物质的基本结构、相互作用以及运动规律的系统性与综合性并存的自然科学[1].它的教学目标应定位于“将知识内化为物理核心素养”这个基点.因此，“知识内化”就成为中学物理教学重要的研究课题.

就物理学科而言，知识内化就是使教材内容与学生内部原有的结构化知识建立联系，不断完善成为新的认知结构，同时促进知识向物理素养的转化.物理核心素养涵盖4个要素，分别为“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”[2]，诸要素又按照对内化的要求纵向划分为不同层次水平，如图1所示.

物理核心素养是物理学科人才培养的核心价值体现，这就要求学生在其知识内化过程中，经历基于物理现象完成实验探究的物理建模过程，形成推理论证思维，在探究活动中培养科学的态度与责任.

基于此，本文从知识内化视角分析梳理了“物理课程学习”实践中存在的问题，以促知识内化为核心，进行教学模式设计并进行实证研究，借此提升学生知识内化效果.

2 主要问题与分析

本研究采用网络问卷调查与访谈的方法对华中师范大学2020级的105位在职公费物理教育师范生及其所教的7 250位学生进行“物理课程学生知识内化现状”的调研.经过数据统计分析，学生物理学习存在的主要问题如下.

2.1 师生对物理核心素养内化给予的关注和对学习成绩的期望不相称

调查数据显示，仅有36.77%的学生及47.14%的教师在学习和教学过程中比较关注物理核心素养的提升；23.25%的学生具有较为清晰、系统的知识体系结构；59.45%的学生知识内化层次不高.

针对上述问题，本团队按照随机抽样选取一部分教师进行追踪访谈，教师表示高中物理学习课业任务比较重，全面发展的素质教育理念在高中并没有得到深入普及，致使学生知识学习还以成绩作为主要判定标准.同时促进知识内化的教学理念没有全面贯彻在教学设计中，使得学生知识内化还停留在较浅的层面.

因此，教师在教学设计过程中，可以有意识地帮助学生逐步加深物理观念，运用实验教学法帮助学生形成科学思维以及科学探究意识，同时在探究中内化所学知识，提升学生知识内化层次.

2.2 学生物理实验学习效果有待提高

调查数据显示，76.36%的教师表示教学期间经常带学生进行物理实验探究，仅有6.32%的教师很少进行物理实验教学；同时87.45%的学生认为物理实验对自己学习有很大的帮助，希望通过实验加强自己对知识的理解.对上述数据分析得出以下导致物理实验教学效果差异的原因：某些学校，缺少相应的实验设备使得实验教学无法顺利开展；同时，中学课程安排紧张，实验教学安排相对较少等使得物理实验教学开展受阻.

对此，教师可以利用网上虚拟实验平台，如NOBOOK、物理实验室、手机物理工坊等进行实验教学，使学生切实了解到实验的整个过程，直观感受实验结论，对物理知识有更加深入的了解和认识.

2.3 教师需要强化学生知识体系结构构建能力

调查数据显示，67.56%的学生在物理学习过程中，不能建立清晰有效的物理知识结构，仅有13.12%的学生能够建立逻辑清晰的自我知识结构.

物理学习活动中，学生构建自身知识体系结构的能力有待进一步提高.长期以来，教师以知识点为教学内容，而在学生知识体系构建能力培养方面欠缺系统性培训；同时学生自身因素也会影响知识体系的构建，如学生理解力水平、总结概括能力等.

因此，教师应采用系统化教学策略引导学生循序渐进地构建自己的知识体系结构，进而培养学生科学的逻辑思维能力，落实物理核心素养教育.

2.4 缺失评价学生学习的有效方式

调查数据显示，58.96%的学生和68.45%的教师认为现有教学评价不够全面，不能准确反馈学生学习内化情况.教师在教学过程中，存在过分注重考试成绩的量化评价、缺乏对学生物理核心素养的质性评价以及缺少激励功能等现象.

因此，教师可以充分利用信息化教学平台学生学习反馈数据进行精准评价，从注重结果转向注重学生物理学习过程中物理核心素养表现.同时教师还应该注重评价指标的科学性和过程性，动态关注学生学习过程并给予持续激励性评价，实现学生物理课程学习过程中知识内化过程追踪.

3 促知识内化的学习活动设计案例

基于对上述问题分析，本研究提出促知识内化的学习活动设计模式，主要包括以下3个部分：课前宏观整体思考、课中中观知识构建、课后微观关联生成，从这3个阶段整体促进学生物理知识内化，如图2所示.

图2 促知识内化的学习活动模式设计

3.1 案例设计

本研究以指导公费师范生进行“牛顿第三定律”学习活动设计为案例，如表1所示，分析如何应用改进的学习活动设计模式促进学生宏观、中观、微观层面知识内化的发生.牛顿第三定律是牛顿第一定律和牛顿第二定律的补充，完善了牛顿运动定律的内容.本节课的内容分3个层次，先是作用力和反作用力的概念，接着是作用力和反作用力的关系，最后是作用力和反作用力在生活中的应用.因此基于物理核心素养的教学设计的重点应是学生经历基于实验事实获得牛顿第三定律概念建立的体验.通过前面物理课程的学习，学生对于相互作用力有了一定的感性认识，需要通过大量的实例来深刻理解作用力与反作用力的具体关系，即理解牛顿第三定律的内容，并学会应用牛顿第三定律解决生活中的相关问题.

表1 “牛顿第三定律”教学过程

3.2 教学效果分析

为检验该教学活动设计实例的教学效果，本研究以公费师范生带的356名高中生为调查对象，探究该活动的学习效果.在进行“牛顿第三定律”教学实践后，以问卷形式检测学生物理知识内化能力的变化.问卷数据表明：本课程指导公费师范生设计的促知识内化的学习活动设计对学生知识的内化有一定的促进作用.具体表现在：

(1)在促知识内化的学习活动中，以物理实验进行情景导入，有利于激发学生探索兴趣[3]，这是促进学生形成正确物理观念的重要途径；

(2)以物理知识结构体系为学习路径，引导学生学习系统化，使学生积极参与建立自身知识结构的全过程，可以培养学生科学的思维方式；

(3)依托“进化型”作业将所学物理知识用于解决实际问题，在迁移应用中培养学生科学探究精神，形成科学的态度与责任.

4 促知识内化的学习活动设计的对策与建议

4.1 课前巧设演示实验进行情景导入

物理虚拟实验平台扩展了学生的物理学习空间，使学生可以在具体的实验操作中加深对物理知识的理解，促进物理观念内化的发生.在“信息技术与物理课程整合”中，引导公费师范生结合信息技术进行相关教学实践，例如：借助NOBOOK进行加速度的探究实验；基于DISLab平台探究平抛与斜抛运动，引导学生利用手机加速度传感器软件居家设计圆周运动装置，再结合phyphox的centripetal acceleration功能进行数据的收集，并对数据进行处理；利用phyphox软件测量加速度等.这些实验教学探究能够较好地激发学生潜在的物理学习兴趣，使得物理观念内化于心[4].

课前以DIY实验或虚拟演示实验导入教学情境，可以将抽象、复杂的物理知识以实际直观的方式进行呈现[5]，使学生对物理问题的探究过程有深度的体验感，从而促进学生物理观念的内化.

4.2 依托知识图谱技术

运用知识图谱技术，可从非结构化学习资源中抽取实体、关系等要素，利用可视化技术加强知识的逻辑意义,有利于学生知识结构的系统化，帮助学生完成新旧知识的连接，加速学生实现知识的内化[6],促进学生科学思维方式的发展.经过公费师范生教学实践相关培训，大部分教师都能够有意识地运用知识树、思维导图、知识图谱等方式引导学生完成自身知识结构的构建，从而促进学生物理知识的内化.

在教学实践案例分享中，公费师范生通过线上学习平台发布测试，根据反馈数据精准构建用户画像，然后采用知识图谱技术生成基于物理学科知识体系结构的个性化学习路径.如图3所示，为公费师范生设计的牛顿运动定律知识图谱.

在教学的实践中，引导公费师范生采用知识图谱方法辅课，有利于学生在分析物理问题过程中逐步建立起真实清晰的物理概念，形成科学思维，从而循序渐进地促进知识的内化.

4.3 布置“进化型”作业

在教学评价反馈中，借助“进化型”作业以跨界、多元、有趣和思维表达为特点，实现评价的多元化、精准化、个性化等特点.这就要求教师要以多元评价、精准反馈、持续激励为手段，让学生在完成多元化作业的过程中，在大脑中形成优势兴奋中心，在兴之所至中与已有的知识和经验建立连接，让思维火花在共享中迸发，完善知识结构.

基于物理学科实践性特点设计创新实践型开放作业，将创新实践型活动与物理作业有效融合，变单调枯燥的书面作业为轻松有趣的实践活动.通过进化型作业让学生在动手实践中内化所学物理知识，深化物理核心素养[7]，同时也促进了教学评价方式的多元化.

可见，核心素养教育背景下，教学评价的核心应定位于学生核心素养的发展.根据多元智力论、构建主义以及后现代主义，教师应用信息技术对学生进行全方位多角度评价，可以对教学过程进行及时的反馈和调节.

5 结束语

核心素养视域下，教学形式是载体，知识内化才是核心.为此本文在对教学中存在的问题进行梳理的基础上进行了促知识内化的物理学习活动设计并进行实证研究.教学实践表明：该学习模式使学生通过构建自身知识体系结构循序渐进地完成了从知识认识到知识内化，再到知识升华为物理核心素养的过程，丰富了核心素养视域下的教学模式，实现了课前宏观整体思考、课中中观结构建构、课后微观联系3阶段知识的深层次内化.最后，结合公费师范生课程教学实践，提出了促知识内化的学习活动设计的对策与建议，以期推动学习活动设计纵向深入发展.

随着信息化教学手段与教学方式的不断更迭，本文的研究仍存在着进一步提升的空间.例如：学习平台可引入知识追踪模型精确估计学生知识掌握情况进而推荐更有效的个性化学习资源与知识内化路径；还可以将融合心理学、脑科学的“认知图谱”引入学生知识体系结构构建中，更好地促进学生知识的内化与物理核心素养的融合.为此，本团队仍将进一步探索促进知识内化的学习方法.