基于结构化知识培养学生物理核心素养研究

周小兰　朱凤鸣　马龙　彭芸

摘   要：结构化知识有利于学生掌握学科的核心概念和思想方法，更利于知识的迁移、应用及创新，能为学生适应未来信息爆炸的时代打好基础。一些教师缺乏将知识结构化的意识，难以实施结构化教学。以结构化知识组织单元教学的策略，在教学实践中效果良好，优于传统教学模式，可以提升学生的核心素养，推进区域新课改实践。

关键词：结构化知识；学科大概念；教学策略；单元教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）3-0006-3

1    问题提出

当代教师多数是接受散点和堆栈式教学成长起来的，这部分教师对于所教知识并没有结构化的意识。这就导致他们的学生接受的知识也是散点式的、堆栈式的，很难将知识迁移于新情境。

认知派的教育心理学家布鲁纳认为，人头脑中的编码系统会将有关类别按照层次结构作出安排，较低级的类别比较具体，较高级的类别比较一般。这种结构就是认知结构，一种内在的编码系统。认知结构是人进行推理活动时的参照框架，是人在感知外界时用来作为分类的模式，也为新信息的加工提供依据［1］。

基于上述矛盾和认知结构理论，笔者认为结构化知识有利于学生掌握学科的核心概念和思想方法，更利于知识的迁移、应用及创新。但目前相关的研究比较少，因此探索出高中物理结构化知识的教学策略，是当前培养学生核心素养的关键。

2    关于物理学科大概念

要将知识结构化必须要先找到物理知识结构中的上位概念，即物理的大概念——核心概念。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》［2］中指出，物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面，其中“物理观念”主要包括运动与相互作用观念、物质观念、能量观念等要素。

而在《科学教育的原则和大概念》［3］中列出了10个科学概念，其中与物理有关的科学概念有4个，分别是：宇宙中所有的物质都是由很小的微粒构成的；物体可以对一定距离以外的其他物体产生作用；改变一个物体的运动状态需要有净力作用于其上；当事物发生变化或被改变时，会发生能量的转化，但是在宇宙中能量的总量总是不变的。

以上大概念将是后续结构化知识中物理学科的核心概念的依據，由此得到物理核心概念图，如图1所示。本研究认为，在具体的知识结构化的过程中，应加入更上位的概念，如跨学科甚至是哲学层面的概念。

美国国家研究委员会将“跨学科概念”定义为：跨学科概念是跨越了学科界限的概念，它们在科学、数学和技术等领域经常出现，并且这些概念对解释现象、形成理论、进行观察或设计方案等方面有很大的帮助［4］。美国《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》（以下简称《框架》）确定了7个跨学科概念，目的是为了给学生提供一个用以理解世界的知识构架，并且让学生可以跨年龄段、跨学科地理解和深入学科的核心概念。下面列出了《框架》中的跨学科概念，分别是：模式，原因和结果，尺度、比例和数量，系统和系统模型，能量和物质，结构和功能，稳定和变化［5］。

3    关于课程内容结构化

下面以“物质的运动”主题为例，说明如何将知识结构化，如图2所示。

4    指向学科大概念的高中物理课程内容结构化教学策略

4.1    结构化教学策略的理论依据

布鲁纳根据认知结构理论提出了学习与教学原则的第一条，即注重知识结构。布鲁纳所指的知识结构不仅包括某一学术领域的一般原理，还包括学习的方法和态度，是该学术领域的基本观念［1］。注重知识结构的教学方法意味着不再逐一陈列知识，而应以知识模块为单元清晰呈现结构。现在的物理教材都是将一个模块的知识放在一个单元的，所以物理知识结构化教学落实到平时的教学中当以单元为单位展开，即单元教学。

同为认知心理学家的奥苏伯尔提出了认知同化理论，该理论认为学生是通过新信息与他们认知结构中已经存在的观念发生相互作用来完成有意义学习的，这种相互作用使得新知和旧知发生有意义的同化。根据新旧观念的概括水平及其联系方式的不同，奥苏伯尔提出了3种认知同化过程：下位学习、上位学习、组合学习［1］。

结构化单元教学的思想是以核心概念贯穿始终，且按照奥苏伯尔的理论下位学习比上位学习更容易，故在单元教学之前就应先带领学生回顾涉及本单元知识的上位概念及结构，再将具体知识嵌入相应的结构中。确保以上位概念指导学生的学习，同时又以具体知识的学习促进学生对上位概念的理解，逐渐趋近物理的核心概念。但这并不意味着结构化知识学习中只有下位学习，一般而言，就像人类认识世界之初先由基本事实归纳得出一般性规律一样，在接触新的领域时也有一个自下而上的上位学习过程。所以，学生学习新知的过程往往是下位学习和上位学习交替的组合学习过程。

4.2    以结构化知识组织单元教学策略

下面以教科版教材选修3-4的第一章“机械振动”为例，来说明如何实施结构化单元教学。

一是教师根据物理大概念分主题、分单元整理物理知识结构化体系，类似于图2。做好结构化知识教学的前提是先做到物理知识结构化。

二是制订单元教学目标。单元教学目标的确立依据首先为课程标准，其次是教师对物理学科和结构化知识的理解以及对班级学生学情的了解，然后制订出如图3所示的单元教学目标。

三是单元教学中学生在教师指导下进行上下位学习（图4）。

四是单元结束时指导学生以建构结构化知识为目的的反思学习，即单元的上位学习。

4.3    单元教学的效果

通过在实验班进行三个月的结构化单元教学试验，实验班学生的物理成绩和对照班相比有了明显的进步。实验班的物理平均分相较于对照班从高出1分左右到高出4分多，优秀率从持平到高出6个百分点，合格率从高出2个百分点到高出8个百分点。另外，在一些创新题型上实验班的学生得分率明显高于对照班，这也说明结构化教学有利于学生知识的迁移。

5    结  语

当今世界已进入知识海量增长的时代，大国的竞争最终是人才的竞争。人才不在于掌握了超凡的知识量，人才的首要特征是具有创造性。而由于高考的指挥棒效应，纵然经历了多轮课改，广大师生仍免不了忙于应试，这也使得中国的青少年在国际上的创造力排名不佳。然而，高考仍然是目前最公平的人才选拔方式，无可替代。结构化单元教学是以布鲁纳和奥苏伯尔的认知结构理论为依据，在不增加学生学习负担的前提下，以知识为载体帮助学生在头脑中建立正确的、包容性更强、更利于知识正向迁移的认知结构，从而提高学生的物理学科核心素养，提高学生的创造力，最终实现新课程改革的目标。

参考文献：

［1］陈琦，刘儒德.当代教育心理学（第3版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2019.

［2］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.

［3］溫·哈伦.科学教育的原则和大概念［M］.韦钰，译.北京：科学普及出版社，2011：23.

［4］National Research Council. A Framework for the New K-12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas［S］. Washington，D.C： The National Academies Press，2011.

［5］美国科学教育标准制定委员会.新一代科学教育标准［M］.叶兆宁，杨元魁，周建中，译.北京：中国科学技术出版社，2020.（栏目编辑    赵保钢）

收稿日期：2022-06-19

基金项目：成都市高新区教育发展中心专项课题“基于结构化知识培养学生物理核心素养研究”（GX202082）。

作者简介：周小兰（1983-），女，中学一级教师，主要从事中学物理教学和研究。