物理认知结构发展及其特征探析

1、物理认知结构发展及其特征探析（浙江师范大学数理信息工程学院 金华 321004） 摘要：物理认知结 构是物理知识结构和学习者心理结构相互作用的产物，一个良好的物理认知结 构对完善学生物理知识体系，提高学生分析物理问题、解决物理问题的能力至 关重要。本文结合实例探讨物理认知结构发展阶段及其良好认知结构的特征。 关键字：物理 认知结构 特征 1 、物理认知结构的内涵与外延 认知结构（也称 “图式”）指依据学科知识的事实、概念、原理、方法等构成的逻辑体系结 构，通过心理阐释之后而形成的一种组织结构。认知结构具有主观能动性和开 放性的、立体多层次的网状知识结构 , 它既包含有处于低层次的诸如概念、定律

2、 等一般知识 , 又具有处于中等层次的诸如解题方法等中层知识 , 还具有处于高层 次的诸如方法论、世界观的知识。物理认知结构是学习者通过对物理知识的心 理建构而获得的。现代认知心理学研究表明，物理学习过程是物理认知建构和 重建构的过程，在教师的指导下，学生与物理知识之间的学习行为相互冲突或 同化、顺应的过程中重组认知结构。物理学习过程的最优化体现于原认知结构 与新认知结构相互作用的自我监控过程中。学生的物理知识按照自己理解的深 度、广度，结合自我认知的行为方式，组成一个具有内部规律的物理认知结 构，其内容包括物理知识和这些物理知识在头脑中的组织方式与特征。 2 、物 理认知结构水平及其发展阶段

3、 人类对物理知识的认识过程经历三个阶段，在人 类文明早期，人们通过直观感觉，认为有力物体就会运动，一旦力停止作用， 物体的运动也就静止下来，从而形成了以亚里士多德为代表观点：力是物体维 持运动的原因、重物下落的快。在那个时代人们对物理的认知停留在前科学水 平，我们将其称为直观物理阶段，这个阶段还谈不上有条理的知识，大多数直 观经验都是零散的、感性的。事实上儿童早年也是通过观察积累了类似的对物 理的认知，在没接受正规的物理教育之前，他们也可能认为力是物体维持运动 的原因、重物下落的快。 随着人类文明的进步，旧的经验不断被新的有意或无 意的发现所补充或更新，人类对物理的认知逐渐清晰起来，进而形成了

4、比较正 确的认识，并逐步克服前科学的认知，但此时还缺乏规范的描述和合理的知识 结构，我们称之为经验物理阶段，如牛顿之前的一段时期，虽然对自然规律有 一定的了解，但其知识结构零乱不合理。这就如同儿童接受小学、初中阶段的 教育后，对物理知识有一定程度的了解，并能运用一些物理知识解释一些现 象，但离规范的物理认知还有距离。 文艺复兴之后，随着人类进入工业化时 代，人类开始反思自身的认识过程，即开始元认知研究，思考自身的知识结 构；人类进入了规范物理时代，开始用规范的语言和符号来描述物理知识和规 律，这就如同学生开始学习高中物理知识并形成规范的物理认知结构，并且这 种认知结构会随着学生将来进入大学物理

5、专业学习而进一步规范化、合理化。 这里需要指出的是，物理知识结构发展的三个阶段并不是孤立隔绝的，而是重 叠进行的，前一阶段的丰富程度直接影响后一阶段知识结构水平的发展程度。 进一步研究表明，学生物理认知结构的发展过程就是人类认识物理知识过程的 缩影，学生的物理认知结构水平发展也经历类似的三阶段 ,如图 1示。即，直观 物理认知阶段到经验物理认知再到规范物理认知阶段。这三个阶段的发展并不 是独立的而是重叠进行的，比如学生在学习高中力学知识时，许多教师发现有 些学生对力学的某一部人知识理解得较透彻，达到了高中阶段的认知水准，而 对力学的另一部分相关知识的理解，仍停留在初中的认知水平，这就是物理认

6、知结构发展重叠性的反映，其实也反映了学生认知结构发展的不合理性，这必 将影响学生的物理思维能力。此外前一阶段认知结构的丰富程度直接影响后一 阶段认知水平的发展程度。学生的物理认知结构发展水平及合理程度直接影响 着学生的解题能力和物理考试成绩，这就能说明在一个班级当中，为什么学生 的物理能力参差不齐，其物理认知结构发展水平及其结构的合理性的差异是最 根本的原因。 图 1 3 、良好物理认知结构的特征分析 良好物理认知结构的标 志可以从认知结构的内涵与外延看出 , 学习者能否形成良好的认知结构取决于学 生原有的认知结构里是否具有清晰（可辨别的）、可同化新的知识的观念（固 定点、生长点）以及这些观念

7、的稳定情况等等因素。根据美国著名教育心理学 家奥苏伯尔的观点，良好的物理认知结构有以下几个特征，可利用性、辨别 性、稳定性、广阔性、有序性和开发性。认识了这个六个变量对于更好的优化 物理认知结构，改善中学物理教学和学生学习物理有很大的帮助。 3.1 、物理 认知结构的可利用性，即在学生原有的物理认知结构中有适当的起同化作用的 观念可以利用 , 可利用性强调了认知结构的同化作用，同化是指把外部环境中的 有关信息吸收进来并结合到学生已有的认知结构中，即个体把外界刺激所提供 的信息整合到自己原有认知结构内的过程，就像消化系统就营养物吸收一样。 假定学生已学习过力学知识，那么当学生听教师讲解点电荷的概

8、念（刺激） 时，言语（刺激）输入到学生的认知结构（质点的概念）中，学生将原来的认 知结构（质点的概念）根据信息（刺激）做些调整改变，就得到了新的认知结 构（点电荷的概念）。这个过程也许学生还没意识到质点和点电荷之间的类 似，但学生的潜意识中已隐藏着这样的反应：不考虑物体的形状，集中物体所 有质量的点。大脑在这个过程中只需将质量这个属性替换为电荷，就完成了认 知同化。又如电势能的学习可利用原有的重力势能的认知结构快速理解并建立 电势能的认知图式 ,如图 2示。 图2 3.2 、物理认知结构的可辨别性，即新知 识与学习者原有的物理认知结构中的相关观念是可辨别的，或着说新旧知识的 可辨别性。一个良好

9、的物理认知结构，其新旧知识之间应当清晰可辩的。比如 说学生先后学习了平衡力知识和牛顿第三定律知识，如果学生无法准确清晰地 区别平衡力与作用力和反作用力，即没有形成清晰可辩的认知图式，就不能进 行正确的受力分析和问题解答，这在高中物理教学中是经常遇到的。 3.3 、物 理认知结构的稳定性，即同化新知识的原有观念是清晰和稳定的，或着说是同 化新知识的原有知识的巩固程度，这一点直接影响着新知识的理解速度和准确 度。以万有引力定律和库仑定律应用为例，如图 3 所示。 图 3 学生在学习了 万有引力定律后，知道了其适用条件：质点之间。对于实际物体，只有在两者 间距远远大于其本身尺寸时，才可以视作质点，并

10、学习过一种例外情况，即质 量分布均匀的球体，万有引力定律也是适用的；如果一个质量分布均匀的球 体，内部又被挖去一个小球体，计算它与另一个球之间的万有引力，采用的是 “填补法”。当学生学习到库仑定律时，如果对以前学习的那些有关万有引力 定律的知识非常清楚，即有稳定的图式，那么学生就会很快同化与万有引力定 律的相似库仑定律，学生大脑所要完成的信息加工是：点电荷取代质点，外加 真空环境；间距远大于电荷本身尺寸的实际带电体取代间距远大于本身尺寸的 实际物体；电荷分布均匀的带电球体取代质量分布均匀的球体；同样用填补法 求解一个内部被挖掉一个小球体的球形带电体与其它带电球体之间的库仑力。 3.4 、物理认

11、知结构的广阔性，知识容量大，是良好物理认知结构的一个基本特 征。不言而喻，只有具备广阔的物理知识才能为合理地构造物理认知结构打下 必要的基础。物理认知结构的广阔性从量的方面讲，应有知识面广、基础牢固 的特点。这里所指知识泛指物理知识、观念、经验三种成份。从质的方面讲， 应有高质量的知识组块。高质量是指知识“内化”程度高、理解程度深。心理 学上的内化知识是指知识己经转化为自己的心理品质，是经过深刻理解，融会 贯通的知识。这种知识是学生能够迁移，灵活运用的知识。认知结构越广阔， 掌握的知识越丰富，在一定情况下为同化新知识奠定良好的基础，能更好地发 挥正向迁移的作用，我们都知道初中物理成绩好、物理思

12、维能力强的学生，这 在一定程度上反映了学生的物理认知结构较合理，这也进一步反映出学生的物 理认知结构的广阔性，在此基础上，学习高中物理比那些物理认知结构不够广 阔的学生要好许多。 3.5 、物理认知结构的有序性，单纯的物理知识在头脑中 的堆积, 不等于物理认知结构的形成 ,只有使各个孤立、零碎的知识条理化、系 统化, 才能形成具有一定功效的物理认知结构。一个良好的物理认知结构 ,应当 是依据物理知识间的有机联系和逻辑顺序而形成的层次明、脉络清晰、整体性 强的知识体系。脑科学的研究虽然还刚刚起步，但目前的研究已表明人脑对知 识的加工存储和检索提取遵循着某种规则和序列进行的，如果物理知识的存储 不

13、合理，这好比计算机的数据结构算法的不合理，势必使得计算的复杂度和时 间度增加，影响了计算的效率。研究表明物理知识之间也是通过某种键而发生 关联的，比如，学生从一些物理事实中归纳出一个物理主题，当学生想到这个 主题时就会通过某种关联的键，联想到那些物理事实；学生又从许多物理主题 中提炼出物理概念，当然，这些物理概念是建立在那些物理主题之上的；而物 理原理、定理和定律又是建立在物理概念之上的，物理原理、定理和定律是多 个物理概念之间的辩证关系，即物理方法，如图 4示。图 4所反映是整个物理 理论的图式，实际上，在理论框架之下，相应的小范围的物理事实、概念、原 理、定律之间也是按着某种序列存储的。 图 4 3.6 、物理认知结构的开放性， 根据系统理论观点 ,一个系统的开放性越好 ,与外界的“接口”越多 , 其适用性就 越强, 越有利于目标的实现。良好的物理认知结构与其它学科之间能进行相互渗 透, 能在更广泛的知识领域内促进知识的横