物理（心得）之“先行组织者”在物理教学中的价值、应用与设计

物理（心得）之“先行组织者”在物理教学中的价值、应用与设计

物理论文之“先行组织者”在物理教学中的价值、应用与设计 ‎ ‎“先行组织者”在物理教学中的价值、应用与设计曾 志 旺  （玉环楚门中学  浙江玉环317605） 一.问题的提出“先行组织者”简称“组织者”，最初由美国认知派心理学家奥苏贝尔（Ausubel）于20世纪60年代提出，旨在利用同化学习机制从而实现有意义学习的一种教学技术，区分为“说明性组织者”和“比较性组织者”。后经查德.梅耶（Mayer.R.E）等人的后继研究而深入发展。前者主张以较抽象概括的囊括性材料，给学生以适当的上位概念，再遵循从一般到特殊的渐进分化原则，最终使新旧知识融会贯通，趋于协调。后者则主张以形象具体的模型充当组织者，为新的学习提供必要的准备。运用“先行组织者”的目的就是从外部影响学生的认知结构，帮助学生在原有的认知结构与新知识之间建立起一座桥梁，顺利完成学习任务。它可以是一条定律、一个概念、一则故事、一个图表……“组织者”的主要功能就是在学习者能够有意义地学习目前课题之前，在他已经知识的东西和需要知道的东西之间，架起一座沟通的桥梁。物理教育教学实践中，一线教师经常要根据新授物理知识内容的特点和需要，结合学生已有的知识经验、思维发展状况，精心设计“先行组织者”作为前期教学内容，以期通过这样的“组织者”‎ 学习和教学，为随后展开的新课题学习探究提供认知上的帮助。从学习心理视角看，这种“先行组织者”是对物理学习有何价值？物理教学中应如何应用？物理先行组织者设计时应遵循哪些原则？无疑，对这些问题的深入探讨和研究，有助于一线教师对“先行组织者”重要性认识和设计应用能力的提高。     二.“先行组织者”对物理学习的价值对学生生理和心理产生影响的事件都会不同程度地影响学生的学习，其中最主要的影响因素包括学生已有的认知结构与知识原型（如知识的数量、知识的清晰性、知识的稳定性及知识之间的联系等）、学习兴趣和态度、学习内容的难易、学习指导与学习条件等等。国内学者认为先行组织者对学习的作用主要体现在促进学习动机的强化和影响学习的全过程（信息加工过程）。我们受此启发并结合物理学科特点，将物理先行组织者对学生学习物理新课题的作用价值分为：唤起注意、增强兴趣、提供储备知识、建立外在联系、促进记忆编码、提取和迁移知识6个方面，它们对学习过程促进作用如上图1所示。1.唤起对学习内容的注意    学习者对学习内容的注意，实质上是对外来信息的注意。美国心理学家梅耶认为，到达短期记忆的外来信息的有效分量主要取决于学习者的注意量的大小；同时，这部分外来信息的形式又主要受学习者的注意的选择性的影响。先行组织者本身具有较好的“依附”和“锚固”功能，能为学习者提供有效的脚手架，同时能促进学习和防止错误干扰。例如，高中物理第三册“核力”‎ 内容时，教师先让学生估算原子核内相邻质子间的库仑力大小，在算得结论 后，教师指出：原子核一般是由众多质子和中子构成的稳定实体，中子和中子间、中子和质子间不存在库仑力，而在质子间却存在如此巨大的排斥库仑力，原子核是如何做到维持稳定的实体状态的呢？教学中如此设计先行组织者，以疑问的口吻激发学生的好奇心，可有效地唤起学生对新学习内容“核力”的有效注意。2.提供储备知识学生在面临新的物理学习情境之前，已在长期记忆系统中贮有大量的物理知识和策略，但却往往难以正确的联想和适当地利用，而先行物理组织者的主要功能之一即适时地为学习者提供这些储备知识、激活那些贮存在记忆深处的知识经验和策略，并使新内容与学生认知结构中的有关观念清晰地关联起来。因此，有利于学习者重视自己认知结构中已有的物理概念和知识，并在此基础上灵活运用构建新的物理知识，从而促进其物理新内容的学习及随后的保持。例如，“振荡电路”的主要元件是电容器和电感线圈，理解电磁振荡现象的关键是理解电容器的充、放电特性和线圈的自感特性。因此，提供或激活学生记忆系统中的电容器充放电特性和线圈的自感特性知识并加以灵活运用是高中物理“电磁振荡”课题教学的基础，为此设计比较性先行组织者如下：投影图2和图3电路，引导学生进行实验回顾和现象分析。在学生通过实验分析总结出结论“电容具有充、放特性，能储存和释放电能（电场能）；电感具有自感特性，能储存和释放磁能（磁场能）”‎ 后，教师指出：如果我们让一个已充电的电容器跟一个电感线圈组成图4回路，那么回路中的电流会有怎样一种情况呢？这个先行组织者充分提供或激活了关于电容和电感特性的原有知识储备，有利于学生形成电磁振荡现象的理论猜想，为后继探究性学习的展开奠定基础，同时使新知识（电磁振荡现象）较好地纳入原有的认知结构，从而获得意义而被长久地记忆。         3.建立外在联系建立外在联系主要是指学生将贮存于长期记忆系统的物理储备转移到短期记忆系统，然后能将新旧知识加以统整，用自己的物理语言形式将信息呈现出来。而先行组织者最重要的作用即尽可能缩短学习者已有储备知识与新的学习内容之间的差距，有效地将两者联系起来。奥苏贝尔强调，先行组织者的主要功能是在学习者学习新内容之前，在其已有知识与新知识之间架设一道桥梁，而这种功能促使学习者对将要学习的较细节和较分化性的教材，能更稳固地加以结合与保持。我国已故学者施良方也主张在实际教学中应重视先行组织者的这种“桥梁”、“线索”或“支架”‎ 作用。例如，在教授课题《电场力做功与电荷电势能变化的关系》内容时，先设计一个比较性先行组织者：比较电荷在电场中的运动与物体在重力场中的运动，把电场中的电荷类比为重力场中的物体，把电场类比为重力场。由于物体在重力场中运动时重力势能的变化与重力做功的关系是已知的，先行组织者明确指出，就功和能关系而言，电场中的情形与重力场中的情形是完全相似的。因此，先行组织者建立了重力场知识电场知识间的联系，有利于学生对电场知识进行同化学习。4.激发学习兴趣教育心理学一般将学生的智力因素看作学习的操作系统，而将学生的非智力因素（如学习兴趣、热忱）视为学习的动力系统。不难想象，没有动力系统参与的物理学习将会相对比较困难，因此，激发学生的物理学习兴趣非常有利于促进学生的物理学习。一线物理教师较多地倾向于通过如下两种方式设计先行组织者以激发学生的学习兴趣：一是以引人入胜的实验现象激发“直觉”兴趣，另一是通过引发思维矛盾的悖论激发“探究”兴趣。例如，“电容器充放电”教学时设计先行组织者：先把日光灯电容器接入直流高压电源充电，取下后短路放电，学生在看到耀眼的闪光时，还同时听到尖脆的声响；再取一只电解电容器，充电后与音乐片相连，奏出了悠扬悦耳的乐曲声；最后将大型示教电流表接入电容器的充放电回路，观察电流大小和方向的变化。这个先行组织者声光并茂、形象直观，非常有利于增强学生的学习兴趣和对电容器充放电现象本质的理解。“电压表和电流表”教学时，针对学生初中形成的前观念“电压表在任何情况下都可以看做开路”， 图 ‎ ‎ 5 设计先行组织者：让学生把两个阻值很大的电阻R1、R2串联起来，接在稳压电源的两端，用同一只电压表先后接在R1、R2两端，依次测出电压U1、U2，再计算U1和U2之和，然后再用一只电压表测出串联电路的总电压U，学生惊奇地发现，U明显大于U1、U2之和，这一出乎所料的结果导致了认知矛盾、造成了惊奇和疑问，促使学生高热忱地投入到后继新内容的学习和探究中。5.促进记忆编码 图   6 如前所述，先行组织者有利于学生将新的物理学习内容同化到原有的认知结构中，且有助于新知识的“锚固”。然而在新旧知识相互作用过程中，若学生能进行有效的记忆编码，使新旧物理知识水乳交融，使新知识纳入学生原有认知结构网络的适当位置，那样新知识就难以发生所谓的“意义遗忘”，从而变得更为稳定。例如在“机械波形成”课题的教学中，可用“角色扮演”作为先行组织者：要求学生（9人）在课堂上表演大型团体操活动中的人浪，学生通过交流讨论、彼此协作逐渐解决了表演中的不协调问题，利用手肩互搭，上下依次蹲起表演出图6所示的波形图。这个先行组织者的设          计发挥了学生的聪明才智，学生在具体的活动情景中体验了机械波形成的原理，从而深刻理解媒介中质点运动与波传播的关系。学生在活动中的情感交流与真实体验会有助于其进行新知识的编码。另外，先行组织者的利用过程，也是旧知识的复习与应用过程，这也有利于原有知识的保持与稳定。 表  1   项    目 波动图象 振动图象   相似性  ‎ ‎ 图象的形态 纵坐标的意义 各质点偏离平衡位置的位移 质点偏离平衡位置的位移     差异性 研究对象 连续介质 振动质点 图象意义 某时刻介质中各质点的分布（集体照） 质点位移随时间的变化（录像） 图上反映的量 (1)某一时刻各个质点的位移 (2)A， (1)质点在各个时刻的位移 (2)A、T 图线变化 随时间推移，图线不断变化 随时间推移，图线不断延伸 振动方向的判断 “微平移”法等 “爬行法”等  ‎ ‎6.提取和迁移知识大多数情况下，物理问题并非直接把原有的知识提取出来便能得到解决，而是需要学生对大脑中的原有知识进行筛选与组合，有时甚至需要改变对某些原有知识的看法，即对物理知识进行迁移才能解决问题。然而，影响知识的提取与迁移的因素包括知识的清晰性、稳定性、可辨性、知识间结构的良好性，以及一些与问题解决有关的策略。先行组织者可在一定程度上促进上述因素朝着积极的方向发展，因此有利于科学地提取和迁移知识，正确地实现问题解决的目标。如“波的图象”学习后，教师设计比较波动图象和振动图象异同的先行组织者（如上表1所示），通过比较深化了对振动图象和波动图象共同性和差异性的理解，增强了波动图象知识的清晰性、稳定性和可辨别性。有利于学生准确地提取和迁移相关知识解决波动图象问题。三.“先行组织者”在物理教学中的应用策略先行组织者教学策略，近年来在原先奥苏贝尔定义的基础上获得了长足的发展。现在认为，组织者一般呈现在新知识的教学之前，但也可放在新知识学习之后呈现。它既可在抽象和概括水平上高于新学习材料，也可低于原学习材料。物理教学中设计先行组织者时，应先分析学生的认知结构，并且深刻剖析新旧知识间的联系，然后对新旧知识进行加工、提炼，形成组织者。在教学中物理教师要根据不同的教学内容（概念教学、规则教学等）、教学目标及学生的具体情况，灵活变换“先行组织者”的运用策略。          图 ‎ ‎ 7 1.轶闻策略轶闻策略即教师把选定的组织者以新闻、故事、或史料的方式呈现的一种教学策略。这种策略有助于教师创设有效的问题情境，激发学生的求知欲。如讲解物理史作为组织者，向学生介绍物理学家的小故事，从学习态度上影响学生，给学生提供学习的榜样。有研究表明在态度的学习和改变中，榜样人物是最主要的条件之一。另外还可用我国在物理学方面的贡献作为组织者来引入新内容，如学习“声现象”时，可介绍一些中国古代在声学方面的贡献：西周时期，见于《诗经》记载的乐器就有29种，据北魏郦道元《水经注》卷三十四《江水》记载：陈遵在造江陵堤（公元512—518）时，曾利用鼓声推算高地的高度，可能是利用鼓声的传播速度推算的。著名的北京天坛中的回音壁、三音石与圜丘都巧妙地利用了声的反射效应，还有河南郏县蛤蟆音塔，四川潼南县大佛寺的石琴等。这些介绍可以激起学生的民族自豪感，而态度又具有情感成分，因此也能激发学生学习的愿望，自然对新的学习内容产生期待。2.图解策略图解策略即教师用图解的方式呈现组织者。图解形式作为吸收新知识的锚固点和贮存室提供给学生，便于物理新知识的学习与保持。如在学习平抛物体运动时，可设计如右图7所示的图解式组织者。教学时如果能结合CAI课件使用，就可借助多媒体的强大表现力，使图解中的图形元素由平面变成立体，由黑白变为彩色，由静态变为动态，增强其感染力，促进学生与此“组织者”的概念交互。3.比较策略比较策略是指教师把与将要（或已经）学习的新知识点存在某种对比性的旧知识作为先行组织者的一种教学策略。通过新旧知识点共同性和差异性的比较，可以有效地克服由于“前摄效应”和“后摄效应”‎ 导致的新旧知识的互相干扰，增强相似相异新旧知识在认知结构中清晰性、稳定性、可辨性，从而有利于知识的保持记忆和学习迁移。例如，学习功概念符号表达中的正负号意义时，以比较矢量和标量描述中的正负号意义作组织者；学习平衡力概念时比较先前学过的相互作用力；学习动量知识时，将它从物理意义、数学式、矢量和标量、适用场合各个方面与动能概念进行比较；学习动量定理时与动能定理比较；学习动量守恒时与机械能守恒比较；学习波动图象时与振动图象比较；学习热学内能概念时与温度、热量进行比较；学习电场强度公式 时，将它与 、 进行比较等等。4.类比策略类比策略是指教师把与将要学习的物理新知识存在某种共性的旧知识作为先行组织者的一种教学策略。例如学习电阻概念时，类比密度的概念，首先复习密度的相关知识，同一物质的质量与体积的比值为定值，定义密度为单位体积的物质的质量，计算公式为 ，它不随质量和体积的变化而变化，密度是物质的属性，所以密度不与质量成正比，也不与体积成反比。电阻概念是通过实验数据引出的，用导体两端的电压跟导体中电流的比值来表示导体的电阻，计算公式为 ，它不随电压和电流的变化而变化。导体的电阻是导体本身的性质，与外加的电压及通过导体的电流无关，所以导体的电阻不与电压成正比，也不与电流成反比。 与 ‎ 是物质密度和电阻的量度公式，而不是他们的决定表达式。类比策略有利于学生把握新旧知识间的共性，能有效地提高记忆编码的效果，另外在类比的过程中也包含物理知识与方法的迁移，并且教会学生辨认知识的本质特征，因此有利于学习迁移、问题解决及把新知识纳入已有认知结构中去。5.生活体验策略生活体验策略是物理教师将“从生活走向物理、从物理走向社会”的理念应用于物理教学，把学生的生活体验作为“组织者”的一种物理教学策略。学生与学习目标有关的知识往往不会自动地被迁移，不一定都会成为学习物理新知识正迁移的来源。教学中设计“先行组织者”可以支持教师实现学生已有知识发生正迁移的愿望，就可以在学生已有的生活体验和教师制定的学习目标之间建立起联系的桥梁。例如，“电场强度”概念E的常规教学中，学生对“为什么要引入检验电荷？”“为什么要进行F与q的比？”“比值F/q为何叫该点的电场强度？”等问题是不很明了的，即发生元认知性思维障碍。为此，设计如下先行组织者。师：风是看不见的，如何测定风力的强弱？生：用一个物体挡风，测试风力的大小。师：物体受到的风力与挡板的面积有关吗？关系如何？生：与面积成正比。师：将风力F与挡板面积S的关系写成F=kS，则k=F/S，请讨论比值k的意义。生：k表示单位面积所受的风力，表征了所测的风力强度。          ‎ ‎ -------。这个先行组织者的设计可以有效地唤起学生已有的生活经验，并且有利于学生将其中的思想方法横向迁移到后继课题的学习中，为新概念学习中思想研究提供元认知支持。6.实验策略实验策略是指设计物理实验来作为先行组织者的一种教学策略。物理是一门以实验为基础的学科，很多科学结论都是通过实验获得的。物理实验能给学生创造一个基本的物理环境，使学生主动获取物理知识、发展能力、促进科学品质和世界观的形成。作为先行组织者的实验可以是教师进行的演示实验也可以是学生实验；可以是以现象的真实、形象、生动和引人入胜引发学生直觉兴趣的实验，也可以是由于现象和事前预期产生矛盾从而使学生的思维处于激烈不平衡状态引发探究兴趣的实验。例如上述“先行组织者”激发学习兴趣功能叙述中的两个例子。7.物理模型策略物理模型策略是指应用物理模型作为先行组织者的一种教学策略。物理模型分为：对象模型（质点、点电荷、点光源、理想气体、弹簧振子）、过程模型（匀速直线运动、自由落体运动、匀速圆周运动、简谐振动）、理想实验（伽利略叙面实验）、具象模型（等势面、电场线、磁感线）。“对象”模型组织者教学可以用板画简图或投影形式替代真实对象并配以适当的导话；“过程”模型组织者教学可以用CAI课件进行展示，使抽象的物理过程形象化、具体化，为思维活动提供切入点；“理想化实验”组织者教学可以利用电脑动画模拟，弥补传统实验不足，为学生的思维活动提供丰富的感性认识，并有效地激发学习兴趣；“具象”模型组织者教学能使一些看不见、摸不着的事物具体形象化，为学生深入研究事物的本质提供一种形象化工具，同时有利学生理解和接受教学内容。四.物理教学中的“先行组织者”‎ 的设计原则先行组织者使用时效果如何？能否取得显著效益，有效地促进新内容的学习？取决于两方面因素：一是新知识内容的特性及其组织方式。如涉及创造或问题解决时效果最佳，涉及逐字保持或记忆时相对较差；学习内容本身具有很好组织顺序时，组织者一般不能促进学习，因为内容本身已具有组织者作用。另一方面是组织者自身的设计。下面我们探讨物理教学中完善先行组织者设计的原则。1.目标性原则 图  8 一句话，设计先行组织者的目的是希望通过它的“桥梁”、“线索”或“支架”作用，对新知识内容的学习产生显著的促进作用。在具体的物理教学实践中，设计先行组织者的目标应该是非常明确的，即让学生对即将学习的物理新知识产生注意、或形成学习兴趣（探究热忱）、或提供物理研究思想方法的支持、或增进学生对新物理知识本质的理解、或促进学习内容的保持和记忆等。设计物理先行组织者时，如果为设计而设计，目标意识模糊或定位发生错位往往难以取得好的促进新知识学习的效果，这样先行组织者也就失去了存在的必要，因此设计必须要遵循目标性原则。为此，我们首先要做好对物理学习内容的多方面分析：⑴学习内容抽象难懂吗？⑵学生对学习新内容感兴趣吗？⑶新知识的学习有何价值？⑷学生熟悉学习过程中的思想研究方法吗？⑸‎ 新知识容易理解和记忆吗？。先行组织者的设计时要切中其中一个或多个需要、解决其中的一二个问题，提高设计的针对性才能取得使用时的有效性，达到促进新内容学习的目标。例如《光的偏振》课题教学时，经分析可以得到，光的偏振现象是抽象的需要得到已有经验的支持、双偏振片方法判定光是一种横波的思想方法对学生言是存在元认知困惑的，等等。为此设计绳波和弹簧波穿过有狭缝木板、和弹簧波穿过前后放置两带狭缝木板实验（如上图8所示）作先行组织者，以降低学习内容的抽象程度、使学生更好地理解光的偏振现象、进行思想研究迁移实现学生自主设计实验探究方案的目的。2.基构性原则奥苏贝尔认为，使用先行组织者的目的是，为新知识的学习提供可利用的固定点，唤醒学习者认知结构中与新知识学习有关的旧知识或旧观念，增强旧知识的可利用性和稳定性；说明新旧知识之间的本质区别，增强新旧知识之间的可辨别性。基构性原则是针对组织者设计时的取材来源问题提出的，指基于学生已有的认知结构，取材于学生熟悉的相关概念、原理、现象、策略、经验和体验，或根据需要直接提取呈现或通过适当的问题情境创设进行组合性和应用性的创造性提取。基于基构性原则设计的先行组织者才能充分挥发原有认知结构的作用，使旧知识、经验成为新知识学习的生长点，使新知识有效地纳入原有的认知结构从而获得更好的理解和记忆。为此物理教学设计实践中在进行前述新内容分析基础上还要进行如下分析：⑴存在与新内容学习相关的生活情境和实验情境吗？它们之间有着怎样的联系？这些情境可应用于激发学习兴趣吗？有助于认识新知识的价值吗？⑵学生认知结构中有与新内容相关的旧知识吗？它们之间存在怎样的关系？具体的区别、联系是什么？通过怎样的演化就得获得新知识？⑶‎ 认知结构中存在与新知识学习过程需要的相同、相近的思想研究方法吗？它们是在怎样的学生熟悉的情境中应用的？它们之间的差别是什么？通过怎样的改造能提高相近的程度？等等。通过如此这般的基构性分析，设计的物理先行组织者才能有厚实的基础，有效地促进物理新内容的有意义学习与保持。如“向心力向心加速度”内容学习时，可以进行如下基构性分析：学生认知结构中存在大量与学习内容相关的生活和实验情境，如飞车走壁杂技、旋转漏斗内的玻璃球旋转、电子绕原子核转动、月球绕地球转动、行星绕太阳转动、圆维摆实验、一小孩原地不动手拉另一小孩绕他转动。相同的思想研究方法有：牛顿第二定律探究中学过“控制变量法”。          3.条理性原则 图  9 设计先行组织者时，通过对教学内容的分析我们明确了要达到的目标，通过对学生认知结构的分析，掌握了设计的原材料。但学生的已有知识、经验、策略、体验往往不能或难以直接取用和呈现就能达到促进新知识学习的目标，往往需要在具体的物理情境中通过系列性问题的解决方式、通过已有知识观念的组合创新应用才能达到有效促进学习的要求，而且创设的问题情境的逻辑、系列性提问的逻辑、知识观念的组合逻辑或说先行组织者内部材料的组合逻辑将决定着设计的有效性，有研究表明：“如果先行组织者的内容组织的逻辑性较强，则学习者易于从中受益；反之，若先组织者的内容杂乱无章或超出学生的理解范围，则不能促进甚至阻碍学生的学习表现”‎ ‎。因此，设计先行组织者时，一定要做到材料组织结构严密、条理清楚，符合学生思维方式，形成一个或独立的或开放的体系，即遵循条理性原则，这是一种设计技术方面的要求。如学习“光的干涉”内容时，类比机械波的干涉设计组织者如下：⑴波的两个特有现象是什么？两列波产生稳定的干涉现象时，对两个波源有何要求？⑵图9是两列横波某时刻干涉的示意图，S1、S2是两个振动情况总是相同的波源，实线代表波峰，虚线代表波谷，直线OO｀是S1、S2的中垂线，①分析图中各点的振动情况及各点到S1、S2的路程差与波长λ的关系？②画出干涉区域内的振动“加强线”与“减弱线”。③在图中画垂直OO`直线，则当直线向右移动时，直线上振动加强点（或减弱点）的间距如何变化？④如果增大两波源的波长，则③中直线移动时线上振动加强点的间距又如何变化？此组织者属类比较型先行组织者，密切应对“光的干涉”学习内容需要，基于学生学过的机械波旧知识，并进行了旧知识的创新性应用设计。这个组织者自成体系，内部提问层层推进，逻辑条理性强，能很好地促进光的干涉知识的学习。 [参考文献]1.林崇德主编.学习理论.湖北教育出版社.2001.22.木塔里甫. 先行组织者策略及其机制分析. 伊犁师范学院学报.2005.13.韩耀强. 教学设计中的认知心理因素分析.物理教师.2001.84.王国华.浅谈“先行组织者”教学策略的实验研究。广东技术师范学院学报2003. 5.刘锡刊.先行组织者在数学教学中的应用.外国中小学教育.1997.46.华苗青.先行组织者策略在物理课堂教学中的应用.物理教师.2007.17.施良方.学习论.人民教育出版社.2001Monday, December 17, 2007        ‎