1、硕 士 学 位 论 文论文题目：中学物理教学设计研究作 者：导 师： 系别年级：教育技术学院 学 号：学科专业：教育技术学完成日期： 年 月北京师范大学研究生院I中学物理教学设计研究摘 要本研究是围绕“以学习活动为中心的教学设计”展开，属于学科化教学设计技术研究，所选学科为中学物理。在此之前，针对学科化教学设计技术的研究主要包括中学数学和化学。本研究借鉴了已有研究成果，同时根据物理学科的特点，如严密的知识结构体系、以物理问题为核心的教学特点、以情境为主线的问题多变方法等，从知识建模、问题设计、能力生成类活动设计等三个方面，对中学物理学科教学设计技术进行了较深入地研究，试图为中学物理教师提供一种
2、理性的教学设计技术，使得中学物理教师能根据课堂需要设计出合适的、新颖的任务，并能根据不同学生的已有知识基础或欠掌握知识设计出合适的问题，并能依据已设计出的任务和问题辅以特定的形式、策略、评价方式等形成一个完整的教学活动。本研究主要包括以下四部分，特点分别如下：(1)中学物理学科知识建模规范。该部分就中学物理学科的知识点类型、知识点间的关系类型、知识组块模式图类型等三个角度构建了中学物理学科知识建模的规范。(2)中学物理学科问题设计技术。在已有的化学和数学学科研究的基础上，重点探索了中学物理学科问题设计的基本思路、知识推理路径的绘制规则等。(3)中学物理学科能力生成类活动设计。中学物理学科意义建
3、构类活动任务也包括 9 种，与化学和数学学科基本相似，学生问题解决能力的培养是中学物理新课程标准的基本要求，因此在活动设计环节重点探索了以问题为核心的能力生成类活动设计，构建了能力生成类活动的结构要素。(4)中学物理学科教学设计的缺陷分析及归因。技术人造物缺陷分析法是本研究最主要的研究方法。在该部分，主要根据能力生成类活动方案和物理问题的缺陷分析结果，总结了缺陷中与技术环节相关的方面，并通过知识推理路径的自完备性检验方法加以改进。关键词：物理知识建模，物理问题设计，能力生成类活动，技术人造物缺陷分析，知识推理路径，自完备性检验IIA Study on the Instructional Des
4、ign of Middle School PhysicsABSTRACTThe study is based on Learning Activity-Centered Instructional Design, and belongs to the category of instructional design research for disciplines, and the author selects Physics as the subject to be studied. Before the undertaking of this study, there has alread
5、y been related instructional design technology research on Mathematics and Chemistry for middle school. In this study, related previous research work is used as reference. In recognition of the special characteristics of Physics, such as its strict and rigorous knowledge structure, problem-oriented
6、instructional features with situation as the main outline, the author conducts an in-depth research into the instructional design technology for middle school Physics from the three aspects of knowledge modeling, problem design and the design of activities aiming at fostering students capabilities.
7、It is hoped that this will provide middle school Physics teachers with a rational technology for instructional design; enable them to design appropriate and unique tasks according to instructional needs, design suitable problems according to different students mastery of knowledge, and form a sound
8、instructional activity by combing the tasks and problems with particular forms, strategies and evaluation methods.This research is composed of the following four parts:(1) Knowledge modeling rules for middle school Physics. In this part, the author establishes the knowledge modeling rules from the t
9、hree aspects of knowledge classification, different types of relations between knowledge points, and different types of knowledge modules pattern diagrams.(2) Problem design technology for middle school Physics. Based on related previous research on Mathematics and Chemistry, the author emphasizes u
10、pon exploring the basic thoughts of problem design, the mapping rules of knowledge ratiocination routes and so on.(3) Design of activities aiming at fostering learners capabilities for middle IIIschool Physics. Like Mathematics and Chemistry, tasks of meaning-constructing activities in Physics consi
11、st of nine different kinds; and fostering students abilities of problem solving is included in the new curriculum standards as the basic requirement. Therefore, in the part of activity design, the author lays the emphasis upon the design of capability-fostering and problem-centered activity, and con
12、structs the elements of capability-fostering activity.(4) Limitation-analysis on instructional design of middle school Physics. Limitation analysis of technological artifacts is the most important research method used in this study. In this part, according to the result of limitation-analysis on cap
13、ability-fostering activity planning and Physics problems, the author makes a summary of technological process-related problems in the limitation analysis, and improves the designing by way of self-consistency verification based on knowledge ratiocination routes.KEY WORDS：Knowledge Modeling for Physi
14、cs, Question Designing for Physics, Capability-fostering Activity，Limitation Analysis of Technological Artifacts，Knowledge Ratiocination Routes, Self-consistency Verification1目 录中学物理教学设计研究 I摘 要 IA Study on the Instructional Design of Middle School Physics .II目 录 1正文图表目录 3附录图表目录 61 绪论 11.1 研究的必要性 11.
15、2 国内外研究现状分析 21.2.1 物理教学领域中关于知识分析的研究现状分析 21.2.2 物理教学领域中关于问题设计的研究现状分析 31.2.3 物理教学领域中关于能力生成类活动设计的研究现状分析 31.3 研究的目标与意义 41.3.1 知识分析方面 41.3.2 问题设计方面 41.3.3 能力生成类活动设计方面 41.4 研究内容和方法 51.4.1 研究的内容 51.4.2 研究的方法 52 中学物理学科知识建模技术 72.1 引言 72.2 物理学科中的知识点类型 82.2.1 符号和名称类知识点 SM（Symbol ） 82.2.2 概念类知识点 CN（Concept） 92.
16、2.3 原理公式类知识点 PF（Principle and Formula ） 92.2.4 事实范例类知识点 FC（Fact and Case） .92.2.5 过程步骤类知识点 PS（Process and Steps） 92.2.6 认知策略类知识点 CS（Cognitive Strategy） 102.3 物理学科中知识点之间的关系 102.3.1 概念与其它类型知识点的关系 102.3.2 原理公式与其它类型知识点的关系 112.3.3 事实范例与其它类型知识点的关系 112.3.4 过程步骤与其它类型知识点的关系 122.3.5 认知策略与其它类型知识点的关系 122.4 物理学科
17、中知识组块模式图的构建 122.4.1 目标知识点为概念类知识点 132.4.2 目标知识点为原理公式类知识点 142.4.3 目标知识点为事实范例类知识点 142.4.4 目标知识点为过程步骤类知识点 152.4.5 目标知识点为认知策略类知识点 152.5 物理学科中知识建模的步骤及其例子 1522.5.1 物理学科中知识建模的步骤 152.5.2 物理学科知识建模的具体例子 162.6 知识建模在中学物理教学设计中的作用 252.6.1 有助于教师进行意义建构类学习任务设计 252.6.2 为物理教师进行问题设计提供依据 272.6.3 小结 273 中学物理学科问题设计技术 293.1
18、 中学物理学科中问题设计技术的具体思路 293.2 中学物理学科中问题设计技术的要素说明 293.2.1 物理知识网络图 293.2.2 问题原型的选取 303.2.3 问题的知识推理路径 303.2.4 增加、删除、修改操作(ADM 操作) .333.3 中学物理学科中问题设计技术的具体例子 343.3.1 【例子 1】选取已学知识点的问题原型 .343.3.2 【例子 2】选取目标知识点的问题原型 .364 中学物理学科能力生成类活动设计 384.1 中学物理学科能力生成类活动任务介绍 384.1.1 一般的能力生成类活动任务 384.1.2 物理学科中的能力生成类活动任务 384.2 中
19、学物理学科能力生成类活动方案设计 394.3 中学物理学科能力生成类活动方案设计例子 394.3.1 绘制本章的知识网络图 404.3.2 以已学知识点选择问题原型而设计的新题及相应的能力生成类活动 404.3.3 以目标知识点选择问题原型而设计的新题及相应的能力生成类活动 435 中学物理学科教学设计技术的缺陷分析及归因 475.1 中学物理学科能力生成类活动方案设计的缺陷分析及归因 475.1.1 六个活动方案调查结果的统计和分析结果 475.1.2 活动方案设计缺陷分析小结 505.2 中学物理学科问题设计的缺陷分析及归因 515.2.1 13 个物理问题的调查结果的统计 .515.2.
20、2 13 个物理问题的调查结果的总体分析 .575.2.3 问题设计缺陷分析小结 595.3 采取的解决办法-知识推理路径的自完备性检验 595.3.1 物理知识推理路径的作用 595.3.2 物理知识推理路径的自完备性检验 606 研究的不足及展望 646.1 通过问题设计技术设计出的题目难度等级如何定 646.2 研究结论的推广度与适用性问题 64参考文献 65附录 67附录 1 中学物理学科能力生成类活动方案设计例子中的问题设计过程 67附录 2 教学方案及问题缺陷分析专家评审问卷 75致 谢 783正文图表目录图 1 技术人造物缺陷分析法研究流程图 5图 2 知识网络图 A7图 3 概
21、念与其它类型知识点间的关系及举例 10图 4 原理公式与其它类型知识点间的关系及举例 11图 5 事实范例与其它类型知识点间的关系及举例 11图 6 过程步骤与其它类型知识点间的关系及举例 12图 7 认知策略与其它类型知识点间的关系及举例 12图 8 概念类知识点模式图 13图 9 原理公式类知识点模式图 14图 10 事实范例类知识点模式图 14图 11 过程步骤类知识点模式图 15图 12 认知策略类知识点模式图 15图 13 物理知识建模流程图 16图 14 具体例子的知识建模过程 1.16图 15 具体例子的知识建模过程 2.16图 16 具体例子的知识建模过程 3.17图 17 具
22、体例子的知识建模过程 4.17图 18 具体例子的知识建模过程 5.17图 19 具体例子的知识建模过程 6.18图 20 具体例子的知识建模过程 7.18图 21 具体例子的知识建模过程 8.19图 22 具体例子的知识建模过程 9.19图 23 具体例子的知识建模过程 10.20图 24 具体例子的知识建模过程 11.20图 25 具体例子的知识建模过程 12.21图 26 具体例子的知识建模过程 13.21图 27 具体例子的知识建模过程 14.22图 28 具体例子的知识建模过程 15.22图 29 具体例子的知识建模过程 16.23图 30 具体例子的知识建模过程 17.23图 31
23、 具体例子的知识建模过程 18.24图 32 具体例子的知识建模过程 19.24图 33 意义建构任务设计例子的知识网络图 26图 34 知识推理路径的绘制过程 31图 35 绘制步骤 1.32图 36 绘制步骤 2.32图 37 绘制步骤 3.32图 38 绘制步骤 4.32图 39 绘制步骤 5.33图 40 问题设计技术具体例子的“知识网络图 1”.344图 41 例 1 中问题原型的知识推理路径 35图 42 例 1 中新题 1 知识推理路径 35图 43 例子 1 中新题 2 的知识推理路径 35图 44 例子 2 中问题原型的知识推理路径 36图 45 “知识网络图 2” 36图
24、46 例子 2 中“新题 1”的知识推理路径 .37图 47 例子 2 中“新题 2”的知识推理路径 .37图 48 能力生成类活动设计例子中的知识网络图 40图 4942图 5042图 5143图 5243图 5344图 5444图 5545图 5646图 57 “活动一方案”问卷结果统计图表 .47图 58 “活动二方案”问卷结果统计图表 .48图 59 “活动三方案”问卷结果统计图表 .48图 60 “活动四方案”问卷结果统计图表 .49图 61 “活动五方案”问卷结果统计图表 .49图 62 “活动六方案”问卷结果统计图表 .50图 63 “问题 1.1”问卷结果统计图表 .51图 6
25、4 “问题 1.2”问卷结果统计图表 .52图 65 “问题 1.3”问卷结果统计图表 .53图 66 “问题 2.2”问卷结果统计图表 .53图 67 “问题 2.4”问卷结果统计图表 .54图 68 “问题 3.2”问卷结果统计图表 .54图 69 “问题 3.3”问卷结果统计图表 .55图 70 “问题 4.2”问卷结果统计图表 .55图 71 “问题 4.3”问卷结果统计图表 .56图 72 “问题 5.2、5.3、5.4”问卷结果统计图表 .56图 73 “问题 6.2”问卷结果统计图表 .57图 74 新题 1.1 的知识推理路径 .61图 75 新题 1.2 的知识推理路径 .6
26、2图 76 新题 1.3 的知识推理路径 .62表 1 各类任务对应的知识组块模式图 25表 2 能力生成类活动的结构要素表 39表 3 活动一 41表 4 活动二 42表 5 活动三 43表 6 活动四 445表 7 活动五 45表 8 活动六 46表 9 能力生成类活动方案设计问卷调查结果统计分析结论 51表 10 问题缺陷分析结果归因 596附录图表目录图 1 问题原型的知识推理路径 67图 2 新题 1.1 的知识推理路径 .67图 3 新题 1.2 的知识推理路径 .67图 4 新题 1.3 的知识推理路径 .68图 5 问题原型 2 中的图 68图 6 问题原型 2 的知识推理路径
27、 68图 7 新题 2.1 的知识推理路径 .69图 8 新题 2.1 中的图 .69图 9 问题原型 3 的知识推理路径 69图 10 新题 3.1 的知识推理路径 .69图 11 问题原型 4 的图 70图 12 问题原型 4 的知识推理路径 70图 13 新题 4.1 的知识推理路径 .70图 14 新题 4.2 中的图 .71图 15 问题原型 5 的知识推理路径 71图 16 新题 5.1 的知识推理路径 .71图 17 新题 5.2 的知识推理路径 .72图 18 新题 5.2 中的图 .72图 19 问题原型 6 的知识推理路径 72图 20 问题原型 7 的知识推理路径 73图
28、 21 新题 7.1 的知识推理路径 .74图 22 新题 7.1 中的图 .74中学物理教学设计研究11 绪论1.1 研究的必要性本研究属于学科化教学设计研究。目前，国内外关于学科化教学设计的研究大致可分为以下三类。第一，在各个学科教学论思想指导下的教材教法研究。目前，这类研究比较多，研究者主要有学科教学论专家，主要是对各个具体学科的教法进行研究。另外，一线教师就自己教学中遇到的问题所进行的反思和总结也应归为该类，因为很多一线教师都是一些师范院校毕业的学生，而大部分的师范院校学生在学校所受的都是关于学科教学论思想方面的熏陶。第二，对教学设计理论应用于具体学科的结果进行展示和分析。这类型的研究
29、主要是教学设计研究者和一线教师共同进行的。这类型的研究更多的属于实践研究领域，通过各个实验学校，教学设计研究者指导教师如何更好地将其的教学设计思想运用于课堂教学中。如皮连生教授所做的研究，主要体现为他主持编写了一套学科教学论新体系 1丛书，以及小学语文英语跨越式发展研究等。第三，通过学科化研究，试图发展教学设计理论本身。 “以学习活动为中心的”教学设计理论 2强调分析技术、设计技术、评价技术三者之间的设计原理，而这三种技术会因学科的不同而产生不同的变化，这种教学设计的学科化研究的最终目的为了发展教学设计理论本身以更好地指导实践。由上可见，第三种类型学科化教学设计研究是非常重要的，目前已存在的有
30、中学数学 3和中学化学学科教学设计研究 4，在物理教学研究领域，此类型研究基本没有，我们有必要从此角度开展研究。另外，随着中学物理新课程理念的深入，人们深深地体会到了教学是一系列经过设计的，旨在引起、激活和支持学习者学习的事件，教学的目的是为学习的过程创设条件。因此，在中学物理教学研究领域，人们更加关注教学设计的研究。目前，比较常见的是中学物理教材教法的研究，包括物理实验教学、物理概念教学、物理规律教学、物理练习教学、物理复习教学等，在这些研究中，研究者们构建了很多的物理教学模式，如中学物理导学讨论模式、中学物理指导探索模式、中学物理目标掌握模式、中学物理图表竞赛模式等 5。还有一些研究是对影
31、响中学物理教学效率的因素进行的基于心理学的实证研究，如物理概念间的关系结构和知识结构之间的联系 6、物理教学中学物理教学设计研究2中知识结构和认知结构的一致性研究 7、现代物理中学生对可能性的理解模型研究 8、关于刚参加高中物理学习时学生的学习无助感研究 9、关于伽利略偏见对于学生理解小球下落问题的影响研究 10等等。以上这些研究，可以为中学物理教师的教学提供大量宝贵的经验。但总的来说，目前中学物理教学设计的研究还处于经验性的摸索阶段，教师们的教学仍停留在传统的“备课”阶段，教师们缺乏一种物理教学设计技术操作规范的指导，我们有必要继续开展中学物理教学设计的研究，以探寻其分析技术、决策技术、评价
32、技术之间的设计原理，并形成一种合理的知识分析、问题设计、相应的能力生成类活动设计技术操作规范。1.2 国内外研究现状分析下面我们主要从知识分析、问题设计、能力生成类活动设计等三个方面对物理教学领域现有的研究做一个详细的梳理和分析。 1.2.1 物理教学领域中关于知识分析的研究现状分析在中学物理学科教学研究领域，目前人们对知识分析的研究主要集中为物理知识结构的研究。有关物理知识结构的研究，从物理学诞生时起就已存在。我们可将这些研究大致归为以下两类。一类为物理教学论专家所做的理论性研究，主要侧重于对物理知识结构的构成及重要性的研究。如有学者认为，物理中的知识结构是由物理的各个基础知识及其它们之间的
33、联系构成，物理基础知识又可细分为物理概念（物理量） 、物理定律（定理） 、物理公式、比例常数和物理常数、物理单位等五类 11。还有学者认为，初高中学生物理学习中存在着诸如知识学习不扎实、电学学习比较困难、聪明学生也怕物理等等普遍问题，造成这些问题的主要原因是学生认知结构中知识表征不清晰 12。另一类是一线教师根据自己的教学实践所做的经验性总结，主要侧重于物理知识结构在物理教学中的作用的研究。如将概念图用于合作学习及评价 13、将构筑单元知识结构网络作为物理知识复习的有效途径 14、将物理知识网络作为保存知识及快速准确提取和迁移知识的载体 15等。总之，以上这两类研究都强调，清晰的知识结构不仅有
34、助于为学生呈现比较系统的知识、启发学生主动学习、加深学生对知识的记忆与应用，而且有助于教师自己分清主次、突出重点、抓住关键、控制教学的广度和深度。由此可见，用网络结构处理知识是很必要的，这样处理符合知识自身的性质。不过，中学物理教学设计研究3目前所有这些研究主要是站在物理教学的角度，从物理教学设计角度研究知识结构的很少见。另外，这些只关注知识语义的知识结构，也决定了它不会对教学设计具有指导作用。针对这种情况，我们在已有知识结构研究的基础上提出了一种反映知识隶属关系的知识网络图，并探索其在中学物理教学设计中的作用。1.2.2 物理教学领域中关于问题设计的研究现状分析物理问题对于培养学生的能力有非
35、常重要的作用。目前，人们对于问题设计的研究主要集中为简单问题设计及“一题多变” 。目前，已有的物理问题设计技术可以为教师进行简单问题设计提供一些可参照的依据，如“从物理学的基本研究方法及研究内容出发来设计问题、依创造技法设计问题” 16等。这些研究只对问题设计做了一个宏观步骤介绍，缺少微观具体细节介绍，教师在进行问题设计时完全靠自己在教学过程中的不断体会和总结，教师的自身经验占据决定性地位。另外，在物理问题设计中，对于复杂问题的研究主要是一线教师在教学实践中关于“一题多变”的研究。如教师在物理习题课中怎样通过一题多变加深学生对知识点的理解和掌握 17、教师如何对课本习题进行一题多变以从不同角度
36、来强化学生对知识点的理解 18、学生在平时的解题过程中如何进行一题多变 19等。这些研究也是教师依据自己的经验，总结出的一些针对特定问题的一题多变技巧。总之，以上这些研究可为中学物理教师进行类似的问题设计提供可借鉴的经验，不过这些研究都是对教师教学经验的简单总结，研究中所提到的很多问题设计实例具有典型性，不具普遍性，物理教师对于从特定目标出发的问题设计依然无从下手。针对这种情况，我们在借鉴已有研究的基础上，还需继续探索新的问题设计思路，将教师凭经验进行的问题设计方法外显化，以提升有经验教师设计物理问题的理性，同时为新手教师提供一种科学合理的问题设计技术。1.2.3 物理教学领域中关于能力生成类
37、活动设计的研究现状分析物理教学领域关于能力生成类活动设计的研究主要可分为两类，一类是物理活动课设计的研究，一类是关于物理问题教学的研究。在物理活动课的研究方面，研究者们总结了一些活动教学模式，如趣味实验式、趣味游园综艺式、分组实验探究式、户外测量与科技制作式、图示活动式、计算机网络操作式、研究性学习等 20。在问题教学研究方面，研究者们主要探索了物理问题解决的思维模式、问题解决的策略及提高问题教学效率的途径等。中学物理教学设计研究4我们将借鉴以上这些研究的成果，如活动的组织形式、策略等，进一步探索中学物理能力生成类活动设计。1.3 研究的目标与意义本研究的目标是进一步完善以学习活动为中心的教学
38、设计理论，初步构建一种适合于物理学科的教学设计的技术操作体系，从而最终用来指导和规范物理教学实践，使得中学物理教师的教学设计过程理性化。下面，我们主要从知识分析、问题设计、能力生成类活动设计等三个方面来进行详细的论述。1.3.1 知识分析方面知识分析对于任何一门学科来说都是非常重要的，本研究试图通过知识间的隶属关系，构建出一种中学物理学科知识网络图的绘制规范，以为教师提供一种理性的知识分析方法，从而便于他们进行教学设计。另外，中学物理学科知识网络图构建规范的研究还将进一步发展和完善以学习活动为中心的教学设计理论中的知识建模技术。1.3.2 问题设计方面问题设计在物理教学中是极其重要的，物理教师
39、一般通过经验进行问题设计，本研究试图给教师提供一种理性的问题设计思路以及相应的问题设计操作，使得教师的问题设计不再完全依赖经验，而是从特定目标出发、有一定操作规范可遵循。通过该研究所得，教师可结合自己已有的经验理性地设计出适合自己教学需要的问题。另外，中学物理学科问题设计的研究还将进一步完善以学习活动为中心教学设计理论中的问题设计技术。1.3.3 能力生成类活动设计方面问题教学是物理教学论领域研究中的重要一部分，该研究将从目标知识点出发来确定问题，根据选取问题或设计问题的方式，来进行活动的形式、策略、评价方式等的设计，从而使得整个活动过程的设计理性化。另外，中学物理学科活动设计的研究还将进一步
40、完善以学习活动为中心教学设计理论中的活动设计技术。中学物理教学设计研究51.4 研究内容和方法1.4.1 研究的内容本研究的主要内容包括：中学物理学科知识建模规范、中学物理学科问题设计技术、中学物理学科能力生成类活动设计。以“以学习活动为中心的教学设计理论”中所提到的教学设计分析技术、设计技术、评价技术为技术原型，结合物理学科特点，构建物理学科知识建模规范，探索物理问题设计技术的基本流程及操作规范，形成物理能力生成类活动方案。其中，物理问题设计技术是核心，它是能力生成类活动方案设计的前提。因此，在此部分中，我们重点探讨了问题设计技术的要素知识推理路径的绘制规范及自完备性检验的具体步骤。1.4.
41、2 研究的方法文献分析能力生成类活动方案 ( 包含问题 ）缺陷分析问卷设计发放问卷进行方案和问题的缺陷分析对缺陷分析结果进行归因修改研究的背景 、 现状与意义教学设计技术 知识建模技术问题设计技术能力生成类活动设计技术问卷调查中学物理教学设计研究6本研究采用技术人造物缺陷分析法 21。技术人造物缺陷分析法，就是通过分析某种技术所生成的产物的缺陷来分析和反思所运用技术的缺陷并使之得以改进的研究方法。运用某种技术所生成的产物称为技术人造物。技术人造物缺陷分析法致力于寻找技术的缺陷而非证明技术的有效性。在技术进步过程中，必然表现出技术的弱点，也就是说，技术人造物必然存在缺陷。而技术人造物缺陷分析法正
42、是从考查结果的缺陷出发，追溯导致结果的过程本身的缺陷，从而发现技术本身的缺陷。在本研究中，以学习活动为中心的教学设计理论即为技术，而其产物教学设计方案则是相应的技术人造物。显然，教学设计方案作为一种技术人造物也一定是不完美的。因此，当我们应用以学习活动为中心的教学设计理论得到相应的教学设计方案后，就要分析这个教学设计方案的缺陷，并探究产生缺陷的原因。考查这种缺陷是设计者的设计失误所致，还是设计者经验不足所致，亦或是该教学设计理论自身引发的必然结果。通过这种分析，试图找到教学设计理论的缺陷并改进之。运用技术人造物缺陷分析法研究的流程图如 图 1 所示，在此过程中，运用问卷调查法进行了缺陷信息的收
43、集。图 1 技术人造物缺陷分析法研究流程图中学物理教学设计研究72 中学物理学科知识建模技术2.1 引言物理教学论发展到现在，积累了很多优秀的教学法。这些教学法之所以优秀，并被人们广泛借鉴，是因为其无形中遵循着合理的知识论逻辑。下面我们可以通过一个具体例子来详细说明教学法中蕴涵着怎样的知识论逻辑。在中学物理教学法的研究中，关于“力”概念教学，有下面这样的论述：“力概念教学，首先，应将重力 、 弹力 、 摩擦力等各种性质的力进行对比，比较他们的产生条件、产生原因、大小、方向和作用点，才会使学生形成正确的力概念。其次，要把力和与它相联系的概念进行对比，如把力与加速度 、 功 、 冲量 等概念进行对
44、比，加深对力概念的理解。 ”22 这个教学法的科学性、合理性可以得到知识论角度的解释。首先，我们将上述教学法中所涉及到的各个知识点抽取出来；接着，将各个知识点之间的特定关系用相应箭头连接；最后，形成一个包含所有知识点及其相应联系的知识网络图。如 图 2 所示，这个图反映了知识隶属关系的结构特征。从 图 2 我们可以看出， “力”与“重力” 、 “摩擦力” 、 “弹力”之间都存在着“是一种”关系，其中“力”为上位概念。因此，为了更好地理解“力”概念，我们需要对它的下位概念进行对比分析，找出各个下位知识点之间的异同，从而使学生形成正确的“力”概念。从 图 2 我们还可看出， “力”与“加速度” 、
45、“功” 、 “冲量”等概念都是通过与相应的原理公式类知识点间建立“结论包含”关系联系起来。因此，为加深对“力”概念的理解，需要鉴别“力” 、 “加速度” 、“功” 、 “冲量”等各个概念类知识点的特征，找出“力”概念与“加速度” 、“功” 、 “冲量”等概念的异同。我们认为，正是知识点及知识点间的特定关系决定了知识学习的特定任务设计与选择，此教学法中蕴含的合理知识论逻辑确保了采用上述方式进行“力”概念教学的合理性。重力弹力摩擦力是一种是一种是一种冲量 I牛 顿 第 二 定 律F = m a力加 速度结 论 包 含结 论 包 含功W = F s c o s 定义公式结论包含结论包含位移夹角结论包
46、含I = F t结 论 包 含时间结 论 包 含质 量结 论 包 含定义公式图 2 知识网络图 A中学物理教学设计研究8在物理教学法的研究中还存在很多这样的例子，通过绘制知识网络图，我们都可以找到它们相对应的知识论逻辑。绘制知识网络图的过程也就是知识分析的过程，我们可将之称为知识建模。知识建模不但可以使我们认清中学物理教学法的知识论逻辑，而且也会进一步促进中学物理教学法的发展。针对这种情况，我们提出了一种反映知识隶属关系的知识网络图，并探索其在中学物理教学设计中的作用。上面提到知识网络图对于物理教学设计有比较重要的作用，那么如何绘制知识网络图呢？综合中学化学和数学学科关于知识建模的已有研究，我
47、们发现中学物理知识建模的研究与其没有太大的区别。因此，我们可将知识建模的研究从知识建模的前期准备和具体步骤两个角度进行统一规划。2.2 节至 2.4 节部分将详细介绍知识建模的前期准备工作：知识点类型、知识点关系类型、知识组块模式图。2.5 节部分将详细介绍知识建模的具体步骤并通过一个具体的例子来加深读者的理解。中学物理学科的这一知识建模规范具有普适性，使得“以学习活动为中心教学设计理论”关于知识建模技术得以发展和完善。2.2 物理学科中的知识点类型 知识点类型作为知识建模的最基本单元，必须事先确定。通过对物理学科已有知识分类的分析研究，结合实际需要，我们将物理学科中的知识点类型划分为：符号和
48、名称、概念、原理公式、事实范例、过程步骤、认知策略。其中，符号和名称，在知识网络图中用 表示；概念，在知识网络图中用 表示；原理公式，在知识网络图中用 表示；事实范例，在知识网络图中用 表示；过程步骤，在知识网络图中用 表示；认知策略，在知识网络图中用 表示。由上，我们可看出，在中学物理学科中，不存在原理论中所提到的格式类知识点。另外，认知策略类主要指的是物理学科中特有的一些思维方式。2.2.1 符号和名称类知识点 SM（Symbol）中学物理中的符号和名称类知识点主要包括：物理单位的表示符号，如kg、N 等；物理概念的简写符号，如 W、F、S、m 、g 等；一些物理器材的简要表示符号，如凸透
49、镜、凹透镜、灯泡、电流表、电压表等的符号表示。在高中物理中，这些符号类知识点与相应的单位或概念之间仅存在“代表”关系，并已不作为目标知识点，因此，为方便起见，我们可根据实际的情况做一些适当的合并。一般情况下，我们可将物理概念及其简写合并，如 、质 量m中学物理教学设计研究9、 ，在一些特殊的情况下，比如重点考察单位时，也可将物理概念加 速度 a速 度v及其单位的表示符号合并，如 。加 速度 m / s2速 度m / s导 出单 位是 一 种是 一 种2.2.2 概念类知识点 CN（Concept）中学物理中的概念知识点主要包括：具体概念，主要是指物理器材，如凸透镜、凹透镜等；抽象概念，主要是为研究方便而出现的一些物理学科特有的名词，在中学物理学科中，这种抽象概念占绝大多数，如：超重、失重、质量、电阻、安培力等。2.2.3 原理公式类知识点 PF（Principle and Formula）中学物理中的原理公式类知识点主要包括：公式类，如“s=v 0t+at2/2”、“a=(vt-v0)/t”；原理类，如 “牛顿第三定律” 、 “动量守恒定律 ”；概念的定义文本，如概念“失重”的定义文本“物体对支持物的压力（
