指向結(jié)構(gòu)化的復(fù)習(xí)教學(xué)策略

摘 要：知識結(jié)構(gòu)化有助于深度理解知識、統(tǒng)攝知識，是問題解決能力的關(guān)鍵。針對高中物理復(fù)習(xí)教學(xué)中知識碎片化、零散化的現(xiàn)狀，以高中物理力學(xué)規(guī)律為例，提出結(jié)構(gòu)化教學(xué)的策略。探索利用結(jié)構(gòu)化的思維，優(yōu)化復(fù)習(xí)模式，提升復(fù)習(xí)效果。凝練了結(jié)構(gòu)化教學(xué)的三大實(shí)踐策略：知識體系結(jié)構(gòu)化、解決思維結(jié)構(gòu)化和認(rèn)知遷移結(jié)構(gòu)化。

關(guān)鍵詞：復(fù)習(xí)教學(xué)；結(jié)構(gòu)化策略；物理模型建構(gòu)；結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)能力

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）7-0005-6

高中物理復(fù)習(xí)教學(xué)中，教師通常按照復(fù)習(xí)資料梳理知識點(diǎn)，并布置相關(guān)知識點(diǎn)的練習(xí)題進(jìn)行訓(xùn)練。有時學(xué)生對某個知識點(diǎn)沒有掌握，就多次強(qiáng)化訓(xùn)練；有時學(xué)生認(rèn)為聽懂了教師的講課內(nèi)容，而自己一動筆就發(fā)現(xiàn)不會解決問題。教師教得辛苦，學(xué)生練得很累，效果卻不盡如人意，而且學(xué)生會因此產(chǎn)生厭學(xué)情緒。這樣的復(fù)習(xí)教學(xué)，學(xué)生知識遷移能力和解決實(shí)際問題的能力沒有得到提升，主要原因是學(xué)生并沒有形成系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化、程序化的知識體系，不能用結(jié)構(gòu)化的知識解決問題。

認(rèn)知心理學(xué)家布魯姆認(rèn)為：“知識結(jié)構(gòu)是指某一學(xué)科領(lǐng)域的基本觀念，不僅包括學(xué)科知識中的基本概念、基本思想或原理，還涉及思維方法以及學(xué)習(xí)態(tài)度?！保?］《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，“重視學(xué)科大概念為核心，課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。”［2］高中物理是一門體系嚴(yán)密、充滿辯證關(guān)系的結(jié)構(gòu)化學(xué)科，物理知識具有緊密的關(guān)聯(lián)性與遞進(jìn)性。高中物理復(fù)習(xí)教學(xué)應(yīng)著眼于建構(gòu)物理知識框架，使知識體系化、結(jié)構(gòu)化；應(yīng)著力于靈活建構(gòu)和運(yùn)用物理模型，促進(jìn)問題解決思維的結(jié)構(gòu)化；應(yīng)著重于形成結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)認(rèn)知遷移結(jié)構(gòu)化。為全方位實(shí)現(xiàn)核心知識的結(jié)構(gòu)化，實(shí)現(xiàn)核心能力的螺旋上升，可以從知識體系、解決方法、認(rèn)知遷移三方面，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的復(fù)習(xí)教學(xué)實(shí)踐。

1 知識體系結(jié)構(gòu)化

物理知識是相互關(guān)聯(lián)的，學(xué)科不是知識點(diǎn)的簡單堆砌，而是有著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)、結(jié)構(gòu)和思想的。根據(jù)認(rèn)知理論，高一、高二新授課教學(xué)過程中，學(xué)生經(jīng)歷了知識的第一次建構(gòu)。單元復(fù)習(xí)不是炒冷飯，而是讓學(xué)生經(jīng)歷第二次建構(gòu)。正如數(shù)學(xué)家華羅庚所說：讀書由薄到厚，再由厚到薄。在高一、高二的新課學(xué)習(xí)中，學(xué)生以知識的汲取為第一目標(biāo)，像海綿一樣來者不拒。但在此過程中，極少有學(xué)生能很好地挖掘知識點(diǎn)的深意，亦或深入思考教科書編排知識的前后關(guān)系，導(dǎo)致大部分學(xué)生對知識的理解是孤立的、片面的，問題解決的方法是單一的。復(fù)習(xí)階段，問題解決要求學(xué)生綜合、靈活運(yùn)用知識，提出了新的、較高的素養(yǎng)要求。這種情況下，學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)及已形成的素養(yǎng)水平，與試題中問題解決的難度之間出現(xiàn)較為明顯的差距。因此，復(fù)習(xí)課教學(xué)要求教師幫助學(xué)生重構(gòu)高質(zhì)量知識體系，使學(xué)生能全面、多角度地分析和解決問題，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

以力學(xué)板塊為例，力學(xué)知識在整個高中物理中具有舉足輕重的地位，物理力學(xué)規(guī)律復(fù)習(xí)時應(yīng)厘清各個物理概念、規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)和本質(zhì)關(guān)系，建構(gòu)大概念前提下的核心知識框架體系，建構(gòu)高中物理力學(xué)體系圖，如圖1所示。

從小到大，從點(diǎn)到面，從面到體，讓學(xué)生全面理解各個概念和規(guī)律，形成物理觀念體系結(jié)構(gòu)，即教學(xué)應(yīng)該具有這樣的路線圖：知識點(diǎn)—知識鏈—知識網(wǎng)—知識樹。按圖1所示，解決力學(xué)問題應(yīng)運(yùn)用“三條主線，六大規(guī)律”，厘清內(nèi)在知識點(diǎn)邏輯的知識鏈；構(gòu)建縱橫知識網(wǎng)，融會貫通知識樹，形成整體力學(xué)知識結(jié)構(gòu)。

從力的概念出發(fā)，第一條思路，力的瞬時作用效應(yīng)，即力與運(yùn)動的關(guān)系（牛頓運(yùn)動定律與運(yùn)動學(xué)規(guī)律）；第二條思路，力對空間的累積效應(yīng)，即功能關(guān)系（動能定理與機(jī)械能守恒定律）；第三條思路，力對時間的累積效應(yīng)，即動量與沖量的關(guān)系（動量定理與動量守恒定律）。三條思路使學(xué)生對力學(xué)問題處理的著眼點(diǎn)和思想方法有一個整體的認(rèn)識，進(jìn)一步領(lǐng)會每一條思路的地位、作用、特征條件，理解相互間的區(qū)別和聯(lián)系。同時，對高中物理研究問題的類型按知識結(jié)構(gòu)從簡單到復(fù)雜進(jìn)行結(jié)構(gòu)化排列：勻速運(yùn)動、勻變速直線運(yùn)動、勻變速曲線運(yùn)動（如拋體運(yùn)動）、變速運(yùn)動（如圓周運(yùn)動、簡諧振動）。要求學(xué)生明確各類運(yùn)動特征和它們之間的聯(lián)系，以便根據(jù)各類運(yùn)動特征和規(guī)律引導(dǎo)學(xué)生多角度分析問題、解決問題。

我們以兩個力學(xué)經(jīng)典問題為例，探討重構(gòu)力學(xué)知識結(jié)構(gòu)對加深物理問題理解、加強(qiáng)運(yùn)用結(jié)構(gòu)化知識提高問題解決能力的策略。

例1 一顆質(zhì)量為m的子彈以v0的初速度射入靜止在光滑水平面上的木塊，射入木塊的深度為s，質(zhì)量為M的木塊發(fā)生的位移為L，用“三條主線，六大規(guī)律”剖析運(yùn)動過程中的情況，如圖2所示。

從力與運(yùn)動的觀點(diǎn)看：子彈在阻力作用下做勻減速運(yùn)動；木塊在摩擦力（動力）的作用下做勻加速運(yùn)動，最后兩物體一起做勻速運(yùn)動。

從功與能量的觀點(diǎn)看：阻力對子彈做的功等于子彈動能的減少；動力對木塊做的功等于木塊動能的增加；阻力對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)動能的減少，即系統(tǒng)內(nèi)能的增加。

從動量與沖量的觀點(diǎn)看：阻力對子彈的沖量等于子彈動量的減少；動力對木塊的沖量等于木塊動量的增加；系統(tǒng)動量守恒。

針對一個問題進(jìn)行多角度分析，既鞏固了知識體系，又能通過問題的解釋和解決提升核心知識的運(yùn)用能力，從而使核心知識結(jié)構(gòu)化。這種對典型問題的多途徑解釋和解決，能夠?qū)⒑诵闹R高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化，讓學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展清晰可見。

例2 如圖3所示，質(zhì)量為M、傾角為θ的足夠長的斜面放置在光滑水平面上，質(zhì)量為m的物塊以速度v0從斜面底端滑上斜面，嘗試解決以下問題：①若斜面固定，物塊與斜面間的動摩擦因數(shù)為μ，討論物塊能回到出發(fā)點(diǎn)的條件（滑動摩擦力約等于最大靜摩擦力）；②滿足①問的條件下，若在斜面底端固定一個彈性擋板，求物塊在斜面上經(jīng)過的總路程，以及物塊向上運(yùn)動時間t和向下運(yùn)動時間t之比；③若斜面光滑且不固定，求物塊到達(dá)斜面最高點(diǎn)時離斜面底端的高度以及物塊再次回到斜面底端時的速度。

解決以上問題需要學(xué)生調(diào)用多個物理規(guī)律（圖4）。解決問題的過程如同一個金工學(xué)徒利用各種不同的金工工具加工一個機(jī)械產(chǎn)品，在此過程中，各種物理概念和物理定律被當(dāng)作解決問題的工具，每一次的認(rèn)知操作都會讓學(xué)生對規(guī)律和概念的認(rèn)知上一個臺階。更重要的是，學(xué)生學(xué)會了如何挑選合適的解決問題的工具（使用哪個物理規(guī)律），什么時候需要不同工具之間搭配（比如，是動量守恒定律，還是牛頓運(yùn)動定律和動能定理結(jié)合）去解決。

通過這樣的學(xué)習(xí)過程，物理概念和物理規(guī)律才會真正轉(zhuǎn)化為解決問題的能力，而能力的提升也會提高學(xué)生用物理知識去解釋現(xiàn)象、解決問題的信心和意愿，最終內(nèi)化為核心素養(yǎng)。

2 解決方法結(jié)構(gòu)化

我們應(yīng)將幫助學(xué)生逐步學(xué)會“結(jié)構(gòu)性思維”看成“結(jié)構(gòu)化教學(xué)”的一個重要目標(biāo)。學(xué)生結(jié)構(gòu)性思維水平越高，將所學(xué)自覺應(yīng)用到各類問題解決的能力也會越強(qiáng)［3］。物理學(xué)家解決問題的基本思路：把實(shí)際問題簡化、純化，即通過建構(gòu)物理模型把它轉(zhuǎn)化為典型的物理問題，再用數(shù)學(xué)工具解決問題，如圖5所示。

與物理學(xué)家不同，學(xué)生面對的往往不是真實(shí)的問題，而是脫離于實(shí)際問題的非情境化試題。命題者有意在其中結(jié)合了特定知識點(diǎn)的考查，希望學(xué)生運(yùn)用特定的物理模型解決問題。若學(xué)生無法準(zhǔn)確分析、判斷出對應(yīng)的模型，常有“猜不中出題人的意圖”“題目也沒看懂”之感，而若是在老師的幫助下抽象出非情境化的物理模型，很多學(xué)生就有能力解決。因此，學(xué)生習(xí)慣于解決非情境化的問題，教師要引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)從情境化至非情境化的橋梁，也即物理模型。

模型作為一種解決問題的思想和方法，在科學(xué)教育中被廣泛使用，新課標(biāo)將模型建構(gòu)作為科學(xué)思維的一個重要維度。把真實(shí)問題轉(zhuǎn)化為物理模型的能力是物理學(xué)科的核心能力。物理模型建構(gòu)能促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展，提高學(xué)習(xí)效果。

為此，在日常教學(xué)中，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)以問題解決為目標(biāo)的意識，幫助學(xué)生充分熟悉問題所對應(yīng)的知識點(diǎn)和物理模型的建構(gòu)過程。高三復(fù)習(xí)時，教師要通過真實(shí)問題解決培養(yǎng)學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力；利用相似問題，提升科學(xué)分析、論證能力；增加假設(shè)條件，培養(yǎng)學(xué)生重構(gòu)物理模型的能力。引導(dǎo)學(xué)生分析解決物理問題的過程可歸納為如圖6所示的思維流程。

（1）細(xì)線斷裂時，轉(zhuǎn)盤的角速度ω0大小是多少？

（2）說明細(xì)線斷裂后這些小球的落地位置。

這是個實(shí)際問題，我們需要考慮以下幾個問題：研究對象怎么取？小球做圓周運(yùn)動的圓心在哪里？什么力提供向心力？細(xì)線斷裂后這些小球做什么運(yùn)動？從什么角度去看小球落地的位置？諸多問題千頭萬緒，學(xué)生往往不知從何處切入。但如果從培養(yǎng)學(xué)生物理模型建構(gòu)能力的角度考慮，就需要學(xué)生從更高的角度思考，從而解決問題。

此題中，雖然有很多個小球，但應(yīng)能發(fā)現(xiàn)每個小球都是等價的，所以也就不難聯(lián)想到等效模型——圓錐擺（圖8）。圓錐擺的運(yùn)動也是本題小球的特征。此兩步，分析特征條件，聯(lián)想近似模型，也是學(xué)生破題的寶刀。再分析題目條件與圓錐擺模型是否存在差異？通過比較可知，小球圓周運(yùn)動的半徑應(yīng)考慮轉(zhuǎn)盤的半徑R。這樣，對于熟悉圓錐擺模型的學(xué)生來說，應(yīng)該就胸有成竹了。結(jié)合側(cè)視受力分析（圖9），進(jìn)一步畫好俯視模型（圖10），再運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，問題就能快速、正確地解決。可見，符合題意的模型建構(gòu)，并非從零到一的“無中生有”，而是借助新舊模型比較、從一到二的“模仿+創(chuàng)新”。如果能持之以恒，學(xué)生模型建構(gòu)的能力會明顯增強(qiáng)，物理思維結(jié)構(gòu)會進(jìn)一步優(yōu)化，運(yùn)用模型解決問題就會得心應(yīng)手。

例4 如圖11所示，掃描隧道顯微鏡減振裝置由絕緣減振平臺和磁阻尼減振器組成。平臺通過三根關(guān)于O'O''軸對稱分布的相同輕桿懸掛在輕質(zhì)彈簧的下端O，彈簧上端固定懸掛在O'

（1）平臺靜止時彈簧的伸長量Δx；

（2）t=0時，每個線圈所受到安培力F的大??；

（3）在0～t1時間內(nèi)，每個線圈產(chǎn)生的焦耳熱Q；

（4）在t1～t2時間內(nèi)，彈簧彈力沖量I的大小。

課堂上，教師要有意識地幫助學(xué)生建立解決問題的思維結(jié)構(gòu)圖示（圖14）。從圖示中我們可以看到，要解決物理問題，學(xué)生大致要經(jīng)過三個思維過程：第一步為物理建模。根據(jù)實(shí)際情況把問題中的原始情境模型簡化為一個或多個我們熟悉的理想化物理模型，例如本題中就可以把“掃描隧道顯微鏡減振裝置”抽象為“豎直彈簧振子”和“輻向磁場”兩個物理模型。第二步為知識與模型的匹配。物理知識和模型的對應(yīng)，需要根據(jù)實(shí)際情況把需要用到的物理規(guī)律與理想化物理模型對應(yīng)起來。比如本題中，要解決第（1）小問需要對應(yīng)胡克定律，而后續(xù)的問題分別需要對應(yīng)動量定理、法拉第電磁感應(yīng)定律等物理定理和規(guī)律。第三步為數(shù)學(xué)運(yùn)算。根據(jù)模型與對應(yīng)的已知信息，把物理規(guī)律書寫成數(shù)理方程，并通過計(jì)算解決問題。

3 認(rèn)知遷移結(jié)構(gòu)化

結(jié)構(gòu)化教學(xué)的根本宗旨是培育學(xué)生知識遷移能力、學(xué)習(xí)能力和問題研究能力，提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)和解決問題的能力，并能夠在陌生情境中利用所學(xué)知識解決新問題，讓學(xué)生從“學(xué)會”轉(zhuǎn)向“會學(xué)”，直到“慧學(xué)”。實(shí)際問題的解決方案往往與呈現(xiàn)的情境和條件有關(guān)，不同的條件選擇不同的方案（方法）。教學(xué)中，可以以學(xué)生熟悉的問題為載體，讓學(xué)生利用多種方法分析解決問題，然后在此基礎(chǔ)上作出變化，讓學(xué)生前后對比，對所選方法是否合理進(jìn)行科學(xué)論證，進(jìn)而確定解決新問題的方法。這個過程能有效提高學(xué)生實(shí)際問題的解決能力。如解決同一個問題：一物體從靜止開始沿固定的光滑斜面運(yùn)動到底端，如圖15三種板塊模型圖所示，求解物體到達(dá)底端的速度大小。運(yùn)用三大規(guī)律，從力與運(yùn)動的關(guān)系、功能關(guān)系、動量與沖量的關(guān)系三個不同的視角都能解決，體現(xiàn)了不同規(guī)律的等價性。

假如修改上述問題：把光滑斜面改為固定的光滑曲面，求解物體到達(dá)底端的速度大小；或把上述光滑斜面改為置于光滑水平地面上的光滑曲面，求物體到達(dá)底端的速度大小?？梢宰穯枌W(xué)生以上問題三大規(guī)律是否都能適用，以此說明規(guī)律會有適用范圍。要引導(dǎo)學(xué)生通過重新回顧基本解題過程，從物理學(xué)的維度形成關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動、能量和相互作用的基本認(rèn)識，使得物理學(xué)概念和規(guī)律在教學(xué)過程中得以系統(tǒng)化，培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用物理知識和方法解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的能力。同時，把以上問題按其內(nèi)部聯(lián)系組成一個整體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，在學(xué)生頭腦中形成完整的知識結(jié)構(gòu)和方法應(yīng)用體系，真正實(shí)現(xiàn)方法、能力的正遷移，由此提升結(jié)構(gòu)化遷移的能力。

例5 如圖16所示，光滑弧形滑塊P鎖定在光滑水平地面上，其弧形底端切線水平，小球Q（視為質(zhì)點(diǎn)）的質(zhì)量為滑塊P質(zhì)量的一半，小球Q從滑塊P頂端由靜止釋放，Q離開P時的動能為Ek1。現(xiàn)解除鎖定，仍讓Q從滑塊P頂端由靜止釋放，Q離開P時的動能為Ek2，Ek1和Ek2的比值為多少？

相同規(guī)律在不同情境上的應(yīng)用，本質(zhì)上就是知識的遷移?？梢钥隙ǖ氖?，讓學(xué)生在更多的模型中使用規(guī)律解決問題，學(xué)生對規(guī)律的認(rèn)識將更加深入，所以這是一種正向遷移。更重要的是，要讓學(xué)生習(xí)慣把規(guī)律遷移到更多的模型中，而每次遷移都會在學(xué)生的認(rèn)知中形成一幅類似于圖17的屬于自己的新圖示，大量的認(rèn)知圖示支撐學(xué)生創(chuàng)造新的解決方案。

4 結(jié) 論

在物理教學(xué)實(shí)踐中，聚焦結(jié)構(gòu)化策略，以學(xué)科核心知識為統(tǒng)領(lǐng)，使獲得的知識形成系統(tǒng)化、層次化的完整的知識結(jié)構(gòu)體系，以提升學(xué)生的學(xué)科學(xué)習(xí)能力。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，高中物理復(fù)習(xí)時，以真實(shí)問題情境為載體，建構(gòu)合理的物理模型，進(jìn)行規(guī)范的物理分析，規(guī)范學(xué)生解決物理問題的思維流程，優(yōu)化解決物理問題的方法，著力于活化物理思維結(jié)構(gòu)；提高學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，增強(qiáng)解決問題的能力，著重于形成結(jié)構(gòu)化學(xué)習(xí)能力，提升高中物理復(fù)習(xí)的效能感，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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