摘 要：新知建構(gòu)是指將獲取的新信息與已有知識經(jīng)驗建立有意義聯(lián)結(jié)，并產(chǎn)生出新的觀點、知識或者方法的認識活動.本文基于對北京某中學的408名學生樣本和5位任課教師樣本進行的關(guān)于物理新知建構(gòu)認知水平的診斷性測試結(jié)果，深層挖掘新知建構(gòu)問題背后的認知問題，并為改善這些問題，提出精準指向新知建構(gòu)的高中物理教學資源開發(fā)的類型、原則、思路和案例.

關(guān)鍵詞：新知建構(gòu);認知能力;教學資源開發(fā)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）01-0010-04

作者簡介：張伶霞（1987-），女，碩士，中學一級教師，研究方向：物理課程與教學.

1 研究背景

本文是在物理新知建構(gòu)診斷結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出如何進行教學資源的開發(fā)，旨在將測試發(fā)現(xiàn)的問題落實在課程開發(fā)實踐中，以期幫助更多教師能夠自主開發(fā)新知建構(gòu)的教學資源，從而拓展新知建構(gòu)能力培養(yǎng)的途徑，為教學提供課程資源，提高新知建構(gòu)教學的精準度和有效性.

1.1 新課改對新知建構(gòu)能力的要求

“新知建構(gòu)”不是淺層次的“新知識記憶”，在素質(zhì)教育下它有著與“認知能力”有關(guān)的更深遠的內(nèi)涵.2017年9月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于深化教育體制機制改革的意見》中提出，要注重培養(yǎng)支撐終身發(fā)展、適應(yīng)時代要求的關(guān)鍵能力，并將關(guān)鍵能力的內(nèi)涵進一步闡釋為認知能力、合作能力、創(chuàng)新能力、職業(yè)能力.其中，認知能力——新知建構(gòu)已經(jīng)成為新課標和高考評價體系的重要內(nèi)容.

1.2 學生的新知建構(gòu)水平現(xiàn)狀

為診斷學生認知過程的物理新知建構(gòu)水平，我們將北京交通大學附屬中學高三年級408名學生和5名同校任課教師作為被試，采用紙筆測試和訪談的方式進行定量和定性的研究.診斷的具體指標，采用的是張玉峰博士提出的物理學科核心素養(yǎng)學習診斷內(nèi)容的（3+2）×3框架中關(guān)于新知建構(gòu)的三個二級指標：3C，即：C1信息變換與表征;C2信息整合與新知建構(gòu);C3關(guān)聯(lián)整合與策略遷移.診斷性測試結(jié)果表明：（1）學生整體得分情況與能力水平相符，C1信息變換與表征得分率高于整體得分，C2信息整合與新知建構(gòu)和C3關(guān)聯(lián)整合與策略遷移得分率低于整體得分，學生對于情境素材在選擇新知識、新方法等方面具備一定的能力，但對于信息抽象概括、推理論證以及整合與遷移方面還有待提高;（2）各層得分符合層級規(guī)律，且各層問題突出，個性化差異顯著;（3）教師期待與學生實際情況差異顯著.這說明基于診斷結(jié)果的精準教學資源開發(fā)為提高學生的新知建構(gòu)能力提供了很大的可能性.

2 資源類型

新知建構(gòu)是指將獲取的新信息與已有知識經(jīng)驗建立有意義連結(jié)，并產(chǎn)生出新的觀點、知識或者方法的認識活動.具有新知建構(gòu)能力培養(yǎng)價值的教學資源可以分為以下幾種類型.

2.1 指向物理學理論體系的教學資源

我們要開發(fā)的是由舊理論能夠生成新理論的物理理論教學資源.以科里奧利力概念的建構(gòu)為例，在研究赤道上方落體偏東現(xiàn)象的產(chǎn)生原因時，在學生已經(jīng)學過的“運動的合成與分解”的基礎(chǔ)上，通過推理論證建構(gòu)“科里奧利力”的概念.此外，還可以開發(fā)力矩、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心運動定理、巴爾末公式等物理理論類教學資源.

2.2 指向科技前沿的教學資源

前沿科學包括相對論、量子物理、天文宇宙等;前沿科技包括信息技術(shù)、生物技術(shù)、航天技術(shù)、航空技術(shù)、新材料技術(shù)、能源技術(shù)和先進制造技術(shù)等.

我們開發(fā)的是能將已有認知遷移到新情境、解決新問題或建構(gòu)新認知的前沿科技教學資源.比如中國天眼，利用學生已經(jīng)學過的點電荷產(chǎn)生的電場線建立太陽的球輻射模型，將通量守恒遷移到新情境中，解決天眼觀測脈沖星的問題等.此外，還可以開發(fā)黑洞、潮汐、光壓、光鉗技術(shù)、石墨烯、原子激光等前沿科技類教學資源.

2.3 指向?qū)嶒炘O(shè)計的教學資源

這里的實驗設(shè)計，特指創(chuàng)新實驗設(shè)計，即利用已學過的實驗原理和實驗方法，進行實驗方案的創(chuàng)新設(shè)計.包括儀器的創(chuàng)新、原理的遷移與創(chuàng)新.例如，用動力學方法測質(zhì)量，依據(jù)牛頓第二定律，設(shè)計一種在太空中測質(zhì)量的方法.此外，還可以開發(fā)簡諧運動與勻速圓周運動之間等同性實驗設(shè)計;用生活中的鋁管做光學（衍射）、機械振動（摩擦產(chǎn)生共振）、電磁學實驗設(shè)計;用手機中的各種物理APP（例如phyphox）測量速度、加速度、聲音分貝、光照強度等各種不易測量的物理量的實驗設(shè)計等.

2.4 指向物理學史的教學資源

我們開發(fā)的物理學史資源，是能夠由學生已經(jīng)學習的知識、方法和思想進行新發(fā)現(xiàn)的過程.例如，查德威克發(fā)現(xiàn)中子的過程，是由學生學過的動量守恒和能量守恒思想發(fā)現(xiàn)的.再如，康普頓——吳效應(yīng)、伽利略對自由落體運動的研究、人類對行星運動規(guī)律的認識、范德格拉夫靜電加速器、歷史上關(guān)于運動量度的爭議等物理學史教學資源.

2.5 與生產(chǎn)、生活應(yīng)用相關(guān)的教學資源

物理在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，都是為了解決生活中的問題而產(chǎn)生的.解決生活中的問題，都經(jīng)歷一個將實際問題抽象成理想模型、進而推理論證的過程.我們要開發(fā)的生活應(yīng)用類教學資源，是利用學生的已有認知可以解決的生活問題.例如，自動稱米機，將實際問題抽象成學生學過的運動模型、流體模型和碰撞模型，解決自動稱米機的精確問題.此外，還可以開發(fā)信用卡閱讀器、電磁爐、共享單車、雨滴下落等生產(chǎn)生活應(yīng)用類教學資源.

3 開發(fā)原則

3.1 科學性與階段性相統(tǒng)一

由于要建構(gòu)的新觀點、新知識、新方法多數(shù)是中學教材以外的，或超出中學學段要求的，甚至有些資源已經(jīng)超出了教師的認知范圍，因此教師對新知建構(gòu)教學資源的開發(fā)不會像課本知識那樣駕輕就熟.這導(dǎo)致在教學資源的開發(fā)中容易出現(xiàn)以下問題：（1）教師研究的不夠深入，容易出現(xiàn)科學性錯誤，誤導(dǎo)學生;（2）教師進行了深入研究，保證了資源的科學性，但資源的認知起點遠超出學生現(xiàn)階段的認知水平，也會使得教學資源不能真正促進學生新知建構(gòu)能力的發(fā)展.因此，在指向新知建構(gòu)教學資源的開發(fā)中，應(yīng)堅持科學性與階段性相統(tǒng)一的原則.

3.2 適當鋪墊思維臺階

新知建構(gòu)不是一蹴而就的，而是在多次尋找關(guān)聯(lián)中逐層形成的能力.所以，教學資源中應(yīng)鋪墊思維的臺階，引導(dǎo)和啟發(fā)學生跨越層級進行新知建構(gòu)的路徑.然而，思維的臺階如果鋪墊過多，則體現(xiàn)不出學生思維的張力;如果過少，則不能啟發(fā)學生將已有認知和新知進行有效的關(guān)聯(lián).因此，在指向新知建構(gòu)教學資源的開發(fā)中，應(yīng)遵循鋪墊思維臺階適當?shù)脑瓌t.

3.3 側(cè)重培養(yǎng)能力

教學資源開發(fā)的目的不是新知（新觀點、新知識和新方法）本身，而是建構(gòu)的能力（從已有認知到新知建構(gòu)的思維路徑）.換句話說，指向新知建構(gòu)教學資源的開發(fā)側(cè)重培養(yǎng)的是學習能力.若將建構(gòu)能力比作植物的根，則新知就是葉，根系發(fā)達，植物就會源源不斷地生發(fā)新葉，具有旺盛的生命力;如果側(cè)重新葉而忽略根的培育，那么呈現(xiàn)的只是虛假繁榮，植物很快便會枯萎.以此為例，是想說明指向新知建構(gòu)教學資源的開發(fā)應(yīng)遵循側(cè)重培養(yǎng)能力的原則，這樣學生認知的發(fā)展才有生命力.

3.4 類型多樣

資源的類型包括物理理論、前沿科技、實驗設(shè)計、物理學史、生產(chǎn)生活應(yīng)用等，每種資源側(cè)重培養(yǎng)的新知建構(gòu)能力指標不同.如果開發(fā)的教學資源過于單一，則會造成能力發(fā)展不均衡的結(jié)果.而學生建構(gòu)新認知的整個過程是環(huán)環(huán)相扣的，某一環(huán)節(jié)沒有完成，將會阻礙下一環(huán)節(jié)的進行.因此，指向新知建構(gòu)教學資源的開發(fā)，應(yīng)遵循資源類型多樣的原則.

4 開發(fā)思路

4.1 依據(jù)新知建構(gòu)能力培養(yǎng)目標，確定教學資源類型

本研究將3C指標作為新知建構(gòu)能力培養(yǎng)的目標，具體指標指向為：C1信息變換與表征，即通過閱讀觀察，能選擇有用的新知識、新方法等信息，并根據(jù)需要變換信息的表征方式;C2信息整合與新知建構(gòu)，即能抽象概括關(guān)鍵信息，建立信息與已有知識間的有意義聯(lián)系，經(jīng)過推理論證，得出新知識并反省認知策略;C3關(guān)聯(lián)整合與策略遷移，即能把新知識與已有知識建立聯(lián)系，并把新知識或者獲取新知識的策略遷移應(yīng)用在新的物理情境中.

依據(jù)新知建構(gòu)能力培養(yǎng)目標，有效確定教學資源類型，應(yīng)將培養(yǎng)目標和資源特點這兩個維度精準對接.

培養(yǎng)C1目標，可側(cè)重開發(fā)前沿科技類教學資源.前沿科技具有高難度、高知識密集度的特點，有助于培養(yǎng)學生閱讀和篩選有效信息的能力.培養(yǎng)C2目標，可側(cè)重開發(fā)物理理論、物理學史和生產(chǎn)生活應(yīng)用類資源.理論是指人們對自然、社會現(xiàn)象，按照已有的知識或者認知，經(jīng)由一般化與演繹推理等方法，進行合乎邏輯的推論性總結(jié).物理理論的新知建構(gòu)應(yīng)從學生的舊理論出發(fā)，通過推理論證得到新的理論，這個過程天然具有促進學生C2能力發(fā)展的功能.物理學史是物理學HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6/313183"＼t"_blank"在歷史進程中的發(fā)生、發(fā)展過程，蘊含了大量的物理思想和物理方法，是認識的一種方式.而物理的思想方法是尋找物理量邏輯關(guān)系的重要方式，是實現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)的重要途徑.再現(xiàn)物理學史就是再現(xiàn)構(gòu)建新認知的思維路徑，物理學史是能夠?qū)⑿轮?gòu)的認識方式顯化的教學資源.物理在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，都是為了解決生產(chǎn)生活中的問題而產(chǎn)生的.解決生產(chǎn)生活中的問題，都經(jīng)歷一個將實際問題抽象成理想模型、進而推理論證的過程，有助于C2能力的發(fā)展.培養(yǎng)C3目標，可側(cè)重開發(fā)實驗設(shè)計類教學資源.物理學以實驗為基礎(chǔ)，實驗是認識的一種重要方式，培養(yǎng)實驗遷移能力和創(chuàng)新能力，有助于C3能力的提升.

同時培養(yǎng)C1、C2、C3目標，可側(cè)重開發(fā)前沿科技類教學資源.科學要解決的問題，是發(fā)現(xiàn)自然界HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E8%87%AA%E7%84%B6%E7%95%8C/4760765"＼t"_blank"中確鑿的事實與現(xiàn)象HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%8E%B0%E8%B1%A1/2808631"＼t"_blank"之間的關(guān)系，并建立理論把事實HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E4%BA%8B%E5%AE%9E/132727"＼t"_blank"與現(xiàn)象HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%8E%B0%E8%B1%A1/2808631"＼t"_blank"聯(lián)系起來;技術(shù)的任務(wù)則是把科學的成果HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E6%88%90%E6%9E%9C/3820163"＼t"_blank"應(yīng)用到實際問題中去，見表1.前沿科技類教學資源有助于培養(yǎng)學生的C1閱讀與篩選信息的能力、C2抽象概括和建模的能力以及C3關(guān)聯(lián)整合與策略遷移的能力.

4.2 依據(jù)教學資源類型，搜集素材

我們以前沿科技類教學資源為例，談?wù)勅绾嗡鸭夭?前沿科學包括相對論、量子物理、天文宇宙等;前沿技術(shù)包括信息技術(shù)、生物技術(shù)、航天技術(shù)、航空技術(shù)、新材料技術(shù)、能源技術(shù)和先進制造技術(shù)等方面.我們將目標聚焦到量子物理方面，通過查閱大量資料，能夠找到很多量子物理方面的前沿研究，包括光壓、空間冷原子鐘等等.如何從眾多主題中確定我們要開發(fā)的主題呢？這時，我們要遵循一個原則：該主題的素材能夠以學生的現(xiàn)有認知為起點，構(gòu)建新的認知.只要符合這個原則，就是可開發(fā)的教學資源.其中，光壓的產(chǎn)生機理如同氣體壓強，可由學生已有的關(guān)于氣體壓強的認知構(gòu)建光壓的定義式.那么，光壓就可以作為我們最終確定的素材主題.例如，前沿科技類教學資源的素材主題，見表2.

搜集素材的途徑有很多，我們應(yīng)通過多種途徑搜集同一主題的素材，以確保素材的科學性.

4.3 依據(jù)學生學習實際和新知建構(gòu)能力目標，重組、整合素材，形成教學資源

搜集的素材是零散缺乏關(guān)聯(lián)的，沒有明確的培養(yǎng)目標，無法為發(fā)展學生的新知建構(gòu)能力服務(wù).因此，素材需經(jīng)過重組和整合，才能形成教學資源.重組、整合素材應(yīng)依據(jù)學生學習實際和新知建構(gòu)能力目標兩個維度進行，如此形成的教學資源才能精準指向這些學生新知建構(gòu)能力的發(fā)展.具體操作如下：

第一，重組素材.重組素材就是要篩選有效素材，并進行邏輯重組.首先，我們應(yīng)將搜集的素材群進行取舍.教師應(yīng)寫出從學生已有認知到建構(gòu)新知的思維路徑，已知體現(xiàn)了學生的學習實際，新知體現(xiàn)了新知建構(gòu)的能力目標.然后，分析學生需要掌握哪些信息才能完成該思維路徑.這些信息應(yīng)該由素材來提供，與此無關(guān)的素材可以舍掉.這樣，我們就初步篩選了有效素材.然后，還需要對這些素材進行邏輯重組，使其成為一個有結(jié)構(gòu)的整體.

第二，整合素材.整合素材就是依據(jù)新知建構(gòu)能力目標將新知轉(zhuǎn)化為最終問題，然后依據(jù)學生的認知水平，將最終問題拆解為多個小問題，從而為學生鋪墊思維的臺階，再依據(jù)這些小問題，將重組的素材進行優(yōu)化形成問題情境（即學生的閱讀材料）.整合后最終形成的教學資源，以問題情境和問題設(shè)置的方式呈現(xiàn).如何才能依據(jù)學生的實際適切整合素材呢？首先要了解與素材中的新知有關(guān)的已有認知，學生掌握到了什么程度;還要分析從已有認知到新知建構(gòu)的路徑中需要的能力，學生達到了什么水平.開發(fā)的素材與學生認知水平匹配，即適切整合.思維臺階的梯度和落腳點應(yīng)如何設(shè)置呢？設(shè)置的問題，就是引導(dǎo)、啟發(fā)學生的思維臺階.鋪墊適當?shù)乃季S臺階，才能體現(xiàn)問題設(shè)置的價值.對于思維能力強的學生，設(shè)置的問題思維臺階梯度大一些、數(shù)量少一些;對于思維能力弱的學生，設(shè)置的問題思維臺階梯度小一些、數(shù)量多一些.把握好度，即適當.思維臺階設(shè)置在哪兒，要看學生新知建構(gòu)的難點在哪兒.如何將重組的素材進行優(yōu)化形成問題情境呢？這取決于學生信息變換與表征的能力.一個具體的物理問題，有著客觀的物理情境，學生從自己的認知水平和已有經(jīng)驗出發(fā)，對問題的言語表述、附圖所包含的信息進行搜索、選擇、分析和組織，產(chǎn)生主觀理解，建立關(guān)于問題情境的內(nèi)部表征.如果主觀的內(nèi)部表征與問題的真實情境相適應(yīng)，則為順利解決問題提供的先決條件.學生能否有效搜索、選擇信息，取決于原有認知結(jié)構(gòu).問題情境盡可能呈現(xiàn)那些與學生原有認知相近的問題信息，其原有認知包括結(jié)構(gòu)性知識和未納入知識結(jié)構(gòu)的零散記憶，還包括大量的非結(jié)構(gòu)性經(jīng)驗.如果學生原有認知結(jié)構(gòu)性差，那么就要減少素材中的無關(guān)信息，增加具有較強約束的信息，增大學生產(chǎn)生適宜表征的幾率，即對素材優(yōu)化形成的問題情境.

將素材群開發(fā)成教學資源的路徑如圖1所示.

5 開發(fā)案例思路

本案例開發(fā)的思路：第一，明確該教學資源指向培養(yǎng)新知建構(gòu)的C1、C2、C3目標，依據(jù)這個目標確定教學資源類型為前沿科技類.第二，依據(jù)前沿科技類教學資源，搜集素材.該類資源素材眾多，筆者將目標鎖定為與學生現(xiàn)階段學習的天體運動相關(guān)的天文宇宙方面.北京市新教材《普通高中教科書物理必修2》的《第七章 萬有引力與宇宙航行》第64頁“科學漫步”介紹了黑洞.通過研讀教材，筆者將黑洞作為素材的主題.黑洞半徑對學生來說是個新知，由第二宇宙速度可推導(dǎo)得出黑洞半徑，但第二宇宙速度的推導(dǎo)教材中沒有介紹，不是學生應(yīng)知必會的內(nèi)容.因此，循著天體運動和相對論的足跡，查閱了中文版美國高中物理教材《物理原理與問題（上冊）》第202頁“物理學前沿”關(guān)于黑洞的內(nèi)容，其介紹了奇點、施瓦茲希爾半徑、視界的概念，我們能夠了解到施瓦茲希爾依據(jù)廣義相對論推導(dǎo)黑洞半徑的結(jié)果，但學生還未學習廣義相對論，不具備以此作為起點構(gòu)建黑洞半徑的能力.筆者繼續(xù)搜索大學教材《新概念物理教程 力學（第二版）》，其中“第七章 萬有引力”第346頁對第二宇宙速度做了詳細推導(dǎo)，且介紹了拉普拉斯通過牛頓力學體系中能量守恒定律推導(dǎo)得到的黑洞半徑，與施瓦茲希爾通過廣義相對論推導(dǎo)得到的黑洞半徑，結(jié)果不謀而合.那么，牛頓力學體系就作為學生認知的起點，構(gòu)建“黑洞半徑”新知.第三，依據(jù)學生學習實際和新知建構(gòu)能力目標，重組、整合素材，形成“問題情境+問題設(shè)置”模式的教學資源.搜索的黑洞素材中，保留關(guān)于施瓦茲希爾和拉普拉斯關(guān)于推導(dǎo)黑洞半徑的歷史，舍去奇點等無關(guān)概念.將黑洞半徑的推導(dǎo)作為C2目標;將引力勢能的表征作為C1目標，同時起到為建構(gòu)黑洞半徑鋪墊思維臺階的作用;為了促進C3目標知識的遷移和創(chuàng)新能力發(fā)展，在黑洞半徑的基礎(chǔ)上推理黑洞半徑與黑洞密度的關(guān)系.大問題拆解成了三個小問題，梯度適宜，即完成了問題設(shè)置，其余素材作為問題情境，并依據(jù)學生實際進行優(yōu)化.

參考文獻：

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（收稿日期：2020-11-11）