【优秀硕士博士论文】中学物理教学设计研究

硕士学位论文论文题目中学物理教学设计研究学科专业教育技术学完成日期2008年5月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ASTUDYONTHEINSTRUCTIONALDESIGNOFMIDDLESCHOOLPHYSICSABSTRACTTHESTUDYISBASEDONLEARNINGACTIVITYCENTEREDINSTRUCTIONALDESIGN,ANDBELONGSTOTHECATEGORYOFINSTRUCTIONALDESIGNRESEARCHFORDISCIPLINES,ANDTHEAUTHORSELECTSPHYSICSASTHESUBJECTTOBESTUDIEDBEFORETHEUNDERTAKINGOFTHISSTUDY,THEREHASALREADYBEENRELATEDINSTRUCTIONALDESIGNTECHNOLOGYRESEARCHONMATHEMATICSANDCHEMISTRYFORMIDDLESCHOOLINTHISSTUDY,RELATEDPREVIOUSRESEARCHWORKISUSEDASREFERENCEINRECOGNITIONOFTHESPECIALCHARACTERISTICSOFPHYSICS,SUCHASITSSTRICTANDRIGOROUSKNOWLEDGESTRUCTURE,PROBLEMORIENTEDINSTRUCTIONALFEATURESWITHSITUATIONASTHEMAINOUTLINE,THEAUTHORCONDUCTSANINDEPTHRESEARCHINTOTHEINSTRUCTIONALDESIGNTECHNOLOGYFORMIDDLESCHOOLPHYSICSFROMTHETHREEASPECTSOFKNOWLEDGEMODELING,PROBLEMDESIGNANDTHEDESIGNOFACTIVITIESAIMINGATFOSTERINGSTUDENTSCAPABILITIESITISHOPEDTHATTHISWILLPROVIDEMIDDLESCHOOLPHYSICSTEACHERSWITHARATIONALTECHNOLOGYFORINSTRUCTIONALDESIGNENABLETHEMTODESIGNAPPROPRIATEANDUNIQUETASKSACCORDINGTOINSTRUCTIONALNEEDS,DESIGNSUITABLEPROBLEMSACCORDINGTODIFFERENTSTUDENTSMASTERYOFKNOWLEDGE,ANDFORMASOUNDINSTRUCTIONALACTIVITYBYCOMBINGTHETASKSANDPROBLEMSWITHPARTICULARFORMS,STRATEGIESANDEVALUATIONMETHODSTHISRESEARCHISCOMPOSEDOFTHEFOLLOWINGFOURPARTS1KNOWLEDGEMODELINGRULESFORMIDDLESCHOOLPHYSICSINTHISPART,THEAUTHORESTABLISHESTHEKNOWLEDGEMODELINGRULESFROMTHETHREEASPECTSOFKNOWLEDGECLASSIFICATION,DIFFERENTTYPESOFRELATIONSBETWEENKNOWLEDGEPOINTS,ANDDIFFERENTTYPESOFKNOWLEDGEMODULESPATTERNDIAGRAMS2PROBLEMDESIGNTECHNOLOGYFORMIDDLESCHOOLPHYSICSBASEDONRELATEDPREVIOUSRESEARCHONMATHEMATICSANDCHEMISTRY,THEAUTHOREMPHASIZESUPONEXPLORINGTHEBASICTHOUGHTSOFPROBLEMDESIGN,THEMAPPINGRULESOFKNOWLEDGERATIOCINATIONROUTESANDSOON3DESIGNOFACTIVITIESAIMINGATFOSTERINGLEARNERSCAPABILITIESFORMIDDLESCHOOLPHYSICSLIKEMATHEMATICSANDCHEMISTRY,TASKSOFMEANINGCONSTRUCTINGACTIVITIESINPHYSICSCONSISTOFNINEDIFFERENTKINDSANDFOSTERINGSTUDENTSABILITIESOFPROBLEMSOLVINGISINCLUDEDINTHENEWCURRICULUMSTANDARDSASTHEBASICREQUIREMENTTHEREFORE,INTHEPARTOFACTIVITYDESIGN,THEAUTHORLAYSTHEEMPHASISUPONTHEDESIGNOFCAPABILITYFOSTERINGANDPROBLEMCENTEREDACTIVITY,ANDCONSTRUCTSTHEELEMENTSOFCAPABILITYFOSTERINGACTIVITY4LIMITATIONANALYSISONINSTRUCTIONALDESIGNOFMIDDLESCHOOLPHYSICSLIMITATIONANALYSISOFTECHNOLOGICALARTIFACTSISTHEMOSTIMPORTANTRESEARCHMETHODUSEDINTHISSTUDYINTHISPART,ACCORDINGTOTHERESULTOFLIMITATIONANALYSISONCAPABILITYFOSTERINGACTIVITYPLANNINGANDPHYSICSPROBLEMS,THEAUTHORMAKESASUMMARYOFTECHNOLOGICALPROCESSRELATEDPROBLEMSINTHELIMITATIONANALYSIS,ANDIMPROVESTHEDESIGNINGBYWAYOFSELFCONSISTENCYVERIFICATIONBASEDONKNOWLEDGERATIOCINATIONROUTESKEYWORDSKNOWLEDGEMODELINGFORPHYSICS,QUESTIONDESIGNINGFORPHYSICS,CAPABILITYFOSTERINGACTIVITY，LIMITATIONANALYSISOFTECHNOLOGICALARTIFACTS，KNOWLEDGERATIOCINATIONROUTES,SELFCONSISTENCYVERIFICATION目录中学物理教学设计研究I摘要IASTUDYONTHEINSTRUCTIONALDESIGNOFMIDDLESCHOOLPHYSICSII目录1正文图表目录3附录图表目录61绪论111研究的必要性112国内外研究现状分析2121物理教学领域中关于知识分析的研究现状分析2122物理教学领域中关于问题设计的研究现状分析3123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313研究的目标与意义4131知识分析方面4132问题设计方面4133能力生成类活动设计方面414研究内容和方法5141研究的内容5142研究的方法52中学物理学科知识建模技术721引言722物理学科中的知识点类型8221符号和名称类知识点SM（SYMBOL）8222概念类知识点CN（CONCEPT）9223原理公式类知识点PF（PRINCIPLEANDFORMULA）9224事实范例类知识点FC（FACTANDCASE）9225过程步骤类知识点PS（PROCESSANDSTEPS）9226认知策略类知识点CS（COGNITIVESTRATEGY）1023物理学科中知识点之间的关系10231概念与其它类型知识点的关系10232原理公式与其它类型知识点的关系11233事实范例与其它类型知识点的关系11234过程步骤与其它类型知识点的关系12235认知策略与其它类型知识点的关系1224物理学科中知识组块模式图的构建12241目标知识点为概念类知识点13242目标知识点为原理公式类知识点14243目标知识点为事实范例类知识点14244目标知识点为过程步骤类知识点15245目标知识点为认知策略类知识点1525物理学科中知识建模的步骤及其例子15251物理学科中知识建模的步骤15252物理学科知识建模的具体例子1626知识建模在中学物理教学设计中的作用25261有助于教师进行意义建构类学习任务设计25262为物理教师进行问题设计提供依据27263小结273中学物理学科问题设计技术2931中学物理学科中问题设计技术的具体思路2932中学物理学科中问题设计技术的要素说明29321物理知识网络图29322问题原型的选取30323问题的知识推理路径30324增加、删除、修改操作ADM操作3333中学物理学科中问题设计技术的具体例子34331【例子1】选取已学知识点的问题原型34332【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3841中学物理学科能力生成类活动任务介绍38411一般的能力生成类活动任务38412物理学科中的能力生成类活动任务3842中学物理学科能力生成类活动方案设计3943中学物理学科能力生成类活动方案设计例子39431绘制本章的知识网络图40432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40433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4751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47511六个活动方案调查结果的统计和分析结果47512活动方案设计缺陷分析小结5052中学物理学科问题设计的缺陷分析及归因5152113个物理问题的调查结果的统计5152213个物理问题的调查结果的总体分析57523问题设计缺陷分析小结5953采取的解决办法知识推理路径的自完备性检验59531物理知识推理路径的作用59532物理知识推理路径的自完备性检验606研究的不足及展望6461通过问题设计技术设计出的题目难度等级如何定6462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78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116图15具体例子的知识建模过程216图16具体例子的知识建模过程317图17具体例子的知识建模过程417图18具体例子的知识建模过程517图19具体例子的知识建模过程618图20具体例子的知识建模过程718图21具体例子的知识建模过程819图22具体例子的知识建模过程919图23具体例子的知识建模过程1020图24具体例子的知识建模过程1120图25具体例子的知识建模过程1221图26具体例子的知识建模过程1321图27具体例子的知识建模过程1422图28具体例子的知识建模过程1522图29具体例子的知识建模过程1623图30具体例子的知识建模过程1723图31具体例子的知识建模过程1824图32具体例子的知识建模过程1924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132图36绘制步骤232图37绘制步骤332图38绘制步骤432图39绘制步骤533图40问题设计技术具体例子的“知识网络图1”34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11”问卷结果统计图表51图64“问题12”问卷结果统计图表52图65“问题13”问卷结果统计图表53图66“问题22”问卷结果统计图表53图67“问题24”问卷结果统计图表54图68“问题32”问卷结果统计图表54图69“问题33”问卷结果统计图表55图70“问题42”问卷结果统计图表55图71“问题43”问卷结果统计图表56图72“问题52、53、54”问卷结果统计图表56图73“问题62”问卷结果统计图表57图74新题11的知识推理路径61图75新题12的知识推理路径62图76新题13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活动四44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59附录图表目录图1问题原型的知识推理路径67图2新题11的知识推理路径67图3新题12的知识推理路径67图4新题13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68图7新题21的知识推理路径69图8新题21中的图69图9问题原型3的知识推理路径69图10新题31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41的知识推理路径70图14新题42中的图71图15问题原型5的知识推理路径71图16新题51的知识推理路径71图17新题52的知识推理路径72图18新题52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21新题71的知识推理路径74图22新题71中的图741绪论11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。12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。121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，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。122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。123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。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。13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。131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。132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。133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完善以学习活动为中心教学设计理论中的活动设计技术。14研究内容和方法141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。142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集。图1技术人造物缺陷分析法研究流程图2中学物理学科知识建模技术21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”、“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FMA力加速度结论包含结论包含功WFSCOS定义公式结论包含结论包含位移夹角结论包含IFT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。22节至24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。25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。22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。221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、，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222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。223原理公式类知识点PF（PRINCIPLEANDFORMULA）中学物理中的原理公式类知识点主要包括公式类，如“SV0TAT2/2”、“AVTV0/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（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力”；自然界普遍存在的物理性质，如“力是使物体产生加速度的原因”等。224事实范例类知识点FC（FACTANDCASE）中学物理中的事实范例类知识点主要包括自然物理现象，“汽车紧急停车时，人会向前倾”；物理实验，如“用游标卡尺测直径”、“验证力的平行四边形定则”等；概括性的物理问题，如“所有加速上升或减速下降的范例”。225过程步骤类知识点PS（PROCESSANDSTEPS）中学物理中的过程步骤类知识点主要包括物理中某类问题的解决过程，主要与事实范例类知识点相联系，如“受力分析步骤”、“运用机械能守恒定律解题的一般步骤”等；与物理实验中的范例类知识点相对应的知识，如“将电路按图连接好”、“将游标卡尺首先进行调零”等。226认知策略类知识点CS（COGNITIVESTRATEGY）中学物理中的认知策略类知识点主要是指物理中特有的一些思维方式，如“等效思维”、“理想实验思维”、“物理模型思维”。23物理学科中知识点之间的关系接着，我们需要找出物理学科中各个知识点之间的关系类型。根据心理学、物理教学论的已有研究，我们总结出以下的关系类型，主要就22节中提到的各个知识点类型分别进行阐述。基于符号类知识点不再作为高中物理的考察对象，因此我们不再讨论符号类知识点与其它类型知识点的关系。主要讨论剩下的5种。231概念与其它类型知识点的关系在中学物理学科中，概念类知识点与其它类型知识点的关系及举例如图3所示。CNCNCN是（一种）是一种CNCNCNCNCNCNCNCNCN派生具有属性相似等价定义公式相反失重PF相反CN曲线运动平抛运动超重定义公式功率PW/T大小标量具有属性位能势能等价重力势能弹性势能相似关系类型举例CNCN组成组成动能机械能加速度速度派生5“”,“”,“”,“”,“”,4关系说明CNCN并列匀速直线运动静止并列“”,“”,“”,“”,图3概念与其它类型知识点间的关系及举例与原理论相比，这部分知识点间的关系基本没有变化，只是从中学物理学科角度对各个关系类型进行了界定说明。首先，需要说明下在中学物理中如何区分的同位关系，我们借助于知识点本身所代表的实际意义，如可将“重力”和“压力”之间定为相似关系、“作用力”和“反作用力”之间通过相反关系相连、“速度”和“加速度”为派生的关系、“视重”和“物体对支持物的压力”之间视为等价关系，除了这些关系以外的其它同位关系都认为是并列关系。再次，还需对“派生”关系做一个小的说明。根据物理学科中概念发展的一些特有规律，我们可在某一概念的出现以另一概念的存在为前提的这样两个概念间建立“派生”关系。232原理公式与其它类型知识点的关系在中学物理学科中，原理公式类知识点与其它类型知识点的关系及举例如图4所示。与原理论相比，中学物理的知识点关系中，增加了原理与原理间的“等价”关系，不存在原理与概念间的“是一种”和“结果包含”关系，原理与原理之间的“逆命题”、“相似/相反”关系，大量存在的关系类型为“结论包含”，其次为“条件包含”、“内容包含”、“是前提”。233事实范例与其它类型知识点的关系在中学物理学科中，事实范例类知识点与其它类型知识点的关系及举例如图5所示。与原理论相比，中学物理的知识点关系中，增加了事实范例与事实范例间的“是一种”关系。PFPFPFCNCN结论包含PF条件包含并列PFPF内容包含EK1/2MV2条件包含力的三大定律牛顿第三定律内容包含关系类型举例VTGTPFV并列PW/T“”“”“”“”“”“”速度结论包含自由落体运动PFPF是前提WGMGH1MGH2机械能守恒定律是前提PFPF等价惯性定律等价牛顿第三定律关系说明图4原理公式与其它类型知识点间的关系及举例包含所有加速上升或减速下降的事例超重包含需要用惯性定律或牛顿第一定律来解释的范例现象牛顿第一定律惯性定律FCCNPFPS关系类型举例需要通过牛顿运动定律解决问题的范例包含运用牛顿运动定律解题的一般步骤涉及到简谐振动的几种表述的范例包含CS包含FCFC是一种“”“”关系说明等效思维涉及斜面问题的事例需要通过牛顿运动定律解决问题的范例是一种图5事实范例与其它类型知识点间的关系及举例234过程步骤与其它类型知识点的关系在中学物理学科中，过程步骤类知识点与其它类型知识点的关系及举例如图6所示。与原理论相比，中学物理的知识点关系中，最常出现的为过程步骤与概念及原理类知识点间的包含关系，其次为过程步骤与过程步骤间的“步骤包含”关系。其它的关系类型都比较少见。235认知策略与其它类型知识点的关系在中学物理学科中，认知策略类知识点与其它类型知识点的关系及举例如图7所示。与原理论相比，中学物理的知识点关系中，最常出现的认知策略与概念间的“包含”关系、与过程步骤间的“步骤包含”关系，其它关系比较少见。24物理学科中知识组块模式图的构建通过物理知识建模，在知识网络图中存在着一个个具有特定关系的子图，我们可以将这些子图称为知识组块模式图。我们需要明确物理学科中知识组块模式图构建的目的。一是为物理学科教师绘制物理知识网络图提供理性指导；另一个是为物理学科教师进行活动任务的设计提供一些可参考的价值。因此，下面我们所构建的知识组块模式图主要也是考虑到这两方面。分类主要依据目标知识点类型。“”“”PSPSPSPFCN步骤包含包含包含分析场力（重力、磁场力、电场力）包含场力受力分析步骤确定研究对象步骤包含关系类型举例根据牛顿运动定律和运动学公式列方程求解牛顿第三定律关系说明图6过程步骤与其它类型知识点间的关系及举例“”“”PS步骤包含用相应等效对象的特征来解决被等效对象问题步骤包含关系类型举例关系说明等效思维CSCSCN包含包含“质点”模型思维质点图7认知策略与其它类型知识点间的关系及举例241目标知识点为概念类知识点重力弹力摩擦力压力支持力是是是是是力此模式图反映了概念之间的上下位关系，适合于对概念进行不同角度的分类。例图中，从性质和效果两个角度对力的分类信息。CNCNCN是是CNCN是是CNCN是（一种）是（一种）该模式图常用来描述某个概念的组成成分。机械能动能势能组成组成CNCNCN组成组成该模式图常用来表征某一概念所具有的属性特征。此模式图适合于一些定义性概念，通过定义公式可以为几个不存在同位关系但又有一定联系的概念间建立联系。从而进一步揭示概念的本质特征。矢量具有属性大小具有属性方向模式图12模式图13CN具有属性具有属性CNCN模式图14CNPF模式图15该模式图常用来揭示实例中所蕴含的概念。FCCN包含模式图16模式图举例说明拉力是力是CNCNCN是（一种）是（一种）所有加速下降或减速上升的范例失重包含导出单位力N速度M/S是（一种）是（一种）定义公式CNCN结论包含结论包含惯性物体的这种保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质叫做惯性定义公式静止匀速直线运动结论包含结论包含模式图11此模式图仅反映了概念之间的上下位关系图8概念类知识点模式图242目标知识点为原理公式类知识点模式图举例说明转弯时行车质量与安全问题包含质量是物体惯性大小的量度SGT2/2结论包含自由落体运动条件包含该模式图常用来表征原理之间的包含关系。FCPF包含模式图21该模式图常用来揭示蕴含于某实例中的原理。该模式图常用来表征某原理成立的条件及所包含的参数。模式图22PF包含包含包含CNCNCN内容包含内容包含力的三大定律牛顿第一定律牛顿第二定律F合MA牛顿第三定律内容包含模式图23PFPF内容包含PF内容包含PF内容包含结论包含结论包含位移S重力加速度G时间TPFPF是前提模式图24是前提WGMGH1MGH2机械能守恒定律该模式图常用来表征原理之间的先后关系。图9原理公式类知识点模式图243目标知识点为事实范例类知识点模式图举例说明匀速圆周运动涉及匀速圆周运动的事例包含该模式图常用来描述蕴含某概念、原理、认知策略的实例。该模式图常用来描述包含某过程的实例。模式图33模式图35该模式图常用来描述范例的下位组成范例。模式图31FCCN包含模式图34FCPF包含模式图32FMV2/R包含FC包含PSPSPSPSPS步骤包含步骤包含步骤包含步骤包含需要通过牛顿运动定律解决问题的范例包含运用牛顿运动定律解题的一般步骤选取研究对象研究对象的受力情况分析及运动情况分析进行必要的力的合成和分解根据牛顿运动定律和运动学公式列方程求解对解的合理性进行讨论步骤包含步骤包含步骤包含步骤包含步骤包含FCFCFC是一种是一种需要通过牛顿运动定律解决问题的范例所有加速上升或减速下降的事例所有加速下降或减速上升的范例是一种是一种FCCS包含涉及到刚体的范例物理模型思维包含图10事实范例类知识点模式图244目标知识点为过程步骤类知识点模式图举例说明该模式图常用来说明某一过程步骤的操作构成。模式图42模式图43PFPS包含PSPSPS步骤包含步骤包含PS步骤包含模式图41CNPS包含分析系统初态、末态的位置、速度，明确系统初态末态的势能和动能动能包含该模式图常用来说明某过程步骤所包含的概念、原理包含EK1/2MV2步骤包含步骤包含步骤包含确定研究对象整理图形中已经画出的力分析场力（重力、磁场力、电场力）分析弹力（如果没有弹力就不用分析摩擦力）步骤包含分析摩擦力（注意分析是静摩擦还是动摩擦力）步骤包含受力分析步骤图11过程步骤类知识点模式图245目标知识点为认知策略类知识点25物理学科中知识建模的步骤及其例子251物理学科中知识建模的步骤物理学科中知识建模的基本过程可用如图13所示的流程图表示。主要包括以下四步第一步，确定物理学科中相应内容的目标知识点类型。物理学科中模式图的构建主要是以目标知识点为核心的，因此我们在这里需要明确一下目标知识点如何定。确定目标知识点时可以依据以课本中出现的新知识点作为目标知识点；参照教师参考用书中规定的目标知识点。模式图举例说明该模式图常用来说明某一认知策略的操作构成。模式图51PSPS步骤包含步骤包含PS步骤包含步骤包含步骤包含判断为何种类型的等效用相应等效对象的特征来解决被等效对象问题CS等效思维图12认知策略类知识点模式图第二步，根据目标知识点类型选取对应的物理知识组块模式图。在确定好目标知识点之后，我们在所有目标知识点中任选一个，根据其类型为其选择合适的知识组块模式图。第三步，选择核心知识点。核心知识点作为继续选择知识组块模式图的基点，其实质仍是目标知识点。如果画出的知识组