物理解题能力差异成因的认知因素探析，本文主要内容关键词为：探析论文,成因论文,认知论文,差异论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
解题能力是学习能力体现的一种内在素质。解题是一系列有目的指向的认知操作过程，以问题目标为定向的心理活动或心理过程，而能力是指人们顺利地完成某项活动的个性心理特征。解题能力属于特殊能力，是调节解题活动的个性心理特征，依据能力的类化经验说，解题能力是解题活动的性能稳定的内在调节机制，是控制解题活动进行的一种心理结构；依据心理的反映论观点，解题能力是一种类化了的经验结构，即概括化、系统化的解题知识和解题技能。
一、解题能力发展必备的物理认知结构的基础不同形成物理解题能力的差异
学生头脑中的物理认知结构是构成解题能力要素之一和形成解题能力发展的必备基础。Lawson等对优、差生的解题能力结构作了比较，结果认为优良的解题能力结构依托于优良的认知结构。物理认知结构的完善程度是造成物理解题能力差异的重要原因。物理认知结构主要涉及3个方面：物理知识储备量、物理知识的组织程度和物理知识在头脑中的表征方式。
1.物理教材中的概念、定理、公式等知识，相对各种习题而言，属于上位知识，这些上位知识一般由教师教授，无需学生自发形成，几乎解题能力中差的学生普遍存在物理概念、定理、公式等基础知识的缺陷，即大脑中的物理知识储备量不足。认知加工水平与相关的知识储备量有着密切关系，知识储备量的不足导致其认知加工水平低下，进而影响解题活动的进程。
2.对知识进行组织和完善好比构建认知结构的“脚手架”，零碎与分散的物理知识，对学生构建物理认知结构是单薄的。物理知识的组织程度低，会限制学生在解题活动中有效提取或检索与问题相关的知识，导致不能激活或不能有效使用已激活的物理知识。例如2012年安徽高考第22题第（2）问的解答，已学过动能定理及能量守恒定律的不少学生仍采用动力学的方法求解，反映出这些学生在认知结构的建构上的滞后性，没有建立物理知识整体框架的良好组织程度。在这些学生大脑中，动力学方法比动能定理及能量守恒定律优先激活，具有相对优势兴奋性。还有部分学生，虽然能熟记动能定理及能量守恒定律的表达式和适用条件，但遇到具体题目却无法激活该物理知识，形成解题活动中的障碍。
3.认知心理学把知识表征定义为信息在人脑中的呈现方式和记载方式。有效研究学生解题能力产生差异的原因，应从研究知识在大脑中的表征入手。在解题活动中，学生仅依靠习得的物理基础知识还不够，需能够建立知识之间正确的联系，把知识表征到能够一触及问题情境或有关条件便能够自动被提取和运用的程度，譬如把题目中阐述的内容情境转化为物理图景的表象等。另外，题目的重要组成部分是由语言表征的数量关系情境，相对于内容情境而言，它是某种意义上的结构图式，是从非内容的角度考虑某事物形式结构的一种知识表征形式。例如2012年全国新课标卷第25题，由阅读整个试题获取信息来表征题中的图式及数量关系，由于它是一种不具形的陈述性知识，每个人对这种知识的表征差异很大，譬如对该题表征的数量关系转化为物理条件，有的学生表征很顺利，有的学生就有困难，无法正确表征，因而表现出来的解题能力差异较大。
二、解题活动起始阶段的解题情境辨认的反映认知程度不同形成物理解题能力差异
解题活动中，首先是解题情境的辨认，在头脑中建立题目结构的表征，这种情境辨认过程即我们所常说的“审题”。在认知心理学中，审题称为问题的表征，把物理属性抽象出来是审题的特征，审题的核心过程是实现由题目文字（符号）表述到题目物理条件和问题的转化，实际上是把问题中的每一个陈述转换成解题者内部心理表征的过程。例如2012年全国新课标卷第25题：“如图1，一半径为R的圆表示一柱形区域的横截面（纸面）。在柱形区域内加一方向垂直于纸面的匀强磁场，一质量为m、电荷量为q的粒子沿图中直线在圆上的a点射入柱形区域，在圆上的b点离开该区域，离开时速度方向与直线垂直。圆心O到直线的距离为
R。现将磁场换为平行于纸面且垂直于直线的匀强电场，同一粒子以同样速度沿直线在a点射入柱形区域，也在b点离开该区域。若磁感应强度大小为B，不计重力，求电场强度的大小。”审题后将其表述转化为物理条件（图2），解题能力不同的学生转化的结果差异较大，转化的结果很大程度上决定解题的成败，部分学生难以产生解题顿悟，且缺乏审题方面的策略性知识，由此形成不同学生之间解题能力的差异。
三、解题思维过程中的物理问题情境表象表征不同形成物理解题能力差异
在物理学习过程中，在大脑中会自动形成一系列合理的条件化的物理表征“词一像”反应结构。这种反应结构犹如巴甫洛夫的条件反射实验和斯金纳的操作条件反射实验，刺激为S，反应为R，经过训练后，S-R联结自动实现，即当问题情境S一出现，R反应便自动实现，又称作知识的条件化联系。物理解题能力的形成过程就是物理学科上位知识与各种下位问题情境类型在学生大脑中建立条件化联系的过程。解题活动实际上是解题者已有的知识与表征题目的语言文字所表示的内容之间相互作用的过程，即解题的过程是同化的过程，将题目所描述的物理现象译成物理情境图象输入大脑暂时储存，然后大脑进行一系列复杂的心理操作，使问题得以解决。所有问题情境的牢固记忆、及时提取和识别，以及与之相应的自动化或半自动化反应的联结，构成了解题能力的差异。
物理解题能力优秀的学生大脑中，都建立了大量的类似S-R自动反射的语词与具体表象经验的自动联结。例如由2012年上海高考第10题的描述：“小球每隔0.2s从同一高度抛出，做初速度为6m/s的竖直上抛运动，设它们在空中不相碰。第1个小球在抛出点以上能遇到的小球数为几个？”学生便会在脑中自动表征出象征画面：在某一高度，若干小球竖直上抛；对题中关键词的意义表征：以第1个小球为关注点，每隔0.2s抛出的多个小球在空中上升或下降。这种表征是在学生读题过程中自动实现的。当学生大脑中的这种自动化同步实现的条件化语词与意义表征知识组块非常有限时，就可能在审题过程中出现“盲区”，注意力也不自主地集中在“盲区”，使得其他思维无法正常进行下去。例如，学生在解答2012年江苏高考第8题时，试题中出现“日地拉格朗日点”，不知其为何意，强迫性的把注意力集中在不能做出表象反应的语词上面，形成障碍性思维反应，有的甚至形成不经过思考便放弃的过敏性反应。
四、解题活动进程中调节定向机能的物理分类知识结构不同形成物理解题能力差异
解题活动中的定向机能指引着活动的进程，即解决做什么与怎么做的问题，解题所必需的认知经验叫做解题知识，其中包含所必需的陈述性知识、程序性知识和策略性知识。从认知心理学的知识分类智育理论角度看，解题能力实质上就是一种由知识和知识结构转化而来的智力技能，获得这种智力技能的关键是陈述性知识、程序性知识和策略性知识的质量，及其结构的质量。陈述性知识指陈述、解释什么是什么的知识；程序性知识指面对什么问题怎么办的知识，经过练习可以转化为智慧技能；策略性知识指如何监控、指导自己思维的程序性知识，经过练习可转化为认知策略。在平时学习物理过程中，一般学生先掌握物理教材上处于显性状态的陈述性知识，然后通过练习将以命题形式表征的概念、定理等转化为不易为师生所关注的处于隐性状态的程序性知识和策略性知识。由于不少学生只关注静态的陈述性知识，缺乏动态的程序性知识和策略性知识，且不同学生的物理认知结构中的陈述性知识、程序性知识和策略性知识比例不同，形成了解题能力的差异。
程序性知识是理解和掌握知识分类智育理论的关键点和难点，任何解题能力优秀的学生大脑中都储存了大量的程序性知识。程序性知识可用“如果/那么”形式的产生式表征，即一旦满足条件，便产生活动。解题活动过程也就是产生式表征的过程，例如2012年山东高考第19题：“如图3所示的以正点电荷为圆心的一组虚线等距同心圆，实线为带电粒子仅在电场力作用下以一定初速度射入电场的运动轨迹，a、b、c三点是实线与虚线的交点”判断（C）选项“该粒子在b点电势能与c点电势能大小关系”时，解题思维过程中的程序性知识条件化“如果粒子从b到c电场力做正（负）功，那么电势能减少（增加）”。由于每个学生的知识结构不同，陈述性知识和程序性知识存在着转换和替代关系，当学生用语言命题形式表达出大脑中的电场力做功与电势能变化关系的程序性知识且将其存贮在认知结构中，那么又转化为新的陈述性知识。
以2012年上海高考第30题为例，简析陈述性知识、程序性知识和策略性知识在解题活动中的体现。题目：“如图4，将质量m=0.1kg的圆环套在固定的水平直杆上。环的直径略大于杆的截面直径。环与杆间动摩擦因数μ=0.8。对环施加一位于竖直平面内斜向上，与杆夹角θ=53°的拉力F，使圆环以a=4.4m/
的加速度沿杆运动，求F的大小。”解题过程分析体现如下：（1）对问题的表征涉及的陈述性知识：①名称或标记知识，如圆环，水平直杆等语词知识；②事实和有组织论述知识，如质量m=0.1kg，环与杆间动摩擦因数μ=0.8，与杆夹角θ=53°的拉力F，圆环以a=4.4m/的加速度沿杆匀加速运动等。（2）组织策略在大脑中被自动化激活：选择解题活动中所需的陈述性知识（外显）和程序性知识（内隐）、画受力分析示意图（外显）、理顺逻辑关系（内隐）等。（3）解题的关键是程序性知识条件化：如果已知物体运动情况，那么通过牛顿运动定律和受力分析可求出物体的受力情况。处理该类型问题的一般步骤为确定研究对象（外显）→分析运动情况和受力情况（外显）→结合牛顿第二定律
（外显）→对结果进行验证和对解题过程进行反思（内隐），若缺少内隐性的解题反思，就有可能不考虑杆对环的弹力大小和方向的变化，造成答案的不完整。
五、解题活动的元认知监控与调节程度不同形成解题能力的差异
元认知是美国心理学家弗拉维尔最早在1976年提出来的，所谓的元认知是指在认知活动中个体的自我意识、自我调节和自我监控，及个体对自己的认知过程和结果的意识与监控，简而言之，元认知是对认知的认知。近年来的理论研究和实证研究都揭示了元认知水平对解题能力具有较强影响力，元认知水平的差异导致学生对解题探索目标的意识和领悟程度不同，影响他们对解题信息反馈的意识程度和利用程度，从而导致其解题能力的差异。解题能力优秀生和中差生的重要区别在于能否对自己的解题活动过程进行积极的监控与调节。
以一位解题能力优秀生求解2010年浙江高考第23题为例，简析元认知对其解题活动的影响。题目：“如图5，一矩形轻质柔软反射膜可绕过0点垂直纸面的水平轴转动，其在纸面上的长度为
，垂直纸面的宽度为
。在膜的下端（图中A处）挂有一平行于转轴，质量为m，长为的导体棒使膜绷成平面。在膜下方水平放置一足够大的太阳能光电池板，能接收到经反射膜反射到光电池板上的所有光能，并将光能转化成电能。光电池板可等效为一个电池，输出电压恒定为U，输出电流正比于光电池板接收到的光能（设垂直于入射光单位面积上的光功率保持恒定）。导体棒处在方向竖直向上的匀强磁场B中，并与光电池构成回路，流经导体棒的电流垂直纸面向外（注：光电池与导体棒直接相连，连接导线未画出）。（1）现有一束平行光水平入射，当反射膜与竖直方向成θ=60°时，导体棒处于受力平衡状态，求此时电流强度的大小和光电池的输出功率。（2）当θ变成45°时，通过调整电路使导体棒保持平衡，光电池除维持导体棒力学平衡外，还能输出多少额外电功率？”
该生解题活动过程大致如下：（1）开始读题审题，读一遍看不懂题意；（2）“不会吧？看上去有点难以下手。”他自言自语道：“怎么办？还得再审题。”（解题活动中的自我指导语，加强解题活动中的监控意识，前一句是在监控自己的思维，后一句是在指导自己下一步应该怎么做）；（3）继续审题，开始从问题思考入手（元认知体验的心理推动潜意识，指导自己怎样思考的认知策略，难题可采取手段——目的分析法，从问题入手）；（4）确定研究对象（光电池、导体棒）、物理情境（导体棒处在方向竖直向上的匀强磁场B中，并与光电池构成回路，流经导体棒的电流垂直纸面向外），进一步挖掘题中条件：输出电流正比于光电池板接收到的光能（设垂直于入射光单位面积上的光功率保持恒定），该条件如何转译成物理情境和数学表达式呢？（由于平时大量习题训练和认知策略训练，以及一些物理情境的牢固记忆、及时提取和识别，使得解题的过程达到自动化或半自动化水平，并能够腾出时间思考试题中的难点，在大脑内部检索和尝试表征难题的问题情境）；（5）根据受力平衡状态入手，画出导体棒受力分析图，但是查看题中原图（图5）就愣了愣，题中描述的是一幅立体图，而示意图却是一张简单的平面图，重新审视一下试题，在大脑中勾画情境三维示意图，弄清楚题中三个长度
、的表征含义，画出受力分析图6（解题者的认知检索和提取能力较强，能根据“卡壳”的问题及时调整解题策略，事实上命题者已经将物理原始模型表征转换成理想物理模型，并将立体示意图转化成平面示意图，使不同学生在表征并转化问题时就有了差异区分度）；（6）θ由45°变成60°，如何画出示意图和调整电路，以及还能输出多少额外电功率的情境怎么理解？（通过图示标注、过程图等将静态图转换成动态图（图7），另外，要求额外电功率，却没有给出电路图，容易造成学生的表象性思维障碍）。（7）以上分析出来后，具体列式操作过程不再赘述。解题活动结束后，对解题结果进行反思监控。
当然，解题能力优秀生并不能完全阐释他的“自动化”解题思维过程，只是“感觉这一步应该这样做，那一步应该那样做”，这类学生往往元认知水平较高，重视并善于利用解题活动中的反馈信息，善于及时调整解题策略以达到最佳求解。这些由元认知水平不同所引起的差异最终突出表现在解题活动中思维的敏捷性、灵活性、深刻性、批判性和独创性的差异上。