高中生解决陌生物理问题的即时思维研究，本文主要内容关键词为：陌生论文,思维论文,物理论文,高中生论文，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。
问题解决是人面对一定的任务领域和范围，搜索提取信息并利用原有知识，形成自己所能达到的全部认识状态的过程，是具有目的性、认知性、内隐性的复杂思维活动。高中生所面对的物理问题大多有着明确的问题起点和目标，解决这类问题，学生怎样能够获得成功？导致失败的具体障碍在哪里？解决问题经历了怎样的思维操作？哪些知识与方法可以帮助他们战胜困难？……这些需要弄清的高中物理有效教学的基础性问题，吸引我们在十三年前运用“口语报告”技术[1]对高中生解决陌生物理问题进行实验研究，得到细腻而鲜活的解题全过程的即时思维资料，为今日深入研究学生解题障碍和思维操作特点，探讨富有成效的高中物理教学提供了可能。
一、实验方法
（一）被试
在某省会城市一所区属重点高中完成力学学习的150名学生中，依期中、期末考试物理总成绩排名，以分层随机取样方法选取被试31名，得到有效被试30名。其中男生20名，女生10名，平均年龄17岁。
（二）仪器与材料
1.仪器：录音机、纸、笔。
2.材料：选用三个有关力学规律的应用性题目。其中有关“匀变速运动规律”“动能定理”两个题目作为练习，用以训练口语报告方法。
正式测试题以“小猫爬杆”为背景，难度达到高考中上等程度。它具有这样两个特征：一是题目所涉及的物理规律（牛顿第二、三定律）是全体被测试学生所熟悉的且认为比较简单的知识，每一名被试都有成功解决问题的可能性；二是题目所表述的情境是全体被测试学生所陌生的，每一名被试都需要独立地面对问题情境寻求解决，从而使研究他们解决问题的思维过程成为可能。其试题如下：
一只小猫跳起来抓住悬在天花板上的竖直杆（如图1），在这一瞬间悬绳断了。设直杆足够长，由于小猫继续向上爬，所以小猫离地面高度不变，则木杆下降的加速度为多少？已知猫的质量为m，杆的质量为M。
它提供的问题情境中包括强约束条件：（1）“小猫继续上爬”——猫与杆之间有相互作用，且力的大小相等，方向相反；（2）“小猫离地面高度不变”——小猫相对地面静止，合外力为零。也包括对问题解决不构成约束的一般信息：（3）“跳起来”；（4）“这一瞬间悬绳断了”等。
（三）程序
1.分别使用两个练习材料，训练被试学会并适应“说出正在想的或正在做的（不需任何解释）”口语报告方法。
2.在开启录音机录制键后，教师平和地说出指导语：“这道题是测试题。请你在解答试题时，把自己脑中正在想的或是正在做的大声说出来。解答本题的时间长短不限。请开始。”在学生解题过程中，教师巡视并对语音停顿的学生轻声提示：“你在想什么呢？”“把你想的说出来”，以便得到连续完整的解题思维信息。每间教室一般安排五六个学生。
3.将口语报告语音资料逐字、逐句整理成文字稿。对报告中语义不详之处，通过个别访谈明确被试的思维信息。
4.对口语报告文字稿逐句分析并归类列表。四十天后，再次对被试口语报告文字稿进行关键词句归类分析。在两次归类一致性达97%基础上，对相异之处，再次监听被试口语报告录音带，确定关键词句归类。
二、实验结果
30份完整的语音资料及答卷显示：5名被试得到正确解（其中男生4名、女生1名）；另外25名没有解出或得到正确解（其中男生16名、女生9名）。获得成功的女生被试Y（期中成绩81分/100分，期末成绩102分/150分）解题时间长达26分钟。其间先后六次沮丧地说“不会做”、“没头绪”……甚至一度揉搓试卷，濒临放弃，但最终还是在坚守下凭借“科学方法”指引得到持有怀疑的正确解。
1.面对陌生的问题情境，全体被试都首先将其与头脑中的解题储存相比对：见过没有？会不会解？是用什么定律求解的？……在被试中有1名男生（见表1中1#）的比对思考获得肯定，随即很快完成求解，并获得成功。而其他29名被试这样的整体性识别结果是“没见过”、“不会做”或不清晰。在此之后，他们解决问题的思维操作策略出现如下分化：25名没有获得成功的被试，仍继续在头脑中搜索可比对的问题解决范例，凭借残缺或歧义的记忆，“整体模仿”着解决当前问题或者放弃。对小猫受力状况有探究迹象的仅有5人，另有一人对小猫状态情况有探究迹象，分别占总人数的20%和4%（见表1）。而其余4名获得成功的被试，则开始试着启用“分析规范”（明确研究对象、明确研究过程、受力分析和状态分析），在陌生情境中完成对小猫受力情况和状态情况探究分析达到100%。女生被试Y的口语报告对此更有清晰显示（见图2）。
提示1：高中生解决物理问题的思维操作存在“整体模仿”和“科学分析”两种不同类型，且后者的启用具有被迫特征——常常在整体模仿受阻后才会启用。
2.细读女生被试Y的口语报告还可以发现，在她的知识结构中，牛顿定律是包含着“分析规范”（确定研究对象、确定研究过程、受力分析和状态分析）一并存在、一并提取使用的：“用……，先受力分析”；“求……，先受力分析”（见图2助力1），思维操作明显受与定律关联的“分析规范”所指引。
而解题失败的25名被试，尽管他们中96%的人知识背景里都有牛顿第二定律表达式（公式），但无助于问题解决（见表1）。
提示2：与定律关联且一并存在的“分析规范”（确定研究对象、确定研究过程、受力分析和状态分析）具有指引问题解决方向的功能。在对问题情境无法整体性把握的情况下，定律所关联的“分析规范”可以告诉我们先做什么，再做什么，沿着它指引的方向逐一进行探究，可能获得问题解决的部分或整体性成功。或者说，“定律（或定理）具有指引学生在问题情境中搜索、选择有效信息的功能”。
提示3：上述功能的启用还可连带产生“化解整体性陌生”的功能。分别沿着研究谁、研究哪个过程、受力情况怎样、处于何种状态的线索进行思维操作，即已将问题情境的整体性陌生化解为在某个或某几个情境点的部分陌生，降低了问题解决的难度。
提示4：剥离了分析方法的定律表达式（公式）无助于陌生物理问题的解决。
3.女生被试Y挣脱困境更为精彩的一幕是：她在揉搓试卷准备放弃之际，竟在考场上开始了随手实验——用手指模拟小猫在铅笔上爬、在尺子上爬。在标准的物理科学方法指引下，经过两轮实验操作和思考，她奇迹般地挣脱了“小猫上爬”和“小猫高度不变”陌生情境的困扰。
对该被试的任课教师随访发现，女生Y的研究举动是任课教师“力学实验随手做”教学风格和训练思想在学生身上打下的烙印，所用时间仅为完成力学基础教学的不足一年时间，其班主任身份对这一效果有增强效应。
提示5：“随手实验”科学研究习惯对于解决陌生物理问题具有强势功能。训练学生养成随手实验习惯，教师可以有为，其为可以奏效。
4.值得注意的是，女生Y苦苦求索的答案——“小猫给杆向下的力，要不怎么能爬呀”，对于一个会爬树（爬杆）的人确是无需思索的。对这一信息的成功表征，男生被试达60%，且他们中的92%无任何探究迹象（见表2）；而女生被试的成功表征仅达30%，且其中的一人还是经过科学探究所获得，与实际教学中女生力学学习更吃力的情况相吻合。对于与被试生活经验完全不符的另一个强约束条件“杆下落中小猫高度不变”，男女生的成功表征则情况趋同。
提示6：非结构性力学经验背景的缺失是高中物理难教难学的一个重要原因。
5.尽管女生被试Y做出了正确的卷面解答，但审听她的语音资料，可以确定她最终并没有对问题产生清晰的理解，原有知识结构对这一问题情境的整合只是部分的。之所以关注这一状况，还缘于那25名解题失败者的思维障碍分析，他们中有64%的人把一般信息“悬绳断了”作为关键信息反复探究（见表3），直至无果而放弃解题。通过访谈探其究竟，原来被试所在班级前不久刚做过、讲过一个难题的求解路径，只是那个题目在考察“剪断悬绳瞬间，另一悬绳拉力是否变化”。
提示7：得到正确解与对问题的整体性理解建构存在差距。并且，建构不良的问题解决经历反而会阻碍相关问题的解决。
6.口语报告可以较为充分地暴露陌生物理问题解决者思维操作的真实细节，为发现和研究学生解决问题的思维操作特点与规律提供了可能。
提示8：高中物理教学研究的实质性进展有赖于吸纳认知心理学研究手段。
三、对高中物理有效教学研究的启示
（一）正视学生解决问题的两种思维操作特征，摒弃“题海战术”习题教学策略
高中生自在天然地以整体模仿型思维操作来解决物理问题的特征，为多见多会的题海战术教学策略提供了合理性支持；它无助于解决陌生问题的特点，也为题海战术出于无奈的教师心态提供了辅助性说明；而建构不良即导致负效应的结果，则为在题海中无望挣扎的学生感受提供了必然性注解。然而，当我们清晰地看到凭借与定律（定理）并存的“分析规范”、“随手实验”等科学方法帮助，一名中上等成绩的女生就可以把不会做神奇般地变为得满分，即使不谈物理学科学方法体系的重要特征，不谈高中物理教学培养学生分析与解决问题能力的责任使命，仅从应试角度来看，将科学方法型思维操作训练取代低效的题海战术也是毋庸置疑、刻不容缓的。
其实，高中生所面对的运用定律（定理）解决物理问题，多数属于一般规律在具体情境下的演绎，即列出具体情境下的规律表达式。无论是力学的牛顿定律、电学的全电路欧姆定律还是热学的气态方程等，每个规律的演绎都有着共同的分析规范，即要对表达式中涉及的物理量逐一搜索和分析。这样来看，只要在教学中以此思维操作训练为抓手，三年一以贯之，学生解决问题的科学分析习惯即可在常态教学中养成。
（二）正视科学分析型思维操作的被迫特征，完善分析规范养成的训练策略
1.启发学生的主观自觉。向学生揭示分析规范的指引问题解决方向、变不会做为会做一些的功能；剖析他们在问题面前“我会做，用不着分析！”（麻烦），以及“我不会做，哪会分析？”（太难）的心态，从而形成用会做的题学分析规范、用不会做的题练分析规范的主观自觉。
2.更新与落实评价标准。为内隐的分析规范启用制定外显的书面评价标准，并长期、有梯度地落实于作业批改和试题评分，既可对分析规范训练产生极好导向作用，还可实现题目对不同层次学生的个性化训练价值。比如在高一阶段，可以夸张地将学生问题解决的受力分析图、加速度等运动参量方向图示，以及对相关物理量逐一分析的结果赋予分值，并做重点批改和点评。
3.示范分析策略的选择细节。将概念、规律教学等活动纳入科学分析思维操作训练体系之中，珍惜教学中出现的每一个陌生问题情境，围绕“怎么办？往哪想？试着做什么？……”暴露内隐于教师头脑中的信息搜索方向、思维操作细节，在示范解决问题科学分析方法的同时，完成教学任务。
（三）正视非结构性经验背景缺失，积累化解困扰的有效方法
1.关注少儿最佳发展期。力学研究始于先辈对周围世界最朴素的感知体验及思考，这些非结构性的力学经验获取过程，常常是以个人肌肤作为感受器的准物理实验过程。少儿时期的摸爬滚打、抬扛溜蹭……恰恰是此过程最天然、最漫长的展现，往往成为一个人非结构性力学经验背景最重要的积累时期。特别需要向那些望子成才的家长们疾呼，远离户外活动、家务劳动的孩子，非结构性力学经验背景将会严重缺失，直接影响他们今后的高中物理学习成绩。[2]
2.设计可供学生体验从而直接产生理解的情境教学活动计。[3]学生用眼观察实验、动手使用仪器做实验、以肌肤疼痛感受所直接产生的理解效果依次提高，且后者记忆保持长久。针对难度较大的题目，设计随手实验情境活动，如将教室中一横排桌子并在一起（见图3），如果从一侧用力推动，“我们更愿意把手放在哪条桌缝中间？”在这样还原到生活的问题场景面前，教师只需示意性地把手掌放在离推动者最近和最远的桌缝处，马上就会有一大批学生脱口而出：“当然是放在远些的地方！”“手不疼！”远远高出试卷解答的成功率。对于少数缺乏体验的学生，可以当场实际感受（切忌仅插入手指），在教师点拨中产生理解。
3.养成随手实验教学习惯。教师利用身边物品随手实验，生活化地帮助学生排解困扰，是物理教师执掌实验科学教学的基本功，也是引导学生走向物理研究之路的重要手段。教学中尽量增加一些用肌肤直接感受的准实验；尽量用学生随身物品、教室内物品替代实验室仪器；尽量在教学受阻——学生不理解时，通过身边物品做出实验探究；等等。
4.关照“隐含条件”经验积累。以隐含方式给出的信息条件，时常也是制约学生成功解决问题的障碍。由于各个隐含条件之间、与主干知识之间缺乏实质性关联，难以纳入知识结构之中，故而也常处于零散的非结构性经验背景之中。相关学习难度很低，但遗忘严重，造成教学效果低下，指导学生开辟可供三年使用的记录专页，将零散的隐含条件收集在一起，便于查找、记忆和使用，可以产生良好效果。
（四）正视不良建构的负面效应，多维度组织知识方法建构
学生在学习过程中的一份份收获，如果不能很好地纳入个体知识结构，而是以零散状况存入大脑，或是以歧义状况纳入结构，或是知识结构主干的本质属性不强……都会为今后的提取使用带来困难。教师应不断强化本人对物理学内在规律与方法的理解深度，在此基础上指导学生对概念、规律和问题解决心得进行梳理总结：相关章节知识的比较分类；跨领域、多角度知识的上位联系等，使学生对知识的理解不断深入，既可降低知识记忆负担，又可提高知识结构的能动功能，从而实现学生问题解决能力的提升。如：对概念的梳理可以从意义上的联系、类属方面的联系、因果方面的联系等入手，像“比值”定义的物理量及其基本特征，便可以把速度、加速度、功率、电场强度、电势差、电阻、磁通变化率、折射率等物理量联系起来，一并掌握学习要点攻克难点。对规律的梳理如果以“表达式与分析参量”为线索，可以强化分析规范与公式的“一并记忆、一并提取”的指引问题解决方向功能；如果以是否把“状态量与过程量联系在一起”为线索分类，则可提高学生应用规律解决问题的针对性判断能力。对习题的精选精收应从平时作业开始，如要求学生做题后，在对自己有价值的题目处标写记号和点评；这些题目构成阶段性考试复习题库，得到再次练习之后，再次标记、点评；对题目的“精选精做精收”策略最终落实在这样的假期作业：扔掉本学期所做的全部试卷和练习册——把舍不得的题目分类粘贴、标注导言、装订成册，以备高考复习之用。
（五）正视学生解决陌生问题的情绪状况，指导实施“怯场”适应训练
有效提升学生解决陌生物理问题的能力，还应关注意志品质、情绪调控等非智力因素影响。女生被试Y坚持不放弃解题的顽强态度，面对陌生问题所经历的痛苦、沮丧、煎熬……同她获得成功的有效策略一样需要受到教师的关注。在考试中，常常有些认真学习的学生出现怯场：对某个或某几个陌生问题信息整体性感知，发现没见过；想要成功的心绪被挫伤，随即产生恐慌、沮丧等不良情绪；原有认知结构能动性下降，会做的题目失去正常的把持……溃败下来。
对怯场干预，首先，需要转变他们解题的思维操作模式，也就是放弃以“见过—做过—会做”为前提的整体模仿式思维操作，改以专攻陌生情境的科学分析式思维操作。其次，通过理性分析，达成“陌生，即科学分析型解题者胜出的机会”的共识，并建立“陌生即机会，即兴奋”的情绪关联信号。在此基础上，利用习题教学中出现的陌生情境契机，重复情绪关联信号，达到“‘陌生’来了！——我高兴！”的班级气氛；还可以专门针对陌生情境进行变式训练；组织头脑风暴设计陌生情境也是很好的办法。
（六）正视口语报告暴露即时思维功能，夯实有效教学研究基础
口语报告技术作为获取解决复杂问题思维信息的有效工具，为得到学生真实的解决问题思维操作全过程提供了可能。它的语音报告，可以作为一线教师的试卷分析资料，根据教学经验，审视与发现问题症结，为肯定或调整教学策略和方法提供理性依据；提供丰富的信息内涵，可以通过关键词句归类分析，为有效教学专业研究提供一片原野。从鲜活、细腻、即时的思维操作信息中，我们可以了解学生解决问题的障碍细节；可以感受他们的情感体验；可以发现有助于问题解决的有效工具、有效策略；可以探寻优良或有待改善的教学行为痕迹……在此基础上，进行分析梳理、归类比较、建立模型……使惯以实证为基础的有效教学研究，获得了物理科学方法力量，平添了勃勃生机。
探寻学生问题解决的即时思维，真切地感受他们求解问题的艰难，不仅会使教师从认知方面更多地理解他们、帮助他们，提升教学水平，还会使教师在情感上更体谅他们，从而在教学活动中多一分关爱，多一分平和。既专注于知识和方法教学，又关注精神世界的价值欣赏和情感共鸣的高中物理教学才能高效。