从习题到原始问题：物理问题表征研究的生态化历程，本文主要内容关键词为：表征论文,习题论文,历程论文,原始论文,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。
在物理问题解决的研究领域，自20世纪80年代以来，人们开始以物理学科知识为例构建问题表征理论。本文拟通过梳理物理问题表征理论的演进与测验工具的变革，回顾物理问题表征从实证研究到生态研究的转变历程，对物理问题表征研究的范式进行反思。这不仅可以为物理问题表征研究，而且可以为当前的基础教育物理课程与教学改革提供有益的启示。
一、物理问题表征研究的起源
所谓问题表征，是指人们根据问题所提供的信息和自身已有的知识与经验，发现问题的结构，构建自己的问题空间的过程，也是把外部的物理刺激转变为内部心理符号的过程。概括起来，表征是贯穿问题解决的一个动态过程，它涵盖了从呈现问题到解决问题的全过程。[1]
在物理问题表征研究中，著名物理教育家、美国华盛顿大学的麦克德莫特（McDermott）和拉金（Larkin）是这一领域的先驱。1978年，麦克德莫特和拉金第一次提出了物理问题解决的表征理论。他们认为，问题解决者解题时通常有四个表征步骤：第一步是关于问题陈述的文字表征。第二步为朴素表征，该表征中含有问题所提及的物体，相互的空间关系及对整个问题情景的概括，这也是对真实世界的表征。问题中描绘了真实世界的物体，所以称其为“朴素”表征。第三步为物理表征，该表征中含有理想化的物体以及相应的物理概念，如力、动量和能量等，该步骤与解决问题的方法有关，并且是产生数学表征的必要基础。第四步是数学表征，即将物理表征的各物理量用方程的形式表现出来。
对于这一理论，麦克德莫特和拉金使用测验材料进行了初步检验。测验材料为：木箱斜面。
一质量为M的静止木块，从倾角为θ，长度为L的斜面顶端下滑，木块与斜面的摩擦系数为μ，求当物体到达斜面底端时的速度。[2]
显然，“木箱斜面”是一个典型的习题。它虽然在形式上联系了物理现象，但提供了完美而详细的数据，实际上并没有为学生提供真实的问题情境，因此使研究缺乏生态性。
在当代认知心理学中，生态学的研究已经成为一种范式，这一范式亦演变成一场认知研究的生态学运动，直接导致认知心理学开始重新关注更具现实性的认知现象，使研究尽可能贴近人们的实际生活，减少研究情境的人为性。从这个角度看，物理问题四步骤表征理论还有待发展，测验材料还不是生态化的。
二、物理问题表征研究的发展
虽然麦克德莫特和拉金提出了物理问题解决的表征理论，但他们并未对这一理论进行实证研究。基于此，廖伯琴认为，对于麦克德莫特和拉金的理论，还没有足够的实证资料的直接支持，所以她采用口语报告分析法为这一理论提供实验材料并试图对该理论做进一步的充实与修正。因此，廖伯琴对数理基础、智商水平、认知类型、问题性质和学习等影响问题解决表征体系的因素进行了系统研究。
廖伯琴研究的基本结论是：问题解决者在解决物理问题时，将依次建立四个表征层次；被试的数理基础、智商水平及认知类型都将显著影响物理问题表征体系的动态发展过程和静态描述特征；问题的难度和熟悉度对问题解决表征层次的影响不显著；课本学习对物理问题解决的表征建构将产生正向影响。
考察廖伯琴研究使用的测验材料，我们可以发现共有三个“物理问题”。[3]
1.虫爬碗壁
一只小虫在半径为R的半球形碗内可以爬上多高？假定小虫和碗之间静摩擦系数μ=1/4。
2.物跨圆柱
有一光滑的半圆柱体，水平固定在墙上，轴截面朝下。现有一绳，两端各系一物，质量分别为M与m（M大于m）。沿曲面将M与m跨放在此圆柱体两端，连接M与m的绳长与该圆柱体的半圆弧长相等，且M与m在同一水平线上，求：当物体m过曲面最高点时M的速度。
3.滑轮重物
跨过轻质定滑轮的绳两端，分别连接质量为M与m的物体，M略大于m。M静止在地面上，m停止在距地面高h处，将m从原高度再高举h，放手后，m自由下落。试就m碰地与不碰地两种情况分别求出M所能达到的最大高度H。
显而易见，上述研究中的“物理问题”其实质还是习题。因此，这一研究不是生态研究而是实证研究。
在问题表征研究中强调生态性，乃是源于习题固有的缺陷。由于习题情境是人为设置且条件控制严格，因而使问题情境的真实性受到破坏，使学生解决习题的认知心理和行为表现与解决真实问题相去甚远，这样，就削弱了研究的价值。
从生态学的角度考察，上述研究存在缺陷与不足。首先，它不能很好地解释结构不良问题解决的实证研究资料；其次，研究的范式与生态心理学发展的取向不相协调。当然，对任何研究都不能期望它能解决所有问题，甚至不能期望它在一项研究中能解决太多问题，只要它能在一项研究中有所进展就值得去做。因此，我们对于上述研究的评价，不能脱离研究的时代与背景，还应当看到这项研究在国内物理问题表征研究上的开拓意义。
三、物理问题表征研究生态化的发端
2002年，邓铸进行了高中学生物理问题解决的表征研究，他将研究主题限定为对问题解决理论进行考察与建构，对中学生的学科问题解决进行具有生态学意义的研究。邓铸注意到麦克德莫特和拉金问题表征研究的理论贫乏问题，故而提出了问题解决的表征态理论。
所谓表征态，是指在问题解决过程中，问题解决者的内部知识与外部信息相互作用导致的问题存在状态。问题呈现给被试时，其最初的存在状态是外部信息与内部信息相分离，这是一种无表征状态；最后问题被解决时，就是内外信息相互作用实现了问题的完全表征。
表征态理论提出，物理问题的解决是一个问题表征状态不断变化的过程，这种变化经历了六个状态，包括：无表征状态、外部表征状态、初级内部表征状态、低级范畴性表征状态、高级范畴性表征状态和符号化表征状态。这些表征状态未必按照某种确定的顺序出现，而是形成多种不同的变化模式。但这一理论存在内涵含糊的问题，需要进一步验证。[4]
尽管存在不足，但表征态理论仍然表达了一种新的研究思路，即在问题解决中开展生态学的认知研究，体现了问题解决研究中的生态学取向，在问题表征研究中具有重要的启示意义。笔者认为，问题解决的生态学研究意为在问题解决的全过程中都应当采用生态学方法。其中，最为重要的是：测验工具应当是生态化的。所谓生态化的测验工具，是指测验工具中的问题应当是对现象的描述而不是对现象的抽象。换句话说，这种测验工具中的问题中不应有已知条件。因为只要给出了已知条件，就表明已经对现象进行了抽象，这样的问题就已经不是生态化的了。按照这种界定，笔者考察了邓铸研究中的“问题”：铁块小车。
质量为M的小车B静止在光滑水平面上，一个质量为m的铁块（可视为质点）A，以水平速度v=4m/s滑向小车B的左端，刚好滑行到右端停止在小车上并与小车一起继续运动。已知M/m=3，小车长L=2m，求A、B之间的摩擦系数。
显然，“铁块小车”不是问题，而是典型的习题。这种现象引起笔者的深入思考：为什么人们在研究中反复强调要进行生态化研究而最后却仍然进行了实证研究？这事实上说明了一个问题，就是实证研究对人们的影响是根深蒂固的。在问题解决研究中，人们往往在不知不觉中便走入了实证研究的窠臼，而且误认为所进行的实证研究就是生态化研究。
出现上述现象的根本原因在于：研究者把习题等同于问题。事实上，“习题与问题是具有原则性区别的概念，因为它们标志着不同的心理现实”[5]这种认识不仅反映在物理问题表征研究中，而且也反映在《物理课程标准》中。普通高中《物理课程标准》提出：“一个好的习题，就是一个科学问题。”[6]显然，这混淆了习题与问题的本质区别。因此，认真梳理物理问题表征理论的演进与测验工具的变革，对于当前基础教育物理课程与教学改革具有重要的启示意义。
四、物理问题表征研究生态化的实现
基于物理问题表征研究的生态化趋势，邢红军以协同学为理论基础，采用生态心理学的研究取向，将问题解决的因果联系从确定性向多样性和不确定性过渡，从线性向非线性过渡，从知识贫乏领域向知识丰富领域过渡，认为问题解决是问题解决者对问题表征状态的自组织过程，而且这一过程具有非线性、突变性和自我组织性的特征。[7]依据协同学理论，邢红军提出了物理问题解决的自组织表征理论，认为问题解决过程是一个连续与突变相结合、独立与关联相结合、协同与竞争相结合、控制与自发相结合、必然与偶然相结合的过程，包括六个表征状态，分别是：定向表征、抽象表征、图像表征、赋值表征、物理表征、方法表征和数学表征，并编制了原始物理问题测验工具。[8]
问题1.“瓦萨”舰翻倒
1682年8月10日，瑞典的斯德哥尔摩，有一艘当时最大的主力舰“瓦萨”号正在举行首航仪式，只因一阵微风吹来，就使它翻倒沉没了！几百年来这一直是个谜。1961年4月24日，这艘在海底沉睡了几百年的古战舰终于被打捞起来，沉船之谜被揭开。请你利用所学的物理知识解释“瓦萨”号翻倒之谜。
问题2.篮球下落
一篮球自某一高度自由下落，撞到地面后又弹起，上升到一高度后又自由下落，以后又弹起、下落，一次又一次直至篮球静止。请画出在整个过程中篮球的加速度随时间的变化图线，并定量解释每一段图线为什么是这样画的。
问题3.电风扇转速
一台双叶电扇顺时针转动，在日光灯的照射下，出现了稳定的四个扇叶互相垂直的样子，则这时电扇的转速是多少？若出现了双叶片缓慢地逆时针转动，这时电扇的转速略大（小）于多少？
问题4.飞机的感应电动势
一架飞机由东向西飞行，请根据所学的物理知识导出这架飞机上的感应电动势的表达式。要注明每个字母所代表的物理意义。
问题5.轮船减摇
轮船航行时，会受到周期性的波浪的冲击而向各个方向摆动，一旦达到共振状态就有倾覆的危险，这时候可以改变轮船的航行方向和航行速率，使波浪冲击的频率远离轮船摇摆的固有频率，避免共振的发生。请推导出一个表达式，说明改变轮船的航向和航速，就能达到使轮船摇摆减轻的目的。
显而易见，上述原始问题是真正的问题而非习题。所谓原始物理问题，是指自然界及社会生活、生产中未被抽象加工的物理问题。它的表现形式是对物理现象的描述，其中没有已知量。而习题则是将物理现象进行抽象、简化经人为加工出来的练习作业，所有的已知量都已给出。这一区别表明原始物理问题是生态化的，而习题则缺乏生态性。由于表征研究材料从习题转变为原始问题，从而实现了物理问题表征研究的生态化。
五、物理问题表征研究生态化的启示
在我国基础教育物理课程与教学改革的背景下，笔者选择物理问题表征作为研究课题，因为这一课题既符合物理教育改革的生态化取向，又符合现象学理论的基本思想。当然，这一研究并不仅仅局限于阐述物理问题表征理论的演进与测验工具的变化，而是着眼于这种变化与转变在物理教育理论上的突破——即原始物理问题的提出。
事实上，原始物理问题不仅是物理现象的一种呈现形式，更体现了一种新的物理教育思想。从生态学的观点看，学生是在真实和自然的社会环境中成长起来的，在物理学习过程中会受到各种因素的影响。这样，学生的物理能力就是各种因素交互作用的结果。因此，物理教育就需要在生态学取向的基础上形成新的认识。由于原始物理问题回到了“物理现象”、关注了“真实世界”，这就使我们能以一种新的视角来重新思考和理解物理教育，使我们能更科学地面对学生物理学习活动的能动性，并完备地认识物理教育的真正意义。
这项研究对于当前的物理教育改革的启示在于，长期以来，我国的物理教育一直存在“题海战术”现象，这种情况到目前为止基本上没有多大改变。虽然许多教师在教育实践中努力纠正这一现象，但由于始终没有寻找到突破口，这一现象并未得到有效解决。由于原始物理问题将习题的严格控制应用于物理现象之中，并且经过抽象之后可以成为习题，这就在一定程度上具备了高效完成间接经验知识内化的功能，将物理教育的内部效度与外部效度较好地统一起来，从而为在物理教育中破除“题海战术”现象提供了有益的启示，为物理素质教育开辟了一条新的途径，这显然具有重要的现实意义与深远的历史意义。