物理高考实验题中学生的智慧技能障碍分析，本文主要内容关键词为：中学生论文,障碍论文,物理论文,技能论文,智慧论文，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。
广东2015年高考物理力学实验“使用打点计时器测量当地的重力加速度”，有学生感慨，虽然会操作打点计时器，但是在描述实验过程时，却不能用规范、准确的物理语言表述，而是将“接通电源”表述为“打开开关”等具体的行为动作。究其原因，是学生在实验过程中，常常只是通过操作来完成一系列动作图式，并达至自动化，并不“知其所以然”。这里的“所以然”，则是指实验的智慧技能。 在广义知识分类模型中，操作技能和智慧技能都属于程序性知识。物理实验的目的在于通过实验操作，探求物理现象、物理过程变化规律。因此，与认知密切相关的实验智慧技能应是物理实验能力的重要组成。相关研究也表明，即使在操作技能考核中，智慧技能障碍仍是影响学生实验失误的主要因素。智慧技能作为运用概念和规则对外办事的能力，在物理实验中表现为学生应用物理概念、规律和方法，通过分析、综合、归纳、演绎等思维形式思考、指导实验操作，解决实际问题的能力。如根据有关原理选择实验仪器，确定实验步骤，对实验方法和手段进行迁移，对实验结果和数据进行分析与评价，对实验过程及结果进行表述等。纸笔测试仍是目前主要的实验考核方式，以两道高考力学实验题为例，对学生在纸笔物理实验测试中存在的物理实验智慧技能障碍进行分析，有助于改进物理实验教学，提高学生的实验能力。 一、高考实验题 实验一为常规实验，考查学生的基本实验能力；实验二为创新设计性实验，具有综合性、探究性和开放性特点，多元考查学生的实验能力。 1.实验一 某同学使用打点计时器测量当地的重力加速度。 ①请完成以下主要实验步骤：按图1（a）安装实验器材并连接电源；竖直提起系有重物的纸带，使重物________（填“靠近”或“远离”）计时器下端；________，________，使重物自由下落；关闭电源，取出纸带；换新纸带重复实验。 ②图1（b）和（c）是实验获得的两条纸带，应选取________（填“b”或“c”）来计算重力加速度。在实验操作和数据处理都正确的情况下，得到的结果仍小于当地重力加速度，主要原因是空气阻力和________。（2015年广东高考力学实验题）
2.实验二 某同学根据机械能守恒定律，设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系。 ①如图2（a）所示，将轻质弹簧下端固定于铁架台，在上端的托盘中依次增加砝码，测得相应的弹簧长度，部分数据见下表，由数据算得劲度系数k=________N/m。（g取9.8
）
②取下弹簧，将其一端固定于气垫导轨左侧，如图2（b）所示；调整导轨，使滑块自由滑动时，通过两个光电门的速度大小________。 ③用滑块压缩弹簧，记录弹簧的压缩量x；释放滑块，记录滑块脱离弹簧后的速度v，释放滑块过程中，弹簧的弹性势能转化为________。 ④重复③中的操作，得到v与x的关系如图2（c）所示。由图可知，v与x成________关系，由上述实验可得结论：对同一根弹簧，弹性势能与弹簧的________成正比。（2014年广东高考力学实验题） 二、学生的智慧技能障碍 加涅由低到高把智慧技能分成五个亚类：辨别、具体概念、定义性概念、规则、高级规则。学生在这两个实验题中的物理实验智慧技能障碍由低到高分别如下； 1.定势思维 辨别技能是对刺激物的不同物理特征做出不同反应的能力，是一种模式识别能力。模式识别时，人们把输入的刺激（模式）的信息与长时记忆中的有关信息进行匹配，从而辨别出该刺激物属于什么范畴。人们在进行信息匹配时，容易形成定势思维。定势思维有助于快速进行知觉辨别，但有时也会形成阻碍，不利于迁移与转化。 如在实验二中，轻质弹簧使用的是压缩弹簧，实验目的明确说明“设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量”的关系，题干中也使用了“压缩”、“压缩量”等表述。但是，在大多数实验中，使用的都是拉伸弹簧，因此，学生易于将题干中提到的“弹簧”与已有经验中的“拉伸弹簧”的信息迅速匹配，忽略题干中其他的信息提示，将“压缩量”全部表述为“伸长量”。 2.记忆构建 研究表明，记忆中经常会出现缺失部分，人们往往通过逻辑推理、猜想或用新的信息去构建这些缺失部分，这种现象被称为记忆构建。记忆构建会虚构信息，形成错误的信息匹配。在考试中，学生要在很短的时间内快速、紧张地对问题做出反应，题干的阅读和记忆一般用时很短，频次也很低，其余的时间用来分析问题，解决问题。在分析、解决问题的过程中，对题干信息的记忆会超出工作记忆时间范畴，导致部分信息遗忘、缺失，尤其在物理实验中，由于涉及多个实验器材和物理量，学生在最后确定答案时，如果将关键信息缺失，并且没有复述题干时，容易出现记忆构建。例如，实验一中，有学生遗忘问题①中的“重物”，为实验构建了“小球”、“小车”等物体，认为接通电源后，紧接着要“释放小球”或“释放小车”等。实验二中，有学生会为问题③构建“砝码”与“小车”等物体，认为弹簧的弹性势能转化为“滑块与砝码的动能”或“小车的动能”等。 3.数学智慧技能水平低 物理学与数学关系密切，数学智慧技能的水平影响物理智慧技能水平。实验中会产生大量的实验数据，需要学生基于个人的数学智慧技能对实验数据进行计算、分析，绘制图象，发现规律。 首先，根据物理原理，依据已知量，求解未知量，是实验数据分析处理的最基本方法。实验二的问题①，实验数据采用列表法给出，要求学生根据给定的三组数据计算劲度系数。因为数字繁琐，数学过程较多，高度紧张的情境下，学生进行加减乘除计算常常出现失误。 其次，数学图解题也是实验数据处理的方法。在图解题中，图象中的“点”一般反映状态，“线”反映物理规律（或变化过程）特征。实验二问题④第一问考查学生是否能根据图象中“线”的特点找出普遍特征，形成规律或验证某些规律。根据函数图象的特征，v与x首先成线性或一次函数关系，再精确些则是成正比关系。但是学生因为数学概念混淆，表述错误。如，有学生认为是“正相关”，有学生认为“成比例”。但是正相关是指两个变量变动方向相同，可以是非线性的；成比例包括正比例与反比例，而反比例关系图象不是直线。还有学生认为是“成比”、“成正”、“一次”等等，这些表述完全不符合数学语言规范，不具有任何数学意义。 4.缺乏物理意识 物理意识是一种特殊的智慧技能——认知策略，支配学习者运用物理知识、物理实验、物理方法和物理语言分析物理问题、探索物理规律。物理意识包括物理规范意识；单位、量纲意识；整体、局部意识；情景、模型意识等。学生在这两个实验题中存在以下物理意识障碍。 学生的单位、量纲意识薄弱：在实验二问题①中，劲度系数的单位为国际单位制单位，学生常犯的错误是将胡克定律的公式F=kx看作数学式，不对各物理量单位进行辨别，不将表格中所给数据的单位化为国际单位制单位，给出的答案就会多出或少了一到两位数量级。还有学生会出现量纲错误，将劲度系数的单位记为m/N。 缺乏物理规范意识：实验一的问题①中，如文章开头所述，使打点计时器工作的第一步应是“接通电源”。但有学生容易表述为“打开开关”等具体行为。在电路中，开关的作用就是接通、断开电源。学生如果不理解物理元件的功能，实验操作的意义，则容易使用具体的行为来回答，如果实验仪器结构发生变化，则不能进行有效的迁移。问题②中，学生常常不按照题目要求，将题目中的“b”记为“B”，是缺乏物理规范意识的表现。 5.不理解实验原理 实验原理是实验的核心，是实验方案设计、实验操作以及实验结果解释的基础。实验一的实验原理为自由落体运动规律，在连续相等的时间（T）内位移比为：1：3：5：7……位移差为恒定值△s=
。因此，对于实验一的问题②，应该选b纸带。而c纸带的右端的点迹已经不符合自由落体运动规律，如果选成c，则说明学生不理解该实验的原理。 实验二明确说明根据的实验原理是“机械能守恒定律”，即势能与动能之间的相互转化，其中的势能包括重力势能与弹性势能。如果学生不理解“机械能守恒定律”，尤其是弹性势能与动能之间的相互转化，则无法正确回答问题③。 6.物理概念层次混乱 物理概念是学生学习物理的重要内容，也是实验原理的重要组成。学生如果不理解概念内涵以及上下位概念关系混乱，容易对实验原理及实验过程做出误判。如实验二问题③中，常有学生认为弹性势能会转化为“滑块的机械能”。机械能是上位于势能与动能的类概念，概括程度较高或包容范围较广；势能和动能是属概念，所具有的含义存储在上层概念“机械能”之中。“机械能守恒”是指属概念间的相互转化。因此，势能转化为机械能不符合逻辑关系，也没有物理意义。 7.忽略物理规律的关键特征 规律的关键特征指的是物理规律中的关键词语、公式中各字母的意义及规律的适用条件和范围。实验二问题①，依据的物理原理是胡克定律，公式为F=kx。这里的关键特征是弹簧的变化量x。学生常常形成迷思概念，将x理解为弹簧的实际长度而不是弹簧的变化量。这种理解导致学生在问题①中容易直接将“8.62”等弹簧的实际长度数字代入，进行计算；在问题④第二问中，将“压缩量的平方”误解为“长度的平方”。 8.逻辑推理不当 物理学是一门具有严密逻辑体系的理论科学，物理规律的形成需要具有一定的推理能力。实验二问题④第二问的解答需要学生有较高的归纳推理能力，善于根据一个或一些已知的事实或结论，发现各物理量之间的关系，即需要综合题目中的v与x关系图，问题③的信息，找出v与x的关系，弹性势能与v的关系，进而归纳得出弹性势能与x的关系。但是，有很多学生缺乏归纳推理能力，不能给出正确的结果。如有些学生根据实验数据推导，得出弹性势能与弹簧的“压缩量”而不是“压缩量的平方”成正比。 物理实验的教学和复习中，应重视智慧技能的培养。 第一，借助于操作技能培养，发展智慧技能。物理实验活动中，学生熟练操作实验元器件、实验装置，使动作细致、精巧、协调和自动化，是操作技能培养。基于此，可以让学生了解实验元件的功能，对整个实验装置的组装及优劣进行比较，对实验程序进行计划、执行、检查、评价，控制和调节，而不是机械地操作，从而发展学生的智慧技能。 第二，结合具体实验，提升数学智慧技能水平。在平时的实验教学和复习中，定量计算不是难点，但是在高考等高风险的考试中，学生却不容易得分。原因在于学生在平时的教学和实验中，处理数据的时间相对宽松，有时还借助于计算工具，高风险考试时则是需要在短时间内进行人工计算。因此，需要结合具体实验，训练学生快速、准确地进行数据处理的能力。同时，创设开放性、探究性实验环境，引导学生利用多种数学知识、方法探寻隐藏在数据中的物理规律。 第三，基于实验原理进行充分的变式练习。菜谱式的实验不能使学生深刻理解实验原理以及物理概念与规律。对基础实验进行变式改造，使学生在多变的实验情境中把握基本原理的本质属性和关键特征。多变的实验情境包括丰富的合理情境和错误情境，防止出现概念、规律内涵的窄化，或外延的无限扩大。多变的实验情境也可避免学生出现定势思维，提高学生的辨别、概括和应变能力。 第四，培养物理意识。缺乏物理意识，在实验策略选择方面就会出现许多非物理的行为，造成失误。培养学生的物理意识，就要建立学生的实验意识，挖掘物理本质，渗透物理方法，强化物理语言，培养科学精神。 第五，帮助学生提高记忆效率。一般实验能力较强的学生头脑中的知识结构化、条理化、自动化和策略化的程度较高，并且具有丰富的表象。增强学生的实验智慧技能，提高记忆效率也是途径之一。在实验中，学生需要记忆实验元器件的功能和实验原理的内涵与外延，需要记忆动作规则和解决问题的程序，需要利用工作记忆对实验过程进行加工，需要激活长时记忆中的相关内容。因此，在实验教学中，教师可以引导帮助学生对实验的各个要素、环节进行有效的组织，使之条理化、结构化；让学生掌握记忆的方法和策略；针对工作记忆效果较差的学生，可以引导他们对相关内容进行适当复述，避免因为记忆构建而造成不必要的错误。
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