物理學(xué)習(xí)智慧技能障礙的表現(xiàn)及教學(xué)建議

歐穎賢 張軍朋

（華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

加涅（R.M.Gagne）的學(xué)習(xí)結(jié)果分類理論將人類習(xí)得能力分為五種類型：言語信息、智慧技能、認(rèn)知策略、態(tài)度和動作技能.［1］其中，智慧技能（intelligent skills）是學(xué)習(xí)者運(yùn)用概念和規(guī)則處理信息或問題的能力.［2］中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生掌握物質(zhì)、運(yùn)動和相互作用、能量等內(nèi)容，懂得運(yùn)用物理概念和規(guī)律解決實(shí)際問題.由此可見，學(xué)生的智慧技能水平?jīng)Q定了他們對物理知識的習(xí)得程度.本文本著提高物理教學(xué)質(zhì)量的目的，試圖分析學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中存在的智慧技能障礙，并提出教學(xué)建議.

2 智慧技能障礙

現(xiàn)代認(rèn)識心理學(xué)的信息加工理論認(rèn)為，學(xué)生習(xí)得知識分陳述性知識和程序性知識.在程序性知識領(lǐng)域中，“對外辦事”的技能就是智慧技能.如果按照習(xí)得的程序以及心理運(yùn)算的復(fù)雜程度去劃分，智慧技能存在4個(gè)層次：辨別、概念、規(guī)則及高級規(guī)則.在物理學(xué)習(xí)情境中，智慧技能表現(xiàn)為對物理概念、規(guī)律和方法等知識的理解與運(yùn)用.［3］例如，學(xué)生懂得運(yùn)用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向.然而我們在教學(xué)中卻發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識時(shí)存在不少智慧技能障礙，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面.

2.1 相異構(gòu)想干擾知識的習(xí)得和運(yùn)用

物理學(xué)的研究對象是自然環(huán)境中的物質(zhì)及其規(guī)律，而學(xué)生又生活在自然環(huán)境中，因此他們能從大量現(xiàn)象中獲得對物理知識的感性認(rèn)識.所以在學(xué)習(xí)某一物理知識前，學(xué)生已經(jīng)形成對相關(guān)物理事物和現(xiàn)象的理解.但很多情況下這些想法與科學(xué)的物理概念大相徑庭，國內(nèi)外的研究者將此種現(xiàn)象稱為“相異構(gòu)想”（alternative conceptions）.這就是智慧技能的概念層次出現(xiàn)障礙的表現(xiàn)，它將會干擾學(xué)生習(xí)得和運(yùn)用物理知識，使學(xué)生的對事物的認(rèn)識就不能準(zhǔn)確反映事物的本質(zhì)屬性.

首先，相異構(gòu)想具有頑固性，會妨礙科學(xué)物理概念的形成.如果教師沒有及時(shí)糾正學(xué)生的相異構(gòu)想，那么相關(guān)物理知識的同化和順應(yīng)將受到干擾，從而導(dǎo)致學(xué)生片面甚至錯(cuò)誤地理解物理知識的科學(xué)含義.而且美國學(xué)者Docktor和Mestre（2012）在研究概念轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的部分相異構(gòu)想存在可觀察的“事實(shí)依據(jù)”或“個(gè)人經(jīng)驗(yàn)”作為支持.［4］這些相異構(gòu)想對物理知識學(xué)習(xí)的干擾更大，同時(shí)它們的糾正也更加艱難.例如，錯(cuò)誤想法“速度越大慣性越大”與觀察結(jié)果“汽車速度越大，剎車時(shí)間越長”是一致的，這會干擾學(xué)生學(xué)習(xí)“質(zhì)量是慣性的唯一量度”這個(gè)結(jié)論.

其次，相異構(gòu)想具有隱蔽性，會干擾科學(xué)物理概念的運(yùn)用.相異構(gòu)想與學(xué)生的物理思維活動聯(lián)系十分緊密，但它又隱藏于思維活動中，因此教師難以察覺學(xué)生的相異構(gòu)想.而且相異構(gòu)想還存在“慣性作用”：學(xué)生在復(fù)述概念或解釋簡單問題時(shí)都會應(yīng)用科學(xué)概念，但在解決復(fù)雜物理問題，特別是情景豐富性問題時(shí)，他們就會不自覺地調(diào)用相異構(gòu)想.［5］因此，學(xué)生也很難發(fā)現(xiàn)自身存在的相異構(gòu)想.例如，學(xué)生在做選擇題時(shí)知道“力是維持物體運(yùn)動的原因”是錯(cuò)誤的，但當(dāng)他們面對具體問題情境，如從斜面下滑的木塊時(shí)，他們就認(rèn)為木塊下滑的原因是受到“下滑力”的作用.

總之，物理概念不僅是物理知識的重要組成部分，也是構(gòu)成物理規(guī)律、完善物理理論的基礎(chǔ)和前提.因此，如果學(xué)生在智慧技能的概念層次出現(xiàn)障礙，他們在習(xí)得和運(yùn)用知識的過程中將會受到嚴(yán)重干擾.

2.2 零散知識影響思路的形成和發(fā)展

DiSessa（2004）的零散知識理論（knowledge in pieces）認(rèn)為：學(xué)習(xí)不良學(xué)生頭腦中的概念只是一些局部的、零散的知識成分，是一個(gè)個(gè)缺乏內(nèi)在邏輯聯(lián)系的獨(dú)立圖式.［6］學(xué)生能逐個(gè)回憶零散知識，也能根據(jù)特定情境調(diào)用這些知識，但他們認(rèn)為不同情境下的同一知識是不等價(jià)的.這就是指學(xué)生沒有全面掌握物理概念和規(guī)律，沒有系統(tǒng)建立知識之間的邏輯聯(lián)系，他們在智慧技能的規(guī)則層次存在障礙，具體表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：

第一，在新情境中無法根據(jù)已有信息調(diào)用知識.由于存在智慧技能障礙的學(xué)生對知識的記憶往往處于機(jī)械記憶水平，沒有形成高效的知識結(jié)構(gòu)，所以他們根據(jù)己知信息從記憶中檢索和調(diào)用知識都較為困難.例如，學(xué)生對運(yùn)動學(xué)公式十分熟悉，但面對計(jì)算題卻常常感到無從下手，或者只是套用公式.這就是學(xué)生欠缺程序性知識的表現(xiàn)，他們沒有將知識轉(zhuǎn)化為智慧技能.

第二，相關(guān)知識干擾物理問題解決.物理知識是相互聯(lián)系的，同時(shí)也是有層次的.有些知識適用于一般情況，而有些知識只能用在特定情景.但學(xué)生對物理知識的內(nèi)涵、外延以及適用條件理解不透，因而在解決物理問題時(shí)存在偏差.例如，動能定理與動量定理都是依據(jù)牛頓第二定律結(jié)合運(yùn)動學(xué)公式推導(dǎo)出來的.據(jù)此有些學(xué)生就錯(cuò)誤地認(rèn)為：因?yàn)檫\(yùn)動學(xué)公式只適用于勻變速直線運(yùn)動，所以兩個(gè)導(dǎo)出定理也只適用于勻變速直線運(yùn)動；牛頓第二定律是矢量式，兩個(gè)定律也是矢量式.

2.3 定勢思維影響問題的分析和解決

智慧技能中的高級規(guī)則是指綜合運(yùn)用各種簡單規(guī)則解決復(fù)雜問題的能力，它是學(xué)習(xí)者在問題解決過程中的思維產(chǎn)物.如學(xué)生沒有形成較高層次的智慧技能，即便他們已經(jīng)掌握了相關(guān)的物理知識，但是在解決復(fù)雜問題時(shí)擺脫不了原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的束縛，便形成消極的定勢思維.其影響通常體現(xiàn)在物理規(guī)律的運(yùn)用上，表現(xiàn)為呆板的經(jīng)驗(yàn)和僵化的思維限制了問題解決策略的選擇.

例如，相距100km的火車A、B分別以60km／h和40 km／h的速度相對而行.一只鷹以50km／h的速度從A車頭飛到B車頭，再轉(zhuǎn)頭飛向A車頭，如此往復(fù)，直至兩車相遇，求鷹飛過的路程.存在思維定勢的學(xué)生在分析此題時(shí)，習(xí)慣性地想分段求出鷹的路程，卻發(fā)現(xiàn)無從下手.但是如果學(xué)生摒棄分段求解的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，抓住運(yùn)動的全過程，緊緊圍繞s＝vt，就能發(fā)現(xiàn)解決問題的關(guān)鍵是求鷹的運(yùn)動時(shí)間.即，鷹飛了1h，經(jīng)過路程是50km.

受定勢思維束縛的學(xué)生在思考問題時(shí)經(jīng)常從目標(biāo)出發(fā)，尋找與目標(biāo)有關(guān)的公式，然后觀察公式中的未知量，再列出未知量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如此逐步推演，直至待求量完全由已知量表示為止.這種“鏈?zhǔn)酵评怼倍▌菔箤W(xué)生的思維總是沿著單一的常規(guī)方法前進(jìn)，不能發(fā)展思維的靈活性，從而導(dǎo)致學(xué)生無法形成高水平的智慧技能.因此，教師要注意探尋學(xué)生的定勢思維，并運(yùn)用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法培養(yǎng)其思維的發(fā)散性.

3 克服智慧技能障礙的教學(xué)建議

建構(gòu)主義認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)生依據(jù)已有的知識經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主動建構(gòu)的過程.所以教師要在了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮其主導(dǎo)作用，靈活運(yùn)用教學(xué)方式，力求使學(xué)生主動將物理知識內(nèi)化到認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，從而徹底克服智慧技能障礙.下文將就教學(xué)中如何克服學(xué)生的認(rèn)知障礙提出教學(xué)建議.

3.1 懸疑教學(xué)消除相異構(gòu)想

布魯納說，激起人類探索欲望的主要條件是有適度的不確定性.如果教師能創(chuàng)設(shè)出與相異構(gòu)想有關(guān)的懸疑情景，激發(fā)學(xué)生的疑惑，并加以適當(dāng)引導(dǎo)，學(xué)生就會積極主動地參與學(xué)習(xí).因此在物理教學(xué)中，設(shè)置懸疑是引起學(xué)生理性探索欲望，糾正學(xué)生相異構(gòu)想的有效方法.

首先，教師要依據(jù)學(xué)生存在的相異構(gòu)想設(shè)置問題“誘疑”，讓學(xué)生發(fā)表看法；然后通過實(shí)驗(yàn)、推理等方式“設(shè)疑”，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或推理結(jié)果與原有認(rèn)知存在不可調(diào)和的矛盾，從而產(chǎn)生疑惑和探索欲望；接下來，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或邏輯推理開展新課“釋疑”，使學(xué)生明白其中的物理知識和思維過程；最后，讓學(xué)生利用習(xí)得的知識檢驗(yàn)令他們產(chǎn)生相異構(gòu)想的情景，［7］達(dá)到“消疑”的目的.

例如，受生活經(jīng)驗(yàn)“樹葉飄落”的影響，很多學(xué)生都存在“重的物體下落快，輕的物體下落慢”這種相異構(gòu)想.對此，教師可利用硬幣和白紙“誘疑”：“同時(shí)釋放硬幣和白紙，誰下落較快？”由于相異構(gòu)想的影響，學(xué)生會認(rèn)為硬幣下落較快.學(xué)生判斷之后，教師開始“設(shè)疑”：將白紙揉成團(tuán)，然后在同一高度同時(shí)釋放紙和硬幣，兩者幾乎同時(shí)落地.猜想和現(xiàn)實(shí)的差異使學(xué)生產(chǎn)生疑惑，激發(fā)學(xué)生主動思考：為什么硬幣重，卻不會先落地？影響物體下落快慢的因素有哪些？由此順利提出研究問題，開始“釋疑”：繼續(xù)對比展開的白紙和硬幣、展開的白紙和成團(tuán)的白紙、硬幣和粘了白紙的硬幣3種情況，使學(xué)生明白物體下落的快慢與重力無關(guān)，與物體受到的空氣阻力有關(guān).最后，聯(lián)系相異構(gòu)想的源頭“消疑”：讓學(xué)生分析為什么石頭下落快，樹葉下落慢.

因?yàn)閼乙山虒W(xué)中既有實(shí)際的“情節(jié)”，又有持續(xù)相關(guān)的“疑惑”，因此它能吸引學(xué)生的注意力.同時(shí)，通過對比“誘疑”和“消疑”兩次思考結(jié)果，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)隱藏在頭腦中的相異構(gòu)想.這時(shí)他們就會加倍留意相關(guān)物理知識，從而達(dá)到消除智慧技能障礙的目的.

3.2 變式教學(xué)聯(lián)系零散知識

存在智慧技能障礙的學(xué)生頭腦中存儲著很多零散知識，盡管知識之間缺乏系統(tǒng)的組織，但零散知識理論指出“在相似情景中重復(fù)練習(xí)零散知識有助于學(xué)生形成完整的科學(xué)概念”.［8］因此，教師可針對學(xué)生理解不深的物理知識開展變式教學(xué)，通過創(chuàng)設(shè)多種問題情境，讓學(xué)生綜合運(yùn)用知識，從而建立知識之間的邏輯聯(lián)系.

在變式教學(xué)中，教師可以通過改變關(guān)鍵字、無關(guān)特征或分析角度等方式不斷刺激學(xué)生，促使學(xué)生聯(lián)系零散知識.其次，教學(xué)內(nèi)容的組織應(yīng)該考慮新知識與學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的關(guān)系，精心設(shè)計(jì)變式問題，使之符合學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”.最后，變式教學(xué)還應(yīng)做到“變”中有“同”，教師要及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生“求同存異”.只有這樣，學(xué)生才能在解答變式時(shí)辨明概念之間的關(guān)系，消除知識之間的矛盾.

圖1

從以上描述，我們看到學(xué)生每做一道變式，相關(guān)知識就會以不同的側(cè)重點(diǎn)在頭腦里呈現(xiàn)一次，因而學(xué)生對物理知識的內(nèi)涵和外延將有系統(tǒng)的理解.而且隨著運(yùn)用次數(shù)增加，物理知識會逐漸由陳述性知識轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蛐灾R，并可以遷移至新情境中，即形成智慧技能.

3.3 外化思維教學(xué)突破定勢思維

物理學(xué)困生成績無法提高的原因之一是其思維僵化，不能綜合運(yùn)用簡單物理原理解決復(fù)雜問題.為了突破定勢思維，教師應(yīng)該在顯化自身思維過程的同時(shí)，透視學(xué)生的解題思路，找到定勢思維的癥結(jié)所在，并有針對性地協(xié)助學(xué)生加工思維.換言之，突破定勢思維的前提是師生之間能感知對方的思維過程，所以我們應(yīng)該采用外化思維教學(xué)法進(jìn)行授課.

一方面，外化思維教學(xué)指教師在課堂上，特別是新課教學(xué)時(shí)，應(yīng)該使用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z言來表征物理問題，并細(xì)致分析思維過程，使學(xué)生可以借鑒.另一方面，外化思維教學(xué)還指學(xué)生應(yīng)該積極表達(dá)自己的思維，通過對比自己、同學(xué)和老師的思路來探求更多解決問題的方法，防止思維僵化.此外，外化思維能使學(xué)生的注意力從問題本身轉(zhuǎn)移到認(rèn)知加工過程，使他們更好地監(jiān)督調(diào)節(jié)自己的認(rèn)知過程，進(jìn)而促進(jìn)問題解決.

例如，讓學(xué)生討論“質(zhì)量為3kg的小球，從5m高的地方由靜止開始勻加速下落到地面用時(shí)2s，求小球落地速度及下落時(shí)的受力情況”，并描述各自的思考過程.從學(xué)生的出聲思維中，可發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生將此運(yùn)動理解為自由落體運(yùn)動.此時(shí)，教師可以讓學(xué)生回憶自由落體運(yùn)動的條件.不難發(fā)現(xiàn)，如小球做自由落體運(yùn)動，其下落時(shí)間為1s，與題意不符，從而說明小球受到恒定阻力的作用.又因?yàn)樵谕黄扑季S定勢時(shí)學(xué)生都表達(dá)了各自不同的想法，所以應(yīng)該借此機(jī)會鼓勵(lì)學(xué)生對問題進(jìn)行發(fā)散性的加工，例如這道題目就有10多種解法.這樣，學(xué)生在不斷表達(dá)自身想法和傾聽別人意見的過程中，就無形中培養(yǎng)了思維的發(fā)散性和靈活性.此外，教師還可讓學(xué)生討論每種思維方式的特點(diǎn)，讓他們對存在的方法進(jìn)行輻合性加工，從而篩選出較為理想的方法以及解題時(shí)應(yīng)該注意的要點(diǎn).

經(jīng)過持續(xù)的外化思維教學(xué)，學(xué)生將逐漸走出“鏈?zhǔn)酵评怼钡氖`，最終懂得靈活運(yùn)用物理知識處理問題，形成較高的智慧技能.但在外化思維教學(xué)中，教師要充分發(fā)揮其主導(dǎo)作用，鼓勵(lì)學(xué)生描述自己的思維過程，并適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生分析出現(xiàn)思維定勢的原因.

4 結(jié)束語

綜上所述，在學(xué)生學(xué)習(xí)物理的過程中，智慧技能障礙的表現(xiàn)多種多樣.教師只有深入研究學(xué)生存在的智慧技能障礙，才能有針對性地、有預(yù)見性地采取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略克服障礙，切實(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的成效.筆者相信只要教師依據(jù)具體的授課內(nèi)容、學(xué)習(xí)要求以及學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平來設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué)，使學(xué)生積極主動地參與物理學(xué)習(xí)活動，就能有效地克服智慧技能障礙.

1 皮連生.學(xué)與教的心理學(xué)［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，1997：94-95.

2 R.M.Gagne著.皮連生，王映學(xué)，鄭葳等譯.學(xué)習(xí)的條件和教學(xué)論［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，1999：110-111.

3 宇文春燕.高中生物理學(xué)習(xí)困難的成因分析及教學(xué)對策［D］.長春：東北師范大學(xué)，2007.

4 Susan R S，Natalie R N，Heidi A S.Discipline-Based Education Research：Understanding and Improving Learning in Undergraduate Science and Engineering.Washington，DC：The National Academies Press，2012：4-10.

5 黃華玲.高中物理學(xué)習(xí)認(rèn)知障礙成因分析及解決策略［D］.上海：華東師范大學(xué)，2008.

6 DiSessa A A，Gillespie N.Coherence versus fragmentation in the development of the concept of force［J］.Cognitive Science，2004（28）：843-900.

7 Susan R S，Natalie R N，Heidi A S.Discipline-Based Education Research：Understanding and Improving Learning in Undergraduate Science and Engineering［M］.Washington，DC：The National Academies Press，2012：4-10.

8 Dufresne R J，Leonard W J，Gerace W J.Making sense of students’answers to multiple choice questions［J］.The Physics Teacher，2002（40）：174-180.