學(xué)生課堂思維活動(dòng)的研究對(duì)醫(yī)學(xué)物理教學(xué)改革的啟示

樊祥民

(菏澤醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)校物理教研室，山東 菏澤 274000)

大學(xué)物理學(xué)是我國(guó)高等院校理、工、醫(yī)科等專業(yè)重要的必修基礎(chǔ)課程。大學(xué)物理的教學(xué)，不但要幫助學(xué)生積累物理學(xué)知識(shí)，更要注重培養(yǎng)學(xué)生思維能力和利用物理知識(shí)分析解決問(wèn)題能力[1,2]?？v觀我國(guó)大學(xué)物理的教學(xué)研究，主要集中在從教師“如何教”的角度所進(jìn)行的大班課堂教學(xué)方法的研究[3,4]。大學(xué)物理課堂教學(xué)過(guò)程中，常常遇到的一種現(xiàn)象是：盡管教師通過(guò)一系列的教學(xué)研究，想方設(shè)法詳盡地進(jìn)行物理知識(shí)的解釋，學(xué)生當(dāng)時(shí)也能聽得舒服和聽得懂，但是學(xué)生在利用所聽所學(xué)的物理知識(shí)進(jìn)行解決實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候，卻遇到了很大的困難。由于我國(guó)的大學(xué)物理教學(xué)研究缺乏從學(xué)生角度的研究[4]，所以不清楚學(xué)生在運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的時(shí)候?yàn)槭裁磿?huì)遇到困難。本文從學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決問(wèn)題時(shí)遇到的困難入手，通過(guò)具體的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，定性研究了在醫(yī)學(xué)物理課堂教學(xué)過(guò)程中學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)分析解決問(wèn)題時(shí)的思維活動(dòng)，并對(duì)學(xué)生的思維活動(dòng)進(jìn)行了分析和總結(jié)。希望本研究能為我國(guó)的物理教育教學(xué)研究和提高物理教學(xué)質(zhì)量提供有益的參考。

1 研究方法

現(xiàn)象學(xué)研究方法是一種心理學(xué)研究思維過(guò)程的方法，強(qiáng)調(diào)在一定的條件下對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行自然而然的實(shí)驗(yàn)觀察，記錄研究對(duì)象正在進(jìn)行的想法或者做法；對(duì)觀察到的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行如實(shí)的描述，不做任何的推測(cè)和解釋[5]。格式塔心理學(xué)認(rèn)為，經(jīng)驗(yàn)很難用數(shù)量來(lái)統(tǒng)計(jì)，所以先通過(guò)觀察，然后再進(jìn)一步分析[5]。本研究就是采用現(xiàn)象學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察的方法，在實(shí)際的醫(yī)學(xué)物理課堂教學(xué)過(guò)程中，選擇了4個(gè)重要的物理概念和原理，通過(guò)設(shè)置一些問(wèn)題，觀察學(xué)生對(duì)問(wèn)題的解答情況。觀察的內(nèi)容有：(1)學(xué)生回答問(wèn)題的快慢；(2)不同回答結(jié)果的學(xué)生人數(shù)比例；(3)學(xué)生對(duì)各自回答結(jié)果的解釋；(4)學(xué)生的表情。

2 研究過(guò)程與結(jié)果

2.1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)1

該教學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的物理知識(shí)主要是理想液體的概念。理想液體是一個(gè)物理模型，其概念為絕對(duì)不可壓縮，完全沒(méi)有黏性的液體。理想液體的概念是推導(dǎo)連續(xù)性方程的理論基礎(chǔ)。連續(xù)性方程的意義是理想液體在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，流過(guò)同一流管各截面的流量保持不變，流管截面積大的地方流速小，流管截面積小的地方流速大。其數(shù)學(xué)公式為S1v1=S2v2，S表示流管橫截面面積，v表示通過(guò)截面的液體的流速。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)1的題目是利用理想液體的基本概念來(lái)推導(dǎo)連續(xù)性方程。如果學(xué)生能夠?qū)硐胍后w的概念有實(shí)質(zhì)性的理解，抓住“絕對(duì)不可壓縮”這一關(guān)鍵點(diǎn)，就很容易做出正確的判斷：在相同時(shí)間內(nèi)，從一個(gè)截面流進(jìn)去的液體的體積必然等于從另一個(gè)截面流出去的液體的體積。

如圖1所示，經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt，流經(jīng)截面1(截面積為S1)的液體體積為S1v1Δt，流經(jīng)截面2(截面積為S2)的液體體積為S2v2Δt。

圖1 經(jīng)Δt時(shí)間通過(guò)兩截面的液體體積示意圖

當(dāng)問(wèn)及S1v1Δt與S2v2Δt是否相等的時(shí)候，沒(méi)有學(xué)生肯定地回答相等，超過(guò)一半以上的同學(xué)回答“不相等”或者“不相等吧？”(雖然回答了不相等，但是很猶豫)。在沒(méi)有給學(xué)生任何提示和反饋的前提下，更換了一種形式來(lái)提問(wèn)：如圖2所示，經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt，流經(jīng)截面1的液體體積為V1，流經(jīng)截面2的液體體積為V2，問(wèn)兩者是否相等。有超過(guò)1/3的學(xué)生回答相等，同時(shí)學(xué)生能給出“因?yàn)槔硐胍后w的體積絕對(duì)不可壓縮，所以兩者相等”這一正確的解釋。

圖2 經(jīng)Δt時(shí)間通過(guò)兩截面的液體體積示意圖

2.2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)2

該教學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的物理知識(shí)主要是連續(xù)性方程。通過(guò)連續(xù)性方程，可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和解釋人體血液循環(huán)中一些生理和病理現(xiàn)象，有助于醫(yī)學(xué)生對(duì)某些疾病的診斷和治療。比如運(yùn)用連續(xù)性方程“截面積大的地方流速小，截面積小的地方流速大”這一物理意義，可以定性地解釋患者動(dòng)脈狹窄處的血液流速為何比正常動(dòng)脈處的流速快的原因。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)2的題目是利用連續(xù)性方程解釋人體動(dòng)脈內(nèi)血液流速快，毛細(xì)血管內(nèi)血液流速慢。從解剖關(guān)系上看，人體主動(dòng)脈通過(guò)各分支小動(dòng)脈最后與數(shù)量眾多的毛細(xì)血管相連通。如果學(xué)生能夠把動(dòng)脈和毛細(xì)血管抽象成同一個(gè)流管中的不同截面，然后運(yùn)用連續(xù)性方程的物理意義，就能順理成章地得出人體動(dòng)脈中血液流速比毛細(xì)血管中的血液流速快得多的結(jié)論。

請(qǐng)同學(xué)們迅速回答，是動(dòng)脈內(nèi)血液流速快，還是毛細(xì)血管內(nèi)血液流速快？幾乎所有同學(xué)說(shuō)毛細(xì)血管內(nèi)的血液流速快。不過(guò)，有近1/2的同學(xué)回答后又接著否定了之前的觀點(diǎn)，認(rèn)為動(dòng)脈內(nèi)的血液流速快。問(wèn)其理由，不能給予正確的解釋。

2.3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)3

教學(xué)實(shí)驗(yàn)3的題目是利用彎曲液面附加壓強(qiáng)的基本概念和公式，分析一個(gè)大的肥皂泡和一個(gè)小的肥皂泡，用玻璃管連通后，兩肥皂泡各自有什么樣變化。因?yàn)榇蠓试砼莸那拾霃奖刃》试砼莸那拾霃酱?，所以大肥皂泡?nèi)的壓強(qiáng)小于小肥皂泡內(nèi)的壓強(qiáng)，氣體從小肥皂流向大肥皂泡，導(dǎo)致大肥皂泡越來(lái)越大、小肥皂泡越來(lái)越?。划?dāng)二者的曲率半徑相等時(shí)，二者的形狀不再發(fā)生變化，此時(shí)小肥皂變成冒頂形狀。

如圖3所示，問(wèn)當(dāng)一個(gè)大的肥皂泡A(半徑為RA)和一個(gè)小的肥皂泡B(半徑為RB)，用玻璃管連通后，是大肥皂泡變大、小肥皂泡變小，還是大肥皂泡變小、小肥皂泡變大？

圖3 玻璃管連通肥皂泡A、B(RA>RB)示意圖

幾乎所有的學(xué)生的回答是大肥皂泡變小、小肥皂泡變大。反復(fù)詢問(wèn)有沒(méi)有不同意見的同學(xué)，沒(méi)一人舉手或者回應(yīng)。沒(méi)有給學(xué)生任何的反饋和暗示，我們給學(xué)生提供一個(gè)和這個(gè)問(wèn)題很相似的一個(gè)問(wèn)題：如圖4所示，當(dāng)一個(gè)大的肥皂泡A(半徑為RA)和一個(gè)小的肥皂泡B(半徑為RB)，用玻璃管連通后，是A中的氣體流向B，還是B中的氣體流向A？

圖4 玻璃管連通肥皂泡A、B(RA>RB)示意圖( 表示氣體可能的流動(dòng)方向)

接近一半的學(xué)生馬上說(shuō)出正確的答案：氣體從B流向A(也就是大肥皂泡變大，小肥皂泡變小)。另一半的同學(xué)仍堅(jiān)持大肥皂泡變小，小肥皂泡變大。經(jīng)過(guò)解釋后，全部學(xué)生能明白。接著提出新問(wèn)題，B中的氣體什么時(shí)候停止向A流動(dòng)呢？學(xué)生全部能夠正確回答出“兩邊壓強(qiáng)相等的時(shí)候”。即ps′A=ps′B。滿足什么條件兩邊壓強(qiáng)才相等呢？學(xué)生無(wú)應(yīng)答。給予提示，當(dāng)R′A=R′B的時(shí)候，是不是兩個(gè)肥皂泡內(nèi)的壓強(qiáng)就相等了呢。但學(xué)生表情顯得很困惑，將信將疑。

2.4 教學(xué)實(shí)驗(yàn)4

問(wèn)題1.擴(kuò)血管藥物能否治療冠心??？

全部學(xué)生能立刻回答并正確解釋擴(kuò)血管藥物可以治療冠心病，因?yàn)檠茉龃挚梢栽黾友髁浚瑥亩苊庑募∪毖?/p>

問(wèn)題2.降低血液黏度的藥物，如活血化瘀的藥物，能否治療冠心病？學(xué)生也都能立刻給出正確的解釋。

3 分析

針對(duì)每一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)生解答情況，我們隨后跟學(xué)生做了深入訪談，根據(jù)訪談的結(jié)果，進(jìn)行分類分析。

(1) 在教學(xué)實(shí)驗(yàn)1的訪談中，當(dāng)問(wèn)到在圖1情形下，為什么不能得出流過(guò)兩截面液體的體積相等呢？多數(shù)學(xué)生回答：根據(jù)圖1提供的信息，注意力集中在如何證明S1v1Δt=S2v2Δt上，但是一時(shí)又找不到合適的數(shù)學(xué)公式，壓根沒(méi)有想到從理想液體的概念著手來(lái)思考，只好等待老師的解釋。當(dāng)問(wèn)到在圖2情形下，為什么同學(xué)們又能夠發(fā)現(xiàn)兩者相等呢？學(xué)生比較一致的反饋是：圖2提供的流經(jīng)截面的液體體積不是數(shù)學(xué)表達(dá)式，造成的干擾少，比較容易聯(lián)想到剛才學(xué)過(guò)的理想液體的概念。

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)3的訪談中，當(dāng)問(wèn)到“大肥皂泡變大、小肥皂泡變小，還是大肥皂泡變小、小肥皂泡變大”與“是大肥皂泡中的氣體流向小肥皂泡，還是小肥皂泡中的氣體流向大肥皂泡”這兩個(gè)問(wèn)題有本質(zhì)的區(qū)別嗎？學(xué)生都回答沒(méi)有區(qū)別。當(dāng)問(wèn)到為什么對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的解答出現(xiàn)截然不同的結(jié)果呢？學(xué)生一致的反饋是：大肥皂泡里的氣體多、小肥皂泡里的氣體少，主觀上自然就認(rèn)為大肥皂泡會(huì)越來(lái)越小、小肥皂泡會(huì)越來(lái)越大，沒(méi)有想到從物理規(guī)律上來(lái)做進(jìn)一步的思考；圖4是一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)方面的問(wèn)題，我們比較擅長(zhǎng)做這方面的題目，所以想著用附加壓強(qiáng)的公式來(lái)判斷。

通過(guò)以上的訪談結(jié)果，我們作進(jìn)一步分析。教學(xué)實(shí)驗(yàn)1中圖1給出的流經(jīng)兩截面的液體體積用S1v1Δt、S2v2Δt表示，這種表達(dá)方式讓學(xué)生誤以為這是個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，引發(fā)了學(xué)生集中從數(shù)學(xué)的角度來(lái)證明二者是否相等，忽略了剛才學(xué)過(guò)的理想液體的概念。圖2給出的流經(jīng)兩截面的液體體積用V1、V2表示，即兩段液柱的體積，沒(méi)有了數(shù)學(xué)表達(dá)式的干擾，從而讓一些學(xué)生開始想到用理想液體的概念來(lái)推理?？梢?，比較兩段液柱體積V1、V2是否相等，要比較S1v1Δt與S2v2Δt是否相等使得學(xué)生更容易想到理想液體的概念，也就是說(shuō)問(wèn)題表征為液柱，使得問(wèn)題與所需知識(shí)(理想液體的概念)之間的關(guān)系更為親密，更容易讓學(xué)生聯(lián)想到理想液體的基本概念中的關(guān)鍵點(diǎn)“絕對(duì)不可壓縮”來(lái)快速準(zhǔn)確地解決問(wèn)題。

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)3中，“大肥皂泡變大、小肥皂泡變小，還是大肥皂泡變小、小肥皂泡變大”這種提問(wèn)形式讓學(xué)生僅憑“大肥皂泡里的氣體多、小肥皂泡里的氣體少”，就從主觀上作出了草率的判斷；而“是大肥皂泡中的氣體流向小肥皂泡，還是小肥皂泡中的氣體流向大肥皂泡”的提問(wèn)形式才驅(qū)使學(xué)生通過(guò)尋求相關(guān)物理規(guī)律來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。肥皂泡變大或者變小側(cè)重的是物體形狀的改變，氣體流動(dòng)側(cè)重的是物體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。物理學(xué)上，解決運(yùn)動(dòng)問(wèn)題比解決形變問(wèn)題對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)更有規(guī)律可循。解決氣體如何流動(dòng)，學(xué)生較容易想到比較兩個(gè)肥皂泡里氣體壓強(qiáng)，氣體從壓強(qiáng)大的地方流向壓強(qiáng)小的地方，從而順理成章地運(yùn)用附加壓強(qiáng)的公式來(lái)解決問(wèn)題。如果從形變的角度，使得學(xué)生不容易想到附加壓強(qiáng)就是解決問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生主觀猜測(cè)，不能正確解決問(wèn)題。

因此，教學(xué)實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)3中，對(duì)同一個(gè)問(wèn)題的表述不同，學(xué)生解決問(wèn)題的效果也不同。問(wèn)題的不同表述可以讓學(xué)生較容易地正確解決問(wèn)題，也可以使得學(xué)生一時(shí)無(wú)法利用所學(xué)的知識(shí)來(lái)恰當(dāng)?shù)慕鉀Q問(wèn)題。對(duì)于這種現(xiàn)象，格式塔心理學(xué)認(rèn)為，人們?cè)陬^腦中表征問(wèn)題的方式會(huì)影響問(wèn)題解決的效果[6]，對(duì)問(wèn)題如何表征，直接影響到問(wèn)題解決的難易與快慢[7]。正確地表征問(wèn)題是非常重要的，其作用就在于有助于人們理解問(wèn)題與所需知識(shí)之間的關(guān)系，使得人們有可能去運(yùn)用關(guān)鍵的或者恰當(dāng)?shù)闹R(shí)來(lái)解決問(wèn)題[8]。

(2) 在教學(xué)實(shí)驗(yàn)2的訪談中，當(dāng)問(wèn)到為什么大家迅速做出毛細(xì)血管內(nèi)的血液比動(dòng)脈中的流速快呢？學(xué)生的回答是：因?yàn)槎贾绖?dòng)脈血管的管半徑大于毛細(xì)血管的管半徑，根據(jù)連續(xù)性方程S1v1=S2v2，所以很容易發(fā)現(xiàn)毛細(xì)血管內(nèi)的血液流速快。當(dāng)問(wèn)到為什么有許多學(xué)生又改變觀點(diǎn)了呢？學(xué)生的反饋是：根據(jù)常識(shí)知道動(dòng)脈內(nèi)血液流速比毛細(xì)血管內(nèi)血液流速快得多，這與根據(jù)連續(xù)性方程得出的結(jié)論矛盾，但是不知道錯(cuò)誤出現(xiàn)在什么地方，等待老師的解釋。

結(jié)合學(xué)生反饋的情況，作進(jìn)一步分析。教學(xué)實(shí)驗(yàn)2中，一段動(dòng)脈血管的管半徑要大于一段毛細(xì)血管的管半徑，這是人們的常識(shí)，根據(jù)連續(xù)性方程流管截面面積與流速成反比的規(guī)律，所以學(xué)生很快得出毛細(xì)血管內(nèi)的血液流速快的結(jié)論。有學(xué)生在得出毛細(xì)血管內(nèi)的血液流速較快的結(jié)論之后，卻迅速改變觀點(diǎn)，認(rèn)為動(dòng)脈內(nèi)的血液流速比毛細(xì)血管的血液流速快，通過(guò)前面的訪談可知，原因來(lái)自學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)和常識(shí)，此時(shí)學(xué)生明明知道了矛盾的出現(xiàn)，但學(xué)生無(wú)法給出正確解釋?？梢哉f(shuō)這種思維定勢(shì)阻礙了學(xué)生知識(shí)的遷移和運(yùn)用能力。

格式塔心理學(xué)認(rèn)為，思維定式阻礙了人們對(duì)問(wèn)題的解決，影響了人們?cè)诮鉀Q問(wèn)題時(shí)對(duì)問(wèn)題的恰當(dāng)表征。思維定式(也叫心理定式)是一種事先形成的、關(guān)于如何著手處理問(wèn)題的觀念，受人們的經(jīng)驗(yàn)或過(guò)去的經(jīng)歷影響[6]。由于思維定勢(shì)，致使學(xué)生不能主動(dòng)運(yùn)用恰當(dāng)?shù)奈锢碇R(shí)來(lái)解釋動(dòng)脈中血液流速比毛細(xì)血管中血液流速快的現(xiàn)象。換句話說(shuō)，思維定勢(shì)阻礙了學(xué)生進(jìn)一步聯(lián)系連續(xù)性方程，從截面積的角度，重新考慮動(dòng)脈的截面積與數(shù)量眾多的毛細(xì)血管的截面積之間的關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生即便靠經(jīng)驗(yàn)推斷出了正確的結(jié)論，但是找不到合適的知識(shí)來(lái)解釋。同理，學(xué)生“既然大肥皂泡變大，小肥皂泡變小，那么無(wú)論什么時(shí)候，也不可能出現(xiàn)二者半徑一樣的情況”的心理定勢(shì)，阻滯了學(xué)生對(duì)附加壓強(qiáng)公式中的R進(jìn)行實(shí)質(zhì)性理解，將理論與實(shí)踐割裂開來(lái)，不能或者不會(huì)學(xué)以致用。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的教學(xué)實(shí)驗(yàn)及分析，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生無(wú)論是在學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)物理知識(shí)的過(guò)程中還是在運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中遇到了幾乎相同的困難。學(xué)生在學(xué)習(xí)與運(yùn)用物理知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的時(shí)候，其思維活動(dòng)所表現(xiàn)出的特點(diǎn)具有共性：?jiǎn)栴}的表征方式、思維定勢(shì)以及固著造成了學(xué)生在概念與原理的理解和運(yùn)用推理上的困難，這些因素影響了學(xué)生對(duì)問(wèn)題的分析解決能力。

當(dāng)前教育部提出“新醫(yī)科”建設(shè)，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教育模式向“以醫(yī)文、醫(yī)工、醫(yī)理、醫(yī)X交叉學(xué)科”為支撐的醫(yī)學(xué)教育模式轉(zhuǎn)變，通過(guò)多學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)卓越科技型醫(yī)學(xué)人才[9]。醫(yī)學(xué)物理不但可以幫助醫(yī)學(xué)生認(rèn)識(shí)人體生理和病理的現(xiàn)象，而且物理學(xué)的原理、方法和技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類疾病的預(yù)防、診斷和治療?！靶箩t(yī)科”建設(shè)有力地回答了“醫(yī)學(xué)生為什么要學(xué)物理學(xué)”，同時(shí)對(duì)教師的教學(xué)也提出了更高的要求。

因此對(duì)于醫(yī)學(xué)物理來(lái)說(shuō)，教師不應(yīng)當(dāng)只從教師的角度來(lái)思考教學(xué)和進(jìn)行教學(xué)改革，還應(yīng)當(dāng)從學(xué)生自身的角度來(lái)研究?！爸骸备爸恕?，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生這些思維活動(dòng)的特點(diǎn)和其導(dǎo)致的學(xué)習(xí)困難來(lái)反思自己的教學(xué)與教學(xué)改革，以便采用合適的教學(xué)方法和教學(xué)模式，精準(zhǔn)引導(dǎo)學(xué)生正確地表征概念、原理和問(wèn)題，幫助學(xué)生克服心理定勢(shì)和固著在理解和運(yùn)用知識(shí)時(shí)候的副作用，使學(xué)生能夠?qū)嵸|(zhì)性理解物理基本知識(shí)；避免學(xué)生通過(guò)死記硬背的方式學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)物理或者被動(dòng)地學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)物理，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行積極的思考，幫助學(xué)生反思自己的思維活動(dòng)；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)物理知識(shí)的理解與運(yùn)用它們進(jìn)行邏輯推理能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維技能。

總之，通過(guò)對(duì)課堂教學(xué)中學(xué)生思維活動(dòng)的研究，清楚了學(xué)生在分析解決相同問(wèn)題的時(shí)候遇到了幾乎相同困難和障礙的因素。希望通過(guò)精準(zhǔn)的教學(xué)研究和教學(xué)改革，找到行之有效的解決策略，使醫(yī)學(xué)生學(xué)好、用好物理知識(shí)，以便為醫(yī)學(xué)生學(xué)好后續(xù)課程打下牢固的物理基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)“新醫(yī)科”對(duì)醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。