中學(xué)生物理意義理解水平的調(diào)查研究
——以“密度”為例

劉忠旭 陳飛飛 黃 蕾

(1. 西南大學(xué)教師教育學(xué)院,重慶 400715;2. 四川省遵義市第四中學(xué)校，四川 遵義 563000；3. 四川省自貢市富順第二中學(xué)校,四川 自貢 643200)

1 引言

從知識(shí)的結(jié)構(gòu)來(lái)看,知識(shí)是由符號(hào)表征、邏輯形式和價(jià)值意義三個(gè)內(nèi)在的要素相互關(guān)聯(lián)構(gòu)成的整體。教育學(xué)家杜威說(shuō)過(guò)：“所有的知識(shí),所有的科學(xué)都試圖掌握萬(wàn)事萬(wàn)物的意義。”在學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生如果沒有深刻理解概念的物理意義,那就無(wú)法利用它來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等四個(gè)方面。其中物理觀念是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，物理概念是物理觀念的基本要素之一,而深刻理解其物理意義又是掌握物理概念的基礎(chǔ)。

概念的物理意義是指這個(gè)概念的內(nèi)涵與外延及其關(guān)系，包含在物理量的定義、性質(zhì)、作用、功能、與之相關(guān)的物理現(xiàn)象和過(guò)程的聯(lián)系之中。學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中,往往難以理解精煉化的物理概念,總是采取機(jī)械記憶的方式,在解決實(shí)際物理問(wèn)題時(shí),學(xué)生便難以靈活應(yīng)對(duì)。本研究采用自制問(wèn)卷,調(diào)查中學(xué)生對(duì)密度的物理意義的理解水平,并試圖從學(xué)生認(rèn)知和教師教學(xué)兩方面分析調(diào)查結(jié)果。

2 調(diào)查分析

2.1 問(wèn)卷設(shè)計(jì)

筆者通過(guò)教學(xué)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)剛接觸物理的八年級(jí)學(xué)生對(duì)單一維度的物理概念容易掌握,而對(duì)多維度復(fù)合的物理概念不易理解。本研究選擇調(diào)查八年級(jí)學(xué)生對(duì)密度物理意義的理解水平，由于文章篇幅的限制,本文只呈現(xiàn)問(wèn)卷的部分內(nèi)容。

題4：一個(gè)容器最多可裝下1kg的水,一定能裝下1kg的( )。

A. 鹽水 B. 酒精

題5：烏鴉喝水的故事為大家所熟知，如圖1所示,一個(gè)容積為3×10-4m3瓶?jī)?nèi)裝有0.1kg的水,聰明的烏鴉將一塊質(zhì)量為0.02kg的小石塊投入瓶中,當(dāng)烏鴉投了25塊相同的石塊時(shí),水面升到了瓶口，求小石塊的密度。

圖1

2.2 樣本選擇及測(cè)試過(guò)程

為了客觀反映中學(xué)生對(duì)物理意義的理解水平,本研究選擇了遵義市某重點(diǎn)中學(xué)作為樣本。選擇八年級(jí)學(xué)生主要是因?yàn)檫@個(gè)階段的學(xué)生處于形式運(yùn)算階段,已具有一定的抽象思維能力和邏輯推理能力,能夠獨(dú)立完成本次問(wèn)卷測(cè)試；此外,在八年級(jí)上學(xué)期學(xué)生剛開始進(jìn)行系統(tǒng)的物理學(xué)習(xí),調(diào)查這個(gè)階段的學(xué)生對(duì)物理意義的理解水平,能夠有效地反映出學(xué)生的認(rèn)知差異和教師教學(xué)中存在的不足。

本研究采用隨機(jī)抽樣的方法,抽取了遵義市某重點(diǎn)中學(xué)的4個(gè)班作為被試,由專業(yè)測(cè)試人員在課堂上監(jiān)督完成測(cè)試,測(cè)試時(shí)間為20分鐘。共回收測(cè)試問(wèn)卷126份,有效問(wèn)卷為126份。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 信度檢驗(yàn)

本研究采用獨(dú)立計(jì)分法，將測(cè)試總分設(shè)定為5分,每題答對(duì)計(jì)1分,答錯(cuò)計(jì)0分?；诳寺“秃咋烈蜃臃ㄟM(jìn)行信度檢驗(yàn),如表1所示,班級(jí)甲、乙、丙、丁的α系數(shù)均在0.7以上,表明該測(cè)試問(wèn)卷對(duì)所選樣本有較好的一致性；將4個(gè)班所有樣本數(shù)據(jù)匯總分析,克隆巴赫系數(shù)達(dá)到0.776,表明量表對(duì)所選樣本有較好的一致性和可靠性。

表1 樣本信度檢驗(yàn)

3.2 測(cè)試成績(jī)分析

對(duì)4個(gè)班每道題的平均得分情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表2所示,不同班級(jí)每題得分情況有所不同,4個(gè)班級(jí)的學(xué)生在第4題和第5題上得分均較低。第4題和第5題主要考查學(xué)生對(duì)密度的物理意義的理解,學(xué)生需深刻理解物體的體積、質(zhì)量的概念,才能得出正確答案。4個(gè)班的學(xué)生在這兩題得分率不高,表明學(xué)生對(duì)密度物理意義的理解水平較低。

表2 班級(jí)各題平均得分

4 訪談分析

根據(jù)學(xué)生的平時(shí)成績(jī)和測(cè)試問(wèn)卷的得分情況,將學(xué)生分為優(yōu)等生、中等生和學(xué)困生三個(gè)層次。為了了解學(xué)生在答題時(shí)的思維過(guò)程,筆者采用分層抽樣的方法,選擇了7位不同層次的學(xué)生作為訪談對(duì)象。此次訪談在被試完成測(cè)試問(wèn)卷后的2小時(shí)內(nèi)進(jìn)行,盡可能降低學(xué)生的遺忘程度，訪談內(nèi)容整理如下。

問(wèn)題1：你認(rèn)為密度的物理意義是什么呢？

學(xué)生a、e：呃,不太清楚,不記得了……

學(xué)生d：?jiǎn)挝惑w積物質(zhì)的質(zhì)量。

問(wèn)題2：做第4題時(shí),你是怎樣思考的？

學(xué)生a、b、c、e：鹽水的密度比水的密度大,而酒精的密度比水的密度小,因此,這個(gè)水杯既然能裝下1kg的水,就一定能裝下密度比水小的酒精,所以這個(gè)題選B。

學(xué)生f、g：之前做過(guò)相似的題,都是選的酒精(密度小的),就選了B。

問(wèn)題3：做第5題時(shí),你是怎樣思考的？

學(xué)生b、f：要求得石塊的密度,應(yīng)先求出石塊的總質(zhì)量,大小為0.5kg。然后求出體積,體積為3×10-4m3,呃,不對(duì),這個(gè)體積是瓶子的容積,石塊的體積是……不太清楚,不知道怎樣求。

學(xué)生c、g：根據(jù)題意,求出石塊的質(zhì)量是0.5kg，瓶?jī)?nèi)水的質(zhì)量是0.1kg,總質(zhì)量就是0.6kg,再用0.6kg除以3×10-4m3,就可以求出石塊的密度了。

問(wèn)題4：上課時(shí),老師有沒有講過(guò)質(zhì)量、體積、密度的物理意義？如果有,老師是如何講解的？

學(xué)生a、b、d、e：講過(guò),就是講它們的概念，教材上也有，還有講它們的應(yīng)用。

學(xué)生c、f：應(yīng)該講過(guò)吧,好像就是講了概念和公式,有沒有講物理意義,記不得了,應(yīng)該講過(guò),反正都差不多,都是教材上的那些話。

學(xué)生g：物理意義？可能講過(guò)吧,我也不清楚,忘了。

問(wèn)題5：老師在講這些物理意義的時(shí)候,你是怎么理解的？

學(xué)生d：結(jié)合應(yīng)用、生活實(shí)際理解吧,還有就是注意密度公式中各物理量的單位、所指的對(duì)象等。

學(xué)生g：就幾句話嘛,直接背下來(lái)就可以了,沒怎么理解。

根據(jù)以上訪談?dòng)涗?不難看出：大部分學(xué)生對(duì)密度物理意義的理解水平較低,與測(cè)試問(wèn)卷的分析結(jié)果一致，可能與學(xué)生的認(rèn)知方式和教師的教學(xué)有關(guān),下面筆者就這兩方面提出建議。

5 討論

5.1 學(xué)生認(rèn)知

認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為：學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中,會(huì)形成知識(shí)表征和圖示表征。其中知識(shí)表征又可分為程序性知識(shí)表征和非程序性知識(shí)表征，圖示是指為表征知識(shí)而建立的心理框架,包括對(duì)一些相關(guān)概念進(jìn)行排列,使其成為一個(gè)有意義的組織體，可見物理意義是在建立圖示表征的過(guò)程中產(chǎn)生的。大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念、規(guī)律時(shí),并未建立有效的圖示表征,即學(xué)生并未將教材上給出的物理意義與生活實(shí)際相聯(lián)系,將其內(nèi)化為有意義的知識(shí),形成科學(xué)的物理概念。學(xué)生大多采用死記硬背的方式學(xué)習(xí)物理概念及其意義,他們的學(xué)習(xí)目標(biāo)是“記住”,而不是“理解”。在這樣的認(rèn)知目標(biāo)下,學(xué)生對(duì)物理意義的理解水平很難得到提高,問(wèn)題解決能力也難有質(zhì)的提升。

此外,從訪談中發(fā)現(xiàn),部分學(xué)生存在思維定勢(shì),當(dāng)面對(duì)類似的問(wèn)題時(shí),會(huì)受到做過(guò)的練習(xí)題的影響,產(chǎn)生負(fù)向的學(xué)習(xí)遷移?？梢?在物理學(xué)習(xí)的過(guò)程中,海量練題是不可取的。海量練題容易使學(xué)生形成思維定勢(shì),問(wèn)題解決能力或許能夠得到短暫的提升,但難以深刻理解物理概念及其物理意義,缺乏感性認(rèn)識(shí),也就難以形成正確的物理觀念。

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和訪談,筆者發(fā)現(xiàn)：部分學(xué)生習(xí)慣用數(shù)學(xué)方法去解決物理問(wèn)題,認(rèn)為“物理學(xué)習(xí)=物理知識(shí)=物理公式=數(shù)學(xué)運(yùn)算”。他們偏愛數(shù)學(xué)公式的記憶,將物理現(xiàn)象和過(guò)程數(shù)字化,忽視物理規(guī)律表達(dá)的物理含義,把解決物理問(wèn)題的過(guò)程看作是在思維體系中檢索數(shù)學(xué)公式的過(guò)程，這一現(xiàn)象在問(wèn)卷第5題的作答中最為突出。這表明：僅僅機(jī)械記憶物理概念及其物理意義,是無(wú)法提升問(wèn)題解決能力的,更不可能形成正確的物理觀念，同時(shí)這也反映了學(xué)生物理意義的理解水平對(duì)問(wèn)題解決有一定的影響。

5.2 教師教學(xué)

學(xué)習(xí)心理學(xué)揭示了學(xué)習(xí)的內(nèi)部機(jī)制,符合學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)制的教學(xué)才是有效的教學(xué)。物理概念和規(guī)律的意義等都是通過(guò)與其他概念意義間的關(guān)系而界定的,而概念意義之間的聯(lián)系是學(xué)習(xí)者通過(guò)內(nèi)部的邏輯加工機(jī)制而建立的。換句話說(shuō),教師教學(xué)應(yīng)遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,符合其內(nèi)部的邏輯加工機(jī)制。從訪談結(jié)果來(lái)看,大部分教師根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)物理概念的意義進(jìn)行了一定的講解,但對(duì)物理意義的重視程度以及其教學(xué)方法是否有效,還有待進(jìn)一步調(diào)查研究。從問(wèn)卷的數(shù)據(jù)分析來(lái)看,教師對(duì)物理意義的教學(xué)效果并不樂(lè)觀。此外,根據(jù)學(xué)生的反饋,部分教師存在灌輸教學(xué)的現(xiàn)象,在講解物理意義時(shí),只是將教材上給出的物理意義給學(xué)生念一遍或讓學(xué)生自己看一遍,并讓他們記住。物理意義本身是為了比較通俗明白地直接表示物理量而產(chǎn)生的說(shuō)法,這種通俗明白的直接表示不僅僅包括定性描述和說(shuō)明,也包括定量推導(dǎo)、圖形描述、對(duì)比說(shuō)明等多種表述形式,但教學(xué)的關(guān)鍵是所使用的方法及內(nèi)容必須是學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中存在的、學(xué)生熟悉的或者是容易理解的。如何將物理概念及其意義更加形象、具體地展現(xiàn)在學(xué)生面前,使其對(duì)物理概念具有感性認(rèn)知,從而幫助學(xué)生正確建立物理觀念,這是物理教師值得注意和思考的重要問(wèn)題。