歐穎賢 張軍朋

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

1 引言

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

2 智慧技能障礙

現(xiàn)代認識心理學的信息加工理論認為，學生習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.如果按照習得的程序以及心理運算的復雜程度去劃分，智慧技能存在4個層次：辨別、概念、規(guī)則及高級規(guī)則.在物理學習情境中，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用.［3］例如，學生懂得運用楞次定律判斷感應電流方向.然而我們在教學中卻發(fā)現(xiàn)學生在學習物理知識時存在不少智慧技能障礙，主要表現(xiàn)在以下3個方面.

2.1 相異構(gòu)想干擾知識的習得和運用

物理學的研究對象是自然環(huán)境中的物質(zhì)及其規(guī)律，而學生又生活在自然環(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識.所以在學習某一物理知識前，學生已經(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)，它將會干擾學生習得和運用物理知識，使學生的對事物的認識就不能準確反映事物的本質(zhì)屬性.

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

其次，相異構(gòu)想具有隱蔽性，會干擾科學物理概念的運用.相異構(gòu)想與學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生的相異構(gòu)想.而且相異構(gòu)想還存在“慣性作用”：學生在復述概念或解釋簡單問題時都會應用科學概念，但在解決復雜物理問題，特別是情景豐富性問題時，他們就會不自覺地調(diào)用相異構(gòu)想.［5］因此，學生也很難發(fā)現(xiàn)自身存在的相異構(gòu)想.例如，學生在做選擇題時知道“力是維持物體運動的原因”是錯誤的，但當他們面對具體問題情境，如從斜面下滑的木塊時，他們就認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和前提.因此，如果學生在智慧技能的概念層次出現(xiàn)障礙，他們在習得和運用知識的過程中將會受到嚴重干擾.

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）認為：學習不良學生頭腦中的概念只是一些局部的、零散的知識成分，是一個個缺乏內(nèi)在邏輯聯(lián)系的獨立圖式.［6］學生能逐個回憶零散知識，也能根據(jù)特定情境調(diào)用這些知識，但他們認為不同情境下的同一知識是不等價的.這就是指學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生對知識的記憶往往處于機械記憶水平，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，學生對運動學公式十分熟悉，但面對計算題卻常常感到無從下手，或者只是套用公式.這就是學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)合運動學公式推導出來的.據(jù)此有些學生就錯誤地認為：因為運動學公式只適用于勻變速直線運動，所以兩個導出定理也只適用于勻變速直線運動；牛頓第二定律是矢量式，兩個定律也是矢量式.

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)則是指綜合運用各種簡單規(guī)則解決復雜問題的能力，它是學習者在問題解決過程中的思維產(chǎn)物.如學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，但是在解決復雜問題時擺脫不了原有認知結(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)律的運用上，表現(xiàn)為呆板的經(jīng)驗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，直至兩車相遇，求鷹飛過的路程.存在思維定勢的學生在分析此題時，習慣性地想分段求出鷹的路程，卻發(fā)現(xiàn)無從下手.但是如果學生摒棄分段求解的常規(guī)經(jīng)驗，抓住運動的全過程，緊緊圍繞s＝vt，就能發(fā)現(xiàn)解決問題的關(guān)鍵是求鷹的運動時間.即，鷹飛了1h，經(jīng)過路程是50km.

受定勢思維束縛的學生在思考問題時經(jīng)常從目標出發(fā)，尋找與目標有關(guān)的公式，然后觀察公式中的未知量，再列出未知量的數(shù)學表達式，如此逐步推演，直至待求量完全由已知量表示為止.這種“鏈式推理”定勢使學生的思維總是沿著單一的常規(guī)方法前進，不能發(fā)展思維的靈活性，從而導致學生無法形成高水平的智慧技能.因此，教師要注意探尋學生的定勢思維，并運用適當?shù)慕虒W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建議

建構(gòu)主義認為學習是學生依據(jù)已有的知識經(jīng)驗進行主動建構(gòu)的過程.所以教師要在了解學生學習情況的基礎上，充分發(fā)揮其主導作用，靈活運用教學方式，力求使學生主動將物理知識內(nèi)化到認知結(jié)構(gòu)中，從而徹底克服智慧技能障礙.下文將就教學中如何克服學生的認知障礙提出教學建議.

3.1 懸疑教學消除相異構(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)設出與相異構(gòu)想有關(guān)的懸疑情景，激發(fā)學生的疑惑，并加以適當引導，學生就會積極主動地參與學習.因此在物理教學中，設置懸疑是引起學生理性探索欲望，糾正學生相異構(gòu)想的有效方法.

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

例如，受生活經(jīng)驗“樹葉飄落”的影響，很多學生都存在“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”：“同時釋放硬幣和白紙，誰下落較快？”由于相異構(gòu)想的影響，學生會認為硬幣下落較快.學生判斷之后，教師開始“設疑”：將白紙揉成團，然后在同一高度同時釋放紙和硬幣，兩者幾乎同時落地.猜想和現(xiàn)實的差異使學生產(chǎn)生疑惑，激發(fā)學生主動思考：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、展開的白紙和成團的白紙、硬幣和粘了白紙的硬幣3種情況，使學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”：讓學生分析為什么石頭下落快，樹葉下落慢.

因為懸疑教學中既有實際的“情節(jié)”，又有持續(xù)相關(guān)的“疑惑”，因此它能吸引學生的注意力.同時，通過對比“誘疑”和“消疑”兩次思考結(jié)果，學生會發(fā)現(xiàn)隱藏在頭腦中的相異構(gòu)想.這時他們就會加倍留意相關(guān)物理知識，從而達到消除智慧技能障礙的目的.

3.2 變式教學聯(lián)系零散知識

存在智慧技能障礙的學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“在相似情景中重復練習零散知識有助于學生形成完整的科學概念”.［8］因此，教師可針對學生理解不深的物理知識開展變式教學，通過創(chuàng)設多種問題情境，讓學生綜合運用知識，從而建立知識之間的邏輯聯(lián)系.

在變式教學中，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生，促使學生聯(lián)系零散知識.其次，教學內(nèi)容的組織應該考慮新知識與學生原有認知結(jié)構(gòu)的關(guān)系，精心設計變式問題，使之符合學生的“最近發(fā)展區(qū)”.最后，變式教學還應做到“變”中有“同”，教師要及時引導學生“求同存異”.只有這樣，學生才能在解答變式時辨明概念之間的關(guān)系，消除知識之間的矛盾.

圖1

從以上描述，我們看到學生每做一道變式，相關(guān)知識就會以不同的側(cè)重點在頭腦里呈現(xiàn)一次，因而學生對物理知識的內(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 外化思維教學突破定勢思維

物理學困生成績無法提高的原因之一是其思維僵化，不能綜合運用簡單物理原理解決復雜問題.為了突破定勢思維，教師應該在顯化自身思維過程的同時，透視學生的解題思路，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，所以我們應該采用外化思維教學法進行授課.

一方面，外化思維教學指教師在課堂上，特別是新課教學時，應該使用科學嚴謹?shù)恼Z言來表征物理問題，并細致分析思維過程，使學生可以借鑒.另一方面，外化思維教學還指學生應該積極表達自己的思維，通過對比自己、同學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，外化思維能使學生的注意力從問題本身轉(zhuǎn)移到認知加工過程，使他們更好地監(jiān)督調(diào)節(jié)自己的認知過程，進而促進問題解決.

例如，讓學生討論“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2s，求小球落地速度及下落時的受力情況”，并描述各自的思考過程.從學生的出聲思維中，可發(fā)現(xiàn)不少學生將此運動理解為自由落體運動.此時，教師可以讓學生回憶自由落體運動的條件.不難發(fā)現(xiàn)，如小球做自由落體運動，其下落時間為1s，與題意不符，從而說明小球受到恒定阻力的作用.又因為在突破思維定勢時學生都表達了各自不同的想法，所以應該借此機會鼓勵學生對問題進行發(fā)散性的加工，例如這道題目就有10多種解法.這樣，學生在不斷表達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，教師還可讓學生討論每種思維方式的特點，讓他們對存在的方法進行輻合性加工，從而篩選出較為理想的方法以及解題時應該注意的要點.

經(jīng)過持續(xù)的外化思維教學，學生將逐漸走出“鏈式推理”的束縛，最終懂得靈活運用物理知識處理問題，形成較高的智慧技能.但在外化思維教學中，教師要充分發(fā)揮其主導作用，鼓勵學生描述自己的思維過程，并適時引導學生分析出現(xiàn)思維定勢的原因.

4 結(jié)束語

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

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

2 R.M.Gagne著.皮連生，王映學，鄭葳等譯.學習的條件和教學論［M］.上海：華東師范大學出版社，1999：110-111.

3 宇文春燕.高中生物理學習困難的成因分析及教學對策［D］.長春：東北師范大學，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.高中物理學習認知障礙成因分析及解決策略［D］.上海：華東師范大學，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.