謝 麗 李春密 俞曉明,3

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,湖北 荊州 434023; 2. 北京師范大學(xué)物理學(xué)系,北京 100875; 3. 鹽城工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

物理問(wèn)題解決內(nèi)部影響因素框架的構(gòu)建與解析

謝 麗1,2李春密2俞曉明2,3

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,湖北 荊州 434023; 2. 北京師范大學(xué)物理學(xué)系,北京 100875; 3. 鹽城工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

文章將影響物理問(wèn)題解決的內(nèi)部因素歸納為情感、元認(rèn)知、認(rèn)知加工和知識(shí)4個(gè)方面,并依據(jù)新教育目標(biāo)分類學(xué)構(gòu)建了內(nèi)部影響因素的二維框架.旨在從系統(tǒng)整合的視角解析各因素對(duì)物理問(wèn)題解決的影響以及它們之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián).

物理問(wèn)題;內(nèi)部影響因素;框架構(gòu)建

1 問(wèn)題的提出

物理問(wèn)題解決的研究起始于上個(gè)世紀(jì)80年代,來(lái)自于物理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)和教育學(xué)等領(lǐng)域的研究者對(duì)影響學(xué)生物理問(wèn)題解決的因素進(jìn)行了大量研究,并取得了豐碩成果. 這些因素中既有外部客觀因素又有內(nèi)部主觀因素,但是究其根本,內(nèi)部因素是關(guān)鍵,外部因素的作用和影響需要通過(guò)個(gè)體內(nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn).

然而當(dāng)前對(duì)內(nèi)部因素的研究是單獨(dú)的、割裂的,缺乏系統(tǒng)的、全局的視角. 因此本文將研究聚焦于物理問(wèn)題解決內(nèi)部影響因素整體框架的構(gòu)建,意圖探索各因素對(duì)物理問(wèn)題解決的影響以及它們之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián). 為教師在物理課程中開展問(wèn)題教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生的物理問(wèn)題解決能力提供參考.

2 物理問(wèn)題解決內(nèi)部影響因素的歸類

針對(duì)物理問(wèn)題解決的內(nèi)部影響因素,研究者從不同的視角進(jìn)行了討論. 鄧鑄(2002)在物理問(wèn)題表征態(tài)的研究中,將問(wèn)題解決的內(nèi)部影響因素分為可控因素和不可控因素. 可控因素包含情感、元認(rèn)知、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)、問(wèn)題的表征. 不可控因素包含智商水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格、聰慧性和心理健康.[1]邢紅軍等人(2012)以原始物理問(wèn)題為研究對(duì)象,采用生態(tài)學(xué)的方法將內(nèi)部影響因素考慮為物理知識(shí)、強(qiáng)認(rèn)知方法和弱認(rèn)知方法.[2]吉塔等人(Gitaetal.,2013)在物理問(wèn)題解決多變量模型中指出內(nèi)部影響因素為動(dòng)機(jī)、元認(rèn)知計(jì)劃、策略運(yùn)用、物理知識(shí)和受力分析.[3]基于上述學(xué)者的研究,筆者將物理問(wèn)題解決內(nèi)部影響因素歸納為4個(gè)方面,分別為情感因素、元認(rèn)知因素、認(rèn)知加工因素和知識(shí)因素.

2.1 情感因素

情感因素包含動(dòng)機(jī)、態(tài)度和信念2個(gè)子類. 動(dòng)機(jī)和物理問(wèn)題解決呈現(xiàn)出“倒U型”關(guān)系. 動(dòng)機(jī)強(qiáng)度適中時(shí)效率最高,過(guò)低和過(guò)高的動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的問(wèn)題解決效率都不理想. 態(tài)度是個(gè)體對(duì)事物和現(xiàn)象的心理傾向或準(zhǔn)備狀態(tài),它是個(gè)體對(duì)信念的把握程度,是主觀認(rèn)知下產(chǎn)生的狀態(tài);信念則是指學(xué)生對(duì)知識(shí)本質(zhì)和知識(shí)獲得所持有的觀念,例如,如果學(xué)生認(rèn)為物理知識(shí)是由許多不相關(guān)的信息碎片組成,他們解決物理問(wèn)題的方法即以記憶公式為主. 海默(Hammer,1994)將學(xué)生對(duì)物理學(xué)的信念分為3個(gè)維度,物理結(jié)構(gòu)(分散的還是聯(lián)系的),物理內(nèi)容(公式的還是概念的)和物理學(xué)習(xí)(接受的還是理解的).[4]

2.2 元認(rèn)知因素

元認(rèn)知因素分為認(rèn)知的知識(shí)和認(rèn)知的調(diào)節(jié)兩個(gè)部分,它貫穿于物理問(wèn)題解決的整個(gè)過(guò)程,具有計(jì)劃性、意識(shí)性、調(diào)節(jié)性和總結(jié)性等特征.認(rèn)知的知識(shí)包含個(gè)體元認(rèn)知知識(shí)、任務(wù)元認(rèn)知知識(shí)和策略元認(rèn)知知識(shí).個(gè)體元認(rèn)知知識(shí)是指?jìng)€(gè)體作為學(xué)習(xí)者和思維者所具有的知識(shí).例如,當(dāng)一個(gè)學(xué)生在解決問(wèn)題的時(shí)候,知道自己的強(qiáng)項(xiàng)和弱項(xiàng)是什么.任務(wù)元認(rèn)知知識(shí)指對(duì)問(wèn)題中信息材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、邏輯、呈現(xiàn)方式等的認(rèn)識(shí).策略元認(rèn)知知識(shí)指有哪些策略可以解決問(wèn)題,各種策略的優(yōu)缺點(diǎn)是什么,不同情境下策略的有效性如何.元認(rèn)知調(diào)節(jié)包括計(jì)劃、監(jiān)控和評(píng)價(jià).計(jì)劃是指在執(zhí)行解題任務(wù)之前先設(shè)定目標(biāo),制定計(jì)劃.監(jiān)控是指周期性地評(píng)估自己的目標(biāo)、工作和表現(xiàn).評(píng)價(jià)指完成任務(wù)后對(duì)個(gè)體的解題過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行討論分析.

2.3 認(rèn)知加工因素

認(rèn)知加工水平的高低,是影響物理問(wèn)題解決表現(xiàn)的關(guān)鍵因素. 解決物理問(wèn)題時(shí),學(xué)生首先要在長(zhǎng)時(shí)記憶中定位與問(wèn)題信息相關(guān)的知識(shí),接著將它從長(zhǎng)時(shí)記憶中提取出來(lái).然后將情境信息與已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比、映射,從而理解問(wèn)題的性質(zhì)、目標(biāo)和條件,構(gòu)建出問(wèn)題的心智模型.接著通過(guò)不同表征加深對(duì)問(wèn)題的理解,勾勒出清晰的物理圖像,確定相關(guān)的物理定律、定理和原理,設(shè)計(jì)和生成解決問(wèn)題的策略.一旦策略形成,則圍繞策略有針對(duì)性地組織和優(yōu)化信息,識(shí)別限定性條件,設(shè)計(jì)和執(zhí)行解題方案,最后對(duì)結(jié)果的合理性和正確性進(jìn)行評(píng)價(jià).

2.4 知識(shí)因素

研究者發(fā)現(xiàn)專家相較于新手有更為豐富的知識(shí)儲(chǔ)備和層級(jí)性的知識(shí)結(jié)構(gòu). 新手關(guān)注于問(wèn)題的表面特征(具體的事物和術(shù)語(yǔ)),專家則側(cè)重問(wèn)題的深層結(jié)構(gòu)(涉及的物理原理). 馬塞諸塞州立大學(xué)物理教育研究小組將物理問(wèn)題的知識(shí)類型分為概念性知識(shí)、程序性知識(shí)、問(wèn)題狀態(tài)知識(shí)和問(wèn)題策略性知識(shí),如圖1所示.[5]

圖1 物理問(wèn)題的知識(shí)類型

概念性知識(shí)為陳述性知識(shí),如力、加速度、動(dòng)能等. 程序性知識(shí)也稱操作性知識(shí),如怎樣找到支持力,如何畫受力分析圖. 問(wèn)題狀態(tài)知識(shí)是指問(wèn)題的特征情境,這個(gè)可以是問(wèn)題的表面特征,如斜面、彈簧和滑塊等. 策略性知識(shí)是將問(wèn)題情境、方程、操作程序的知識(shí)鏈接起來(lái)形成一個(gè)策略要素,指導(dǎo)整個(gè)問(wèn)題解決過(guò)程. 專家具有豐富和層次分明的概念性知識(shí),并通過(guò)概念辨別問(wèn)題的情境特征,尋求適當(dāng)?shù)?、可行的公?感知問(wèn)題的深層結(jié)構(gòu),形成問(wèn)題解決的策略. 而新手的概念性知識(shí)是零散的,結(jié)構(gòu)性較差,與問(wèn)題狀態(tài)知識(shí)之間的鏈接是單向的,與程序性知識(shí)的鏈接較弱甚至是沒有,較難形成問(wèn)題解決的策略. 所以往往會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生擁有相關(guān)的物理知識(shí),但是卻不知道如何解題.

3 物理問(wèn)題解決內(nèi)部影響因素的框架

歸納解析了物理問(wèn)題解決的內(nèi)部影響因素后,接下來(lái)還需要構(gòu)建一個(gè)內(nèi)部影響因素的框架,使我們能夠從全局、系統(tǒng)的視角探索各因素之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系. 馬扎諾的新教育目標(biāo)分類學(xué),貫穿了一條培養(yǎng)高層次思維的主線,旨在培養(yǎng)個(gè)體問(wèn)題解決的高層次能力. 以此為參考,可將物理問(wèn)題解決內(nèi)部影響因素的框架構(gòu)建成一個(gè)二維立體模型,如圖2所示. 維度一由情感因素、元認(rèn)知因素和認(rèn)知加工因素組成,維度二為包含4種知識(shí)類型的知識(shí)因素.

維度一中,情感因素處于最高層,它是物理問(wèn)題解決的“決定者”,由動(dòng)機(jī)、態(tài)度和信念組成.它們相互作用、相互影響決定學(xué)生是否接受和從事問(wèn)題解決任務(wù). 當(dāng)學(xué)生決定從事解題任務(wù)時(shí),元認(rèn)知因素就被激發(fā)了. 它是認(rèn)知行為的“調(diào)控者”,幫助學(xué)生確定目標(biāo)、制定計(jì)劃,建立源問(wèn)題和靶問(wèn)題之間的關(guān)聯(lián),監(jiān)控問(wèn)題解決過(guò)程,評(píng)價(jià)解題表現(xiàn),引導(dǎo)學(xué)生逐步逼近問(wèn)題的最終狀態(tài). 因此元認(rèn)知能力的優(yōu)劣將直接影響學(xué)生認(rèn)知加工水平的高低. 認(rèn)知加工因素是問(wèn)題信息的“加工者”,依據(jù)馬扎諾的新教育目標(biāo)分類學(xué),可將其從低到高分為提取、領(lǐng)會(huì)、分析和知識(shí)應(yīng)用4個(gè)水平. 提取包括對(duì)知識(shí)的回憶和執(zhí)行,學(xué)生需要將物理問(wèn)題中的知識(shí)與存儲(chǔ)在長(zhǎng)時(shí)記憶中的知識(shí)進(jìn)行匹配和推斷,然后應(yīng)用程序性知識(shí)完成解題所需的步驟. 領(lǐng)會(huì)比提取要求更多的意識(shí)思維,學(xué)生在明確解題所需物理知識(shí)的基礎(chǔ)上,需要對(duì)知識(shí)要點(diǎn)進(jìn)行處理,并以簡(jiǎn)化和概括的形式進(jìn)行組織. 然后將整合過(guò)的物理知識(shí)用不同的形式(文字、數(shù)學(xué)、圖畫、圖表等)進(jìn)行表征. 分析水平則要求學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行重組,繼而生成新的知識(shí). 它要求學(xué)生區(qū)分問(wèn)題中各要素的屬性和特點(diǎn),將具體細(xì)節(jié)集合成有意義的類別,判斷知識(shí)的合理性與可靠性,并能夠進(jìn)行歸納和演繹推理. 知識(shí)應(yīng)用是認(rèn)知加工的最高水平,對(duì)知識(shí)有最復(fù)雜的思維加工,要求學(xué)生在問(wèn)題解決過(guò)程中能夠提出假設(shè)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案、執(zhí)行計(jì)劃和評(píng)價(jià)結(jié)果.

圖2 物理問(wèn)題解決內(nèi)部影響因素框架

維度二是知識(shí)因素,包含陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、問(wèn)題狀態(tài)知識(shí)和策略性知識(shí).這4種因素相互鏈接,相互交織,構(gòu)成了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu). 這里需要強(qiáng)調(diào)的是策略元認(rèn)知知識(shí)和知識(shí)因素中的策略性知識(shí)是不同的. 前者是指進(jìn)行認(rèn)知活動(dòng)有哪些策略、各種認(rèn)知策略的優(yōu)點(diǎn)和不足是什么、它們應(yīng)用的條件和情境如何、對(duì)于不同的認(rèn)知活動(dòng)和不同的認(rèn)知任務(wù),什么樣的策略是有效的等等. 而后者則與為何、如何、何時(shí)運(yùn)用陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和問(wèn)題狀態(tài)性知識(shí)有關(guān).

從問(wèn)題的信息流來(lái)看,知識(shí)從情感因素開始,然后到元認(rèn)知因素,最后到認(rèn)知加工因素.在整個(gè)問(wèn)題解決的過(guò)程中,知識(shí)因素是“來(lái)源者”,沒有良好的知識(shí)儲(chǔ)備和知識(shí)結(jié)構(gòu)將使得整個(gè)物理問(wèn)題解決過(guò)程如“無(wú)源之水”,即使學(xué)生有很強(qiáng)的動(dòng)機(jī)水平、端正的態(tài)度和信念,設(shè)置了與任務(wù)相關(guān)的目標(biāo)和計(jì)劃,具有相應(yīng)的認(rèn)知技能,也不能確保物理問(wèn)題的順利解決. 也就是說(shuō)情感、元認(rèn)知和認(rèn)知加工3個(gè)因素都需要借助和使用學(xué)生貯存在知識(shí)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí).

4 結(jié)語(yǔ)

問(wèn)題解決是個(gè)體思維內(nèi)部運(yùn)作的過(guò)程,其內(nèi)隱性需要我們對(duì)內(nèi)部影響因素有著清晰的認(rèn)識(shí)和了解.從構(gòu)建的物理問(wèn)題內(nèi)部影響因素框架中可以看出情感因素處在意識(shí)水平的頂層,努力提高學(xué)生的動(dòng)機(jī),培養(yǎng)學(xué)生良好的態(tài)度和信念,有利于促進(jìn)學(xué)生的元認(rèn)知能力和認(rèn)知加工水平的提升. 其次,在物理問(wèn)題解決過(guò)程中,教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我提問(wèn)和自我解釋以提高他們計(jì)劃、監(jiān)控和反思等元認(rèn)知技能. 研究表明學(xué)生在物理問(wèn)題解決中元認(rèn)知參與得越多,對(duì)概念的理解就越深刻,認(rèn)知加工的水平就越高.[6]同時(shí),教師還可以從認(rèn)知加工水平的層次性和梯度性出發(fā),通過(guò)高質(zhì)量物理問(wèn)題的設(shè)計(jì),達(dá)到鍛煉學(xué)生認(rèn)知技能,活化學(xué)生內(nèi)在知識(shí)的目的.[7]知識(shí)是學(xué)生順利完成物理問(wèn)題解決任務(wù)的基礎(chǔ)和源泉,問(wèn)題教學(xué)中教師不僅要傳授知識(shí),更要幫助學(xué)生建立不同知識(shí)類型間的網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu),形成問(wèn)題圖示.

1 鄧鑄. 問(wèn)題解決的表征態(tài)理論與實(shí)證研究——高中生物理問(wèn)題解決的認(rèn)知機(jī)制[D].南京： 南京師范大學(xué),2002.

2 邢紅軍,羅良,林崇德.物理問(wèn)題解決的影響因素研究[J]. 課程·教材·教法,2012(6):91-96.

3 G Taasoobshirazi, J Farley. A multivariate model of physics problem solving[J]. Learning and Individual Differences, 2013(24): 53-62.

4 D Hammer. Epistemological beliefs in introductory physics[J]. Cognition and Instruction, 1994, 12(2): 151-183.

5 J G William. Problem solving and conceptual understanding[C]. Physics Education Research Conference, 2001.

6 A Koch. Training in metacognition and comprehension of physics texts[J]. Science Education, 2001, 85(6): 758-768.

7 謝麗,李春密,俞曉明.基于新教育目標(biāo)分類學(xué)的中學(xué)物理問(wèn)題層次設(shè)計(jì)[J]. 物理教師,2016 (10):2-4.

2017-05-12)