谢 丽 李春密 俞晓明,3

(1. 长江大学物理与光电工程学院,湖北 荆州 434023; 2. 北京师范大学物理学系,北京 100875; 3. 盐城工学院数理学院，江苏 盐城 224051)

物理问题解决内部影响因素框架的构建与解析

谢 丽1,2李春密2俞晓明2,3

(1. 长江大学物理与光电工程学院,湖北 荆州 434023; 2. 北京师范大学物理学系,北京 100875; 3. 盐城工学院数理学院，江苏 盐城 224051)

文章将影响物理问题解决的内部因素归纳为情感、元认知、认知加工和知识4个方面,并依据新教育目标分类学构建了内部影响因素的二维框架.旨在从系统整合的视角解析各因素对物理问题解决的影响以及它们之间的动态关联.

物理问题;内部影响因素;框架构建

1 问题的提出

物理问题解决的研究起始于上个世纪80年代,来自于物理学、认知科学、心理学和教育学等领域的研究者对影响学生物理问题解决的因素进行了大量研究,并取得了丰硕成果. 这些因素中既有外部客观因素又有内部主观因素,但是究其根本,内部因素是关键,外部因素的作用和影响需要通过个体内部来实现.

然而当前对内部因素的研究是单独的、割裂的,缺乏系统的、全局的视角. 因此本文将研究聚焦于物理问题解决内部影响因素整体框架的构建,意图探索各因素对物理问题解决的影响以及它们之间的动态关联. 为教师在物理课程中开展问题教学,培养学生的物理问题解决能力提供参考.

2 物理问题解决内部影响因素的归类

针对物理问题解决的内部影响因素,研究者从不同的视角进行了讨论. 邓铸(2002)在物理问题表征态的研究中,将问题解决的内部影响因素分为可控因素和不可控因素. 可控因素包含情感、元认知、知识经验和结构、问题的表征. 不可控因素包含智商水平、学习风格、聪慧性和心理健康.[1]邢红军等人(2012)以原始物理问题为研究对象,采用生态学的方法将内部影响因素考虑为物理知识、强认知方法和弱认知方法.[2]吉塔等人(Gitaetal.,2013)在物理问题解决多变量模型中指出内部影响因素为动机、元认知计划、策略运用、物理知识和受力分析.[3]基于上述学者的研究,笔者将物理问题解决内部影响因素归纳为4个方面,分别为情感因素、元认知因素、认知加工因素和知识因素.

2.1 情感因素

情感因素包含动机、态度和信念2个子类. 动机和物理问题解决呈现出“倒U型”关系. 动机强度适中时效率最高,过低和过高的动机所产生的问题解决效率都不理想. 态度是个体对事物和现象的心理倾向或准备状态,它是个体对信念的把握程度,是主观认知下产生的状态;信念则是指学生对知识本质和知识获得所持有的观念,例如,如果学生认为物理知识是由许多不相关的信息碎片组成,他们解决物理问题的方法即以记忆公式为主. 海默(Hammer,1994)将学生对物理学的信念分为3个维度,物理结构(分散的还是联系的),物理内容(公式的还是概念的)和物理学习(接受的还是理解的).[4]

2.2 元认知因素

元认知因素分为认知的知识和认知的调节两个部分,它贯穿于物理问题解决的整个过程,具有计划性、意识性、调节性和总结性等特征.认知的知识包含个体元认知知识、任务元认知知识和策略元认知知识.个体元认知知识是指个体作为学习者和思维者所具有的知识.例如,当一个学生在解决问题的时候,知道自己的强项和弱项是什么.任务元认知知识指对问题中信息材料的性质、结构、逻辑、呈现方式等的认识.策略元认知知识指有哪些策略可以解决问题,各种策略的优缺点是什么,不同情境下策略的有效性如何.元认知调节包括计划、监控和评价.计划是指在执行解题任务之前先设定目标,制定计划.监控是指周期性地评估自己的目标、工作和表现.评价指完成任务后对个体的解题过程和结果进行讨论分析.

2.3 认知加工因素

认知加工水平的高低,是影响物理问题解决表现的关键因素. 解决物理问题时,学生首先要在长时记忆中定位与问题信息相关的知识,接着将它从长时记忆中提取出来.然后将情境信息与已有的知识结构进行类比、映射,从而理解问题的性质、目标和条件,构建出问题的心智模型.接着通过不同表征加深对问题的理解,勾勒出清晰的物理图像,确定相关的物理定律、定理和原理,设计和生成解决问题的策略.一旦策略形成,则围绕策略有针对性地组织和优化信息,识别限定性条件,设计和执行解题方案,最后对结果的合理性和正确性进行评价.

2.4 知识因素

研究者发现专家相较于新手有更为丰富的知识储备和层级性的知识结构. 新手关注于问题的表面特征(具体的事物和术语),专家则侧重问题的深层结构(涉及的物理原理). 马塞诸塞州立大学物理教育研究小组将物理问题的知识类型分为概念性知识、程序性知识、问题状态知识和问题策略性知识,如图1所示.[5]

图1 物理问题的知识类型

概念性知识为陈述性知识,如力、加速度、动能等. 程序性知识也称操作性知识,如怎样找到支持力,如何画受力分析图. 问题状态知识是指问题的特征情境,这个可以是问题的表面特征,如斜面、弹簧和滑块等. 策略性知识是将问题情境、方程、操作程序的知识链接起来形成一个策略要素,指导整个问题解决过程. 专家具有丰富和层次分明的概念性知识,并通过概念辨别问题的情境特征,寻求适当的、可行的公式,感知问题的深层结构,形成问题解决的策略. 而新手的概念性知识是零散的,结构性较差,与问题状态知识之间的链接是单向的,与程序性知识的链接较弱甚至是没有,较难形成问题解决的策略. 所以往往会发现学生拥有相关的物理知识,但是却不知道如何解题.

3 物理问题解决内部影响因素的框架

归纳解析了物理问题解决的内部影响因素后,接下来还需要构建一个内部影响因素的框架,使我们能够从全局、系统的视角探索各因素之间的动态关系. 马扎诺的新教育目标分类学,贯穿了一条培养高层次思维的主线,旨在培养个体问题解决的高层次能力. 以此为参考,可将物理问题解决内部影响因素的框架构建成一个二维立体模型,如图2所示. 维度一由情感因素、元认知因素和认知加工因素组成,维度二为包含4种知识类型的知识因素.

维度一中,情感因素处于最高层,它是物理问题解决的“决定者”,由动机、态度和信念组成.它们相互作用、相互影响决定学生是否接受和从事问题解决任务. 当学生决定从事解题任务时,元认知因素就被激发了. 它是认知行为的“调控者”,帮助学生确定目标、制定计划,建立源问题和靶问题之间的关联,监控问题解决过程,评价解题表现,引导学生逐步逼近问题的最终状态. 因此元认知能力的优劣将直接影响学生认知加工水平的高低. 认知加工因素是问题信息的“加工者”,依据马扎诺的新教育目标分类学,可将其从低到高分为提取、领会、分析和知识应用4个水平. 提取包括对知识的回忆和执行,学生需要将物理问题中的知识与存储在长时记忆中的知识进行匹配和推断,然后应用程序性知识完成解题所需的步骤. 领会比提取要求更多的意识思维,学生在明确解题所需物理知识的基础上,需要对知识要点进行处理,并以简化和概括的形式进行组织. 然后将整合过的物理知识用不同的形式(文字、数学、图画、图表等)进行表征. 分析水平则要求学生对知识进行重组,继而生成新的知识. 它要求学生区分问题中各要素的属性和特点,将具体细节集合成有意义的类别,判断知识的合理性与可靠性,并能够进行归纳和演绎推理. 知识应用是认知加工的最高水平,对知识有最复杂的思维加工,要求学生在问题解决过程中能够提出假设、设计验证方案、执行计划和评价结果.

图2 物理问题解决内部影响因素框架

维度二是知识因素,包含陈述性知识、程序性知识、问题状态知识和策略性知识.这4种因素相互链接,相互交织,构成了学生的知识结构. 这里需要强调的是策略元认知知识和知识因素中的策略性知识是不同的. 前者是指进行认知活动有哪些策略、各种认知策略的优点和不足是什么、它们应用的条件和情境如何、对于不同的认知活动和不同的认知任务,什么样的策略是有效的等等. 而后者则与为何、如何、何时运用陈述性知识、程序性知识和问题状态性知识有关.

从问题的信息流来看,知识从情感因素开始,然后到元认知因素,最后到认知加工因素.在整个问题解决的过程中,知识因素是“来源者”,没有良好的知识储备和知识结构将使得整个物理问题解决过程如“无源之水”,即使学生有很强的动机水平、端正的态度和信念,设置了与任务相关的目标和计划,具有相应的认知技能,也不能确保物理问题的顺利解决. 也就是说情感、元认知和认知加工3个因素都需要借助和使用学生贮存在知识领域的相关知识.

4 结语

问题解决是个体思维内部运作的过程,其内隐性需要我们对内部影响因素有着清晰的认识和了解.从构建的物理问题内部影响因素框架中可以看出情感因素处在意识水平的顶层,努力提高学生的动机,培养学生良好的态度和信念,有利于促进学生的元认知能力和认知加工水平的提升. 其次,在物理问题解决过程中,教师还应引导学生进行自我提问和自我解释以提高他们计划、监控和反思等元认知技能. 研究表明学生在物理问题解决中元认知参与得越多,对概念的理解就越深刻,认知加工的水平就越高.[6]同时,教师还可以从认知加工水平的层次性和梯度性出发,通过高质量物理问题的设计,达到锻炼学生认知技能,活化学生内在知识的目的.[7]知识是学生顺利完成物理问题解决任务的基础和源泉,问题教学中教师不仅要传授知识,更要帮助学生建立不同知识类型间的网络,构建知识结构,形成问题图示.

1 邓铸. 问题解决的表征态理论与实证研究——高中生物理问题解决的认知机制[D].南京： 南京师范大学,2002.

2 邢红军,罗良,林崇德.物理问题解决的影响因素研究[J]. 课程·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 谢丽,李春密,俞晓明.基于新教育目标分类学的中学物理问题层次设计[J]. 物理教师,2016 (10):2-4.

2017-05-12)