（课程与教学论专业论文）初中物理问题表征的研究——以初中应用物理竞赛题为例.pdf

摘要 “从生活走向物理，从物理走向社会”是物理课程的基本理念，提高学生应 用知识解决实际问题是物理教育最终的目的之一，应用物理知识解决实际问题成 为当今物理教学改革的趋势。 真实情境物理知识问题是不同于物理习题的问题，题目来源于真实的物理情 境、物理现象或物理事实，以真实的社会生活为资源，加以筛选加工。题目的内 容基本是学生身边的东谣，看得见，摸得着和熟悉的。真实情境物理知识题对提 高学生应用所学知识解决实际问题的能力有很大的帮助。 问题表征是问题解决的一个中心环节，越来越多的研究者把认知心理学关于 问题解决的研究引入学科问题解决中。通过随机抽取2 0 名九年级学生进行口语 报告测试，测试内容为一道简答题。口语材料根据l a r k i n 的基本界定进行整理， 口语报告得到了初始表征和物理表征之间的关系以及影响初始表征的因素。随机 抽取2 0 0 名同学进行团体测试，测试材料根据l a r k i n 的基本界定进行整理，通 过对材料的分析得到了，初中生在进行简单真实情境物理知识问题表征和进行复 杂真实情境物理知识问题表征时的不同特点。研究进一步指出了初中真实情境物 理知识问题表征中影响初始表征的因素，以及在初中真实情境物理知识问题中问 题外部表征与内部表征的相互作用机制。 本文的研究成果对物理学科问题表征的理论时行了更深入探讨，结合本文研 究成果还对初中物理教学提出了相关的教学建议，以便更好的提高初中学生解决 实际问题的能力。 关键词：真实情境；物理问题；表征特点；影响因素 a b s t r a c t ”f r o mp h y s i c st ol i f e ，f r o mp h y s i c st ot h ec o m m u n i t y ”i st h eb a s i cc o n c e p to f p h y s i c sc u r r i c u l u m o n eo ft h eu l t i m a t eg o a lo fp h y s i c se d u c a t i o ni s t o i m p r o v e s t u d e n t s a b i l i t i e so fa p p l y i n gk n o w l e d g ea n ds o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m s ，w h i c h b e c o m et h ep h y s i c st e a c h i n gr e f o r mt r e n d t h er e a ls i t u a t i o np h y s i c a lp r o b l e m ，w h i c hc o m e sf r o mt h er e a ls u b j e c to f p h y s i c a le n v i r o n m e n t ，t h ep h y s i c a lp h e n o m e n ao rt h ep h y s i c a lf a c t s ，i sd i f f e r e n tf r o m t h a to fp h y s i c a le x e r c i s e s t h ec o n t e n ti s b a s i c a l l yv i s i b l e ，t a n g i b l e ，f a m i l i a ra n d r e l a t e dw i t hs t u d e n t s i ti sv e r yh e l p f u lf o rs t u d e n t st oa p p l yt h e i rk n o w l e d g et o r e s o l v et h ep r a c t i c a lp r o b l e m s r e p r e s e n t a t i o no ft h ep r o b l e mi sac e n t r a lp a r to fp r o b l e ms o l v i n g ，ag r o w i n g n u m b e ro fr e s e a r c h e r so nc o g n i t i v ep s y c h o l o g yt os o l v et h ep r o b l e mo fd i s c i p l i n e p r o b l e m si nt h ei n t r o d u c t i o n 2 0g r a d e9 s t u d e n t sw e r es e l e c t e da tr a n d o mf o rv e r b a l p r o t o c 0 1 t e s tc o n t e n ti sas i m p l ea n s w e rp r o b l e m v e r b a lp r o t o c o lm a t e r i a li si n a c c o r d a n c ew i t ht h eb a s i cd e f i n i t i o no fl a r k i nt oc o l l a t e v e r b a lp r o t o c o lo ft h es t u d y r e s u l t ss h o wt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nn a t i v e r e p r e s e n t a t i o n a n ds i e n t i f i c r e p r e s e n t a t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fn a t i v er e p r e s e n t a t i o n 2 0 0g r a d e9s t u d e n t s w e r es e l e c t e da tr a n d o mf o rg r o u pt e s t i n g t h et e x tg r o u pm a t e r i a li si na c c o r d a n c e w i t ht h eb a s i cd e f i n i t i o no fl a r k i nt oc o l l a t e r e s e a r c hs h o w st h a tj u n i o rs c h o o l s t u d e n t sa p p l yk n o w l e d g ei n s i m p l e a n dc o m p l e xp r o b l e mr e p r e s e n t a t i o no ft h e d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s s t u d yf u r t h e rs h o w st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h en a t i v e r e p r e s e n t a t i o no ft h er e a ls i t u a t i o np r o b l e m t h ep a p e ra l s op o i n t so u tf a c t o r sa f f e c t i n g e x t e r n a lr e p r e s e n t a t i o na sw e l la st h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h ee x t e r n a l p r o b l e mr e p r e s e n t a t i o na n di n t e r n a lp r o b l e mr e p r e s e n t a t i o ni nt h ej u n i o rr e a ls i t u a t i o n p r o b l e mr e p r e s e n t a t i o n t h i st h e s i so f f e r sad e e p e rd i s c u s s i o no nt h er e p r e s e n t a t i o no ft h ep h y s i c a l s c i e n c e sa n dg i v e sam o r ed e t a i l e ds u p p l e m e n tf o rr e l e v a n tt h e o r i e s b a s e do nt h e r e s u l t s ，s o m ei m p l i c a t i o n sf o rp h y s i c st e a c h i n gi nj u n i o rm i d d l es c h o o lw e r ep r o v i d e d ， s ot h a tt h es t u d e n t s a b i l i t i e so f s o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m sc a nb ew e l li m p r o v e d k e y w o r d s ：r e a ls i t u a t i o n ； r e p r e s e n t a t i o n p h y s i c a lp r o l e m ： f e a t u r e s ；i n f l u e n c i n g f a c t o r s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：侗浓援 签字日期：劫髀乡月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江西师范大学研究生院有关保留、使用 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西师范大学研究生院 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：f 豸、诹娩 签字日期：2 0 毋年6 月垆e l 铷签名：劾蝉 签字日期：炒参年步月绎e l 初中麻川物理矢l j 识问题表征的训f 究 引言 物理学是与人们的同常生活、科技进步、以及社会发展密切相关的一门自然 学科，翻开初中物理课本我们可以惊喜的发现，现行的初中物理课程内容非常贴近 学生生活，学生可以从身边所熟悉的生活现象中去探究和认识物理规律。将物理 知识与日常生活结合起来，可以让学生深切的体会到物理学是一门非常有用的科 学。物理教师在教学当中不仅要传授知识，更重要的是要培养学生解决实际问题 的能力。初中是学生系统学习物理知识的的开始，如何培养学生应用物理知识解 决生活中的一些实际问题是当今世界各国物理学科教育的主要目标之一。 问题解决伴随着一个人的成长，随着问题解决能力的不断提高，学生的思维 水平也在不断提高。在传统的物理教学当中，教师通过大量的物理练习虽然对促 进学生的思维水平有一定的帮助，但是这些脱离生活情境的问题会让学生感到学 习物理没有乐趣，物理学习也只是概念和公式的学习，所以在实际物理教学当中， 学生的学习兴趣会随着内容的深入而逐渐消退。有效培养学生应用知识解决实际 生活中物理问题的能力，可以让学生保持持久的学习兴趣，促进学习的良性循环。 问题表征是问题解决中最关键的一环，它是人们在问题解决中的认知心理过 程。有效提高学生的问题解决能力是建立在奁明学生基于知识的问题解决认知心 珲特点之一卜的。仞中阶段的学生已处于“形式运算”为丰的阶段，但抽象思维能 力还处于较低的水平，一些源于生活情境的问题会由于无法形成正确的表征不能 有效解决。 基于以上原因，在前人研究的基础之上，本文借助对初中应用物理知识竞赛 题表征的研究来了解学生在解决真实情境物理问题时的表征的特点，以便有针对 性的提出教学方法，来促进初中物理教学和教学方式的改进。 本研究通过编制问卷进行了口语报告和团体测试，对简单真实情境物理知识 问题和复杂真实情境物理知识问题时行了问题表征的研究。得出了初中应用物理 知识问题表征的特点和初始表征的影响冈素，以及在相关问题中的外部表征和内 部表征的相互作用机制，对物理学科问题表征研究的理论进行了必要的补充。另 外，本文通过对材料的整理和分析，提出通过培养学生写物理同记的习惯、提供 一些导出物理知识的情境、借助有效形式表现不易观察到的物理现象、引导学生 区分表面相似的物理现象的方法来提高学生的初始表征能力。本文的研究还指出 在复杂真实物理知识问题中，文字表征对学生问题解决的影响较大，通过培养学 生勇于面对困难的品质和注意搜集生活叶1 的物理量的表述方法，可以提高学生外 部表征能力。这些方法将能够有效促进物理教学的改进与提高，对物理教学方法 硕十学位论文 是次行之有效的补充。 2 初中廊川物理知谚l 问题农征的研究 1 1 研究背景 1 问题的提出 1 1 1 解决实际问题是科学教育的目的 从科学教育的国际改革趋势看，世界各国都在相应调整基础科学教育的培 养目标，很多国家都非常重视通过探究性学习方式，培养学生的科学素养，注重 应用物理知识分析和解决实际问题。例如：英国1 9 9 9 年颁布的课程标准( t h e n a t i o n a lc u r r i c u l u mf o re n g l a n d ) 中指出科学教育的重点之一就是要培养学 生科学解决问题的态度和能力。韩国的课程目标是使学生历经科学的探索过程， 并将其应用于解决现实生活问题中；理解基本的科学知识并应用其解释自然现 象。 学习知识和解决问题是相辅相成的，学以致用是学之根本，反过来也能促进 学生对所学知识更好的理解。以往的物理教学中教师让学生做大量的习题主要是 为了让学生掌握知识和提高解题技巧，以获得一个好分数，学生淹没在浩瀚的题 海当中，学生会感觉不到学习物理知识的实用性，慢慢就对所学知识没有兴趣， 这种现象在以往物卵教学当中很普遍。 将学生学习到的物理知识和科学研究方法与社会实践及其应用结合起柬，可 以让学生有成就感，感觉到物理科学是来自生活又应用于社会的科学，这样可以 保持学生对物理学持续的兴趣，而且通过实际问题的解决可以培养学生良好的思 维习惯，提高学生的科学素养。 1 1 2 学科问题表征研究的兴起 传统物理教学当中，教师以自己的认知水平来要求学生，经常会听到有老师 抱怨自己讲了很多遍的题目学生就是不会做，其实这种教学方式是很不科学的。 初中学生的认知水平与老师的认知水平是有较大差距的，在不了解学生在解题过 程中的认知和建构方式基础上的教学，就没有办法提高整体学生的解决问题的能 力。 随着对学科教育研究的兴起，越来越多的人将认知发展和学科教学结合，开 始关注学科问题表征的研究，下面文献综述将详细介绍学科问题表征研究成果。 目前的研究较多集中在小学，高中阶段，对初中物理i u j 题表征的研究相对较少， 对真实情境物理知谚 问题表征的研究尚没有发现。 廖伯琴等，课题( ( 中学物理课程标准研制的( ( 国际基础物理教育比较子课题研究报告。 3 硕 ：z 侮论文 初中阶段是学生逻辑抽象思维高速发展时期，老师的正确培养方式非常重 要。要培养有创造性解决问题能力的人才，就必须重视中学阶段的学科问题解决 的研究，其目的不是在于使学生考高分，而是查明中学生基于知识的问题解决心 理结构系统的形成和发展机制、影响因素，逐渐培养他们建构式的学习，使他们 自然地形成一种探索意识和探索能力。这种探索意识和探索能力只有表现在现实 问题解决中才有意义比1 。 1 1 3 全国初中应用物理知识竞赛的举办 ( 1 ) 全国初中应用物理知识竞赛的特点1 3 j 从1 9 9 0 年到现在全国初中应用物理知识竞赛在我国成功举办已经1 7 年了， 现在的物理知识竞赛有两种，一种是奥林匹克物理竞赛，竞赛的是“学”，看谁 的物理知识学得好，学得广，理解得准，计算数据的技能强。另一种是应用物理 知识竞赛，竞赛的是“用”，看谁能把学到的基础物理知识用得活，用得广，谁 能独立思考，独立分析和解决问题。竞赛面向全体学生，而非优秀学生的选拔， 竞赛旨在激励学生了解物理知识在技术、经济、社会生活中的重要作用，扩大学 生的视野，丰富学生的课余生活，激发学生学习科学的兴趣，促进学生形成热爱 科学的良好风尚，提高学生应用所学知识解决实际问题的能力，竞赛内容以九年 义务教育物理课程标准的知识点为依据，体现新课程的教育理念，展现学生的创 造能力。 ( 2 ) 应用物理知 叭1 1 竞赛的目的和意义 扩大物理教育的视野，扩展物理教育的范围，充分挖掘物理教育的资源； 成为落实物理教育理论联系实际的一条有效的可行的途径； 1 7 年来，中学物理教师们普遍反映，初中应用物理知识竞赛为物理教学理 论联系实际，提供了一条有效的，又有可操作性的具体途径。 探索如何通过物理教育进行科学素质教育； 科学教育最本质，最重要的还在于用科学和信科学。 1 2 问题解决的理论基础 1 2 1 信息加工理论 人们在生活、学习、工作中要面对许许多多的问题，如何解决问题足每个人 不得不面对的事情。大多数的人关心的解决问题的方法，而对问题解决的的过程 是如何进行历来足心理学家探讨的重点，关于问题解决的理论很多，对问题研究 较多的是信息加工王哩论( i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gm o d a lo f p r o b l e ms o l v i n g ) 卜： 信息加工理论吸收了行为主义和传统认知理论的成果，用信息加 ：模式来分 析人类问题的解决过程。 4 初中应川物理知识题表征的研究 信息加工理论者把问题解决看作是信息加工系统对信息的加工，把最初阶段 的信息转换成最终理想状态的信息。纽厄尔和西蒙设计了问题解决系统，称之为 “一般问题解决者( g e n e r a lp r o b l e ms o l v e r ) 。他们提出了一个问题解决行为所 涉及的基本结构，他们称之为“信息加工系统或“i p s ”。 对信息加工理论来说，探究学生头脑发生的加工过程是至关重要的，它要 求描述假定的心理运演的每一个具体步骤的程序，为了便于假设常常采用对心理 活动的逻辑分析然后再用实验予以检验假设能否成立。 本论文主要研究的任务是探究学生在解决真实情境问题时的信息加工过程， 所以本人以信息加工理论为基础来指导本文的研究。 1 2 2 问题表征理论 2 0 世纪8 0 年代以后，认知心理学关于问题解决的研究逐渐远离n e w e l l 和 s i m o n 等提出的通用问题解决模型，不断走近社会生活现实，研究学科问题解决、 工业问题解决、救灾问题解决等等。对学生的学科问题解决进行研究是当代认知 心理学的热点课题之一，它具有生态学、心理学和教育学意义，有利于揭示学生 问题解决的认知机制及学生智能发展的规律，推动学科教学的改进与发展1 5 j 。 ( 1 ) 问题表征的定义 表征( r e p r e s e n t a t i o n ) 是认知心理学的基本概念，一般是指信息的内部表达， 问题表征的定义很多，认知心理学研究者通常认为问题表征就是理解问题，是问 题解决者构建的关于问题的认知结构，是对觉察到的问题的初始条件、约束条件 的解释。一些研究者认为，问题表征是人们存解决问题时所使用的一种认知结构， 是通过一系列活动对信息进行记录、储存和描述以致改进信息的结构方式，每种 定义是根据研究的角度不同而定的，都有其合理性。本人认为问题表征就是对问 题中的相关信息进行认知、提取、搜索，然后对这些信息进行描述的过程。问题 表征包括外部表征和内部表征。外部表征是问题的情景的成分和结构，它能以图 表、照片、或书写文字等多种形式束表现【6 l 。问题的内部表征，是人们在解决问 题时所使用的一种认知结构，是通过一系列的算子，对信息进行记录、储存和描 述以致改进信息的结构方式l 7 。 ( 2 ) 内部表征和外部表征的关系 人们对内部表征和外部表征的关系有不同的看法有以下三种：外部表征 只是对内部表征的输入和刺激；外部表征可以被知觉系统所觉察而直接作用于 认任务；外部表征与内部表征交互作用于认知任务m 1 。总之，问题的外部表征 与内部表征是在问题表征过程中不可分割的两个方面，问题的最终解决要依赖于 问题内部的成功表征，但是外部表征可以通过记忆转化为内部表征，内部表征也 邓铸余嘉元问题解决中对问题的外部表征和内部表征心理学动态第9 卷第3 期 5 硕 ：何沦文 可以外化转化为外部表征。 1 3 学科问题表征研究的文献综述 1 3 1 国外问题表征的研究成果 k a p l a n 和s i m o n 刚的研究表明，被试只有获得指引搜索和使搜索高度有效的 强约束条件才能出现适宜的表征；问题本身的特征和相关领域的知识是强约束条 件的主要来源，它能引导被试生成特殊有效的问题表征。k a p l a n 等人的研究结 果表明，问题解决过程中的顿悟想象的强约束条件才能发现适宜的表征； k o t o v s k y 等人n 伽对导致问题难度差异的原因作了系统的分析，其实验结果表明， 问题难度上的差异并不能从问题结构上加以解释，被试在想象、构造或考虑问题 的方式上的异同才是决定问题难度的关键。e r i c s s o nka 和s i m o nha 1 1 认为被 试的每一个搜索，都是以某些与任务有关的算子进行的，被试利用这些算子，在 长时记忆中提取有关知识，并将其存于短时记忆中，从而进入问题空间的新层次。 t a r d ie u 等人n 2 1 在研究被试理解文字材料时，提出了命题表征和心理模型( m e n t a l m o d e l ) 的概念。h a y e s j r 和s i m o nh a n 3 1 等人提出问题表征对问题解决起着 决定性的作用，问题表征的质量影响着问题解决的难易。 1 3 2 学科问题表征的研究 学科问题是学生在具体课程学习r 1 ，遇到的各种练习性或实验性问题。学科问 题表征包括外部表征和内部表征，外部表征指问题情境的成分和结构，包括物理 符号、物体、维度，以及外部规则、约束条件或边界条件等；外部表征的信息只 能被知觉系统觉察、分析和加工，它对问题的内部表征具有引导或定向作用；内 部表征是问题解决者构建的关于问题的认知结构，是对觉察到的问题初始条件、 约束条件的解释w 。 表征是问题解决过程中一个极其重要的环节，s i m o n 认为表征是问题解决的 一个中心环节，他认为“如果一个问题得到了正确的表征，可以说它己解决了问 题的一半”l “j 。因此我认为有必要将物理问题的表征进行深入的研究。2 0 世纪 8 0 年代以后，有关数理化学科问题表征的研究报告越来越多，成果主要集中在 下面几个方面：学科问题表征的结构、学生表征差异的研究、学科问题表征的影 响因素、样例研究： ( 1 ) 学科问题表征的结构研列1 5 卜【1 8 】 l a r k i n 的研究认为物理问题的表征层次为：字面表征、初始表征( 朴素表征) 、 科学理论表征、数学表征。郑春花、吴星通过高中生化学迁移题表征层次的实验 邓铸余嘉元问题解决中对问题的外部表征和内部表征心理学动态第9 卷第3 期 6 初【| 1 f 训 j 物理知识问题表钿f 的研究 研究表明，高中生解决化学信息迁移题的表征有3 种层次：字面表征、模型表征、 化学原理表征。黄巍将有机合成问题表征分为符号表征、方法表征和机理表征， 符号表征是关于问题的陈述性知识的提取与理解、方法表征是关于问题的程序性 知识的提取与理解、机理表征则是表征的最高系统，是理解问题的关键。他的研 究指出，在教学中要引导学生对问题的表征达到机理表征层次，这样4 。是达到对 问题的完整表征，才能保证问题的快速解决。还有很多相关的研究，研究成果是 对关于各种学科问题的结构的探索，总的来看分为低层次的表征和高层次的表 征，低层的表征是对字面的理解、表面特征提取与加工为主，高层次的表征是以 内部结构特征和范畴理论为主。 ( 2 ) 学生表征差异的研究【1 9 l 一2 3 】 在对学科问题表征层次研究的基础上，学科问题研究进行了较多关于不同水 平学生学科问题表征差异研究。张萍萍通过对初中生数学问题表征差异的研究证 明了数学成绩不同的学生对数学问题的表征有显著的差异，研究表明了男生和女 生之间对数学问题表征没有显著性差异。郑春花等的研究表明，学优生和学困生 在建立的各个表征层次上存在差异，特别是学优生和学困生在信息提取能力、知 识结构以及所采用的解题策略方面存在着显著的差异，等等。研究成果表明，学 优生更容易达到对学科问题的高层次的表征，学困生由于受低层次问题表面信息 的影响无法j 下确提取有用信息从而不能形成正确表征。 ( 3 ) 学科问题表征的影响因素研究【2 4 卜f 2 5 】 何水红等通过埘中学生化学问题表征现状及特点的实验研究发现问题的旱现 方式、问题中所包含信息的质量等都足影响学生问题表征的凶素。傅小兰等的研 究表明，个体的专业知识、思维能力、问题解决的成功经验等都是影响学科问题 表征的重要的主体因素。还有研究成果表明，问题图式、解决问题的策略、学 生个人的意志及元认知能力都是影响问题表征的因素。 ( 4 ) 样例对学科问题表征的影响研究1 2 6 卜【3 0 l 大量的研究表明：当学习者解决与学习样例有不同解决程序的问题时，即使程 序之间的差异很小也会明显表现出迁移的困难，近年来研究者开始强调样例的结 构性在学习中的作用，认为学习者一旦习得了样例的结构，将会超越样例和测题 表面特征的限制。莫雷，刘丽虹的研究表明在新问题的内在原理与样例相同的情 况下，两者表面概貌相似有利于被试对新问题的类化，表面对应相似则促对公式 的运用，但是当新问题的内在原理与样例不相同时，两者表面内容相似会对新问 题的解决产生负迁移。朱新明等通过设计一系列的物理样例对学生进行训练，让 他们在解决这些样例问题中掌握问题规则和条件，强化对条件的认知能力，提高对 问题的表征能力，这样当他们面临新的问题要解决时就可以按照样例学习中建立 的产生式对问题线索和规则进行认知和表征。 7 硕十学位沦文 综上所述，国内外关于学科问题表征的研究来看，涉及的内容很多，但大部 分的研究是在于查明学科问题解决的一般过程、解决策略、及影响因素等。以下 对物理学科问题表征的研究进行更细致的总结。 1 4 物理学科问题表征的研究现状 在物理学科问题表征的研究中，m c d e r m o t t 和l a r k i n m l 认为物理问题表征有 下列四步：( 1 ) l i t e r a lr e p r e s e n t a t i o n ( 文字表征) ；( 2 ) n a t i v er e p r e s e n t a t i o n ( 初始表 征) ：( 3 ) s i e n t i f i cr e p r e s e n t a t i o n ；( 科学理论表征) ( 4 ) m a t h e m a t i c sr e p r e s e n t a t i o n ( 数 学表征) 。其中文字表征和初始表征属于问题的外部表征，科学理论表征和数学 表征属于问题的内部表征。 国内的研究关于物理学科问题的研究以廖伯琴的研究成果最为丰富，以下对 她的各研究成果做个总述：廖伯琴对中学生物理问题解决差异研究采用口语报告 法进行了实证研究。她认为问题解决者在解决物理问题时将依次建立四个表征层 次，在文字和朴素表征层次所占用的时间显著少于其在物理和数学表征层次所占 用的时间，但时问差异不显著【3 1 j 。她通过被试解决力学问题研究了中学力学问题 表征体系的动态特征，这有助于解释学习者因素对物理学习的影响【3 引。廖伯琴、 黄希庭1 3 3 l 通过口语报告法研究了数理基础以及智商对物理问题解决表征体系的 动态特征的影响。结果表明，数理基础扎实的被试，其物理问题解决表征体系的 动态特征优于数理基础般和数理基础差的被试。智商水i f 对物理问题解决表征 体系动态特征影响显著。廖伯琴、黄希庭、范伟【3 4 j 通过朴素农征影响物理问题解 决的实验研究表明，直觉经验和物理教学均对朴素表征有影响，后者的影响将随 学习的深入而逐渐消除，前者的影响不易消除，等等。这些研究对m c d e r m o t t 和l a r k i n 提出的四阶段物理问题表征模型即文字表征、朴素表征、和代数表征 进行了补充和修正。此外，廖伯琴的研究还得到关于问题难度、熟悉度对问题表 征影响的重要结论。 另外，对高中生解决物理问题的表征研究较多。安丽1 3 5 j 通过对高中物理问题 表征的研究比较了优生差生在解决简单和复杂物理问题时的问题表征差异。对于 简单问题优生更容易快速进入内部表征，对于复杂的物理问题，优生较能快速理 解文字的含义，并通过生活经验及已有知识构建问题的整体框架，中等生能较容 易从题中提取隐含信息形成正确的外部表征。魏萍【3 6 l 通过对高中生物理问题表征 差异及其对教学的启示的研究得到物理问题表征层次划分的理论构想，即经历了 文字表征、朴素表征、物理表征和数学表征四个层次，并分析了优、困生问题表 征的动态差异与静态差异。动态差异主要表现为学优生各表征层次所用的时i 瑚少 于学困生所用的时问：静态差异则说明了产生动态差异的原冈。唐建平p7 j 通过对 8 初中f 砸 j 物理知识i l u j 题表征的研究 中学生解决问题的心理表征过秤的案例研究了善于解题的学，l 三的心理表征过程。 从总体米看对高中生物理问题表征的研究主要集中在不同学生对相同问题的表 征差异的研究上，其它方面的研究成果较少。 从物理学科问题表征的研究成果来看，研究方法主要是通过对学生解题过程 的研究，探明他们对物理问题的表征特点，分析出影响学生问题表征的因素。主 要的研究成果集中在问题结构层次和影响因素方面。而且研究的对象主要是高中 生，对于初中学生物理问题表征研究很少。 综上所述，国内外关于学科问题表征研究总得看来比较全面，对问题表征结 构、问题解决策略、表征层次的特点、影响因素、个体的认知情况等都有相关研 究成果。对物理学科问题表征的研究成果也集中在这几个方面。另外，廖伯琴等 一些研究者对问题解决表征体系的动态特征进行了相关的研究，邓铸提出了问题 表征态的理论，为学科问题表征理论的发展开辟了新的领域。从目前的研究成果 来看主要集中在对问题内部表征的研究，而对问题外部表征的研究较少。对学科 具体问题表征的相关研究有一些，但是对初中物理具体问题的研究还没有发现。 1 5 问题的界定 在符合研究背景的前提下，本文将物理学科问题表征的研究方法为指导，通 过对初中学生对应用物理知识竞赛题个体表征差异的研究来解决以下二个问题： ( 1 ) 初中应用物理知识知谚 题的表征特点； ( 2 ) 初中应 玎物理知识知谚 题的外部表征的影响因素。 1 6 研究的目的及意义 1 6 1 研究目的 、 根据物理课程的基本理念：“从生活走向物理，从物理走向社会”w ，提高学 生应用知识解决实际问题是物理教育最终的目的之一。为了使研究在初中物理教 学中发挥实际作用，我选择初中应用物理知识竞赛题表征作为研究内容。在借鉴 前人研究成果的基础上，本人通过该课题对物理学科问题表征的研究做进一步探 讨，具体的目的主要有以下三方面： 7 ( 1 ) 探究初中应用物理知识竞赛题表征的特点，为前人的研究成果提供实证； ( 2 ) 探究初中应用物理知识竞赛题初始表征的影响因素，尝试为初中相关物理 廖伯琴，张大昌全日制义务教育物理课程标准解读( 实验稿) i m i 湖北：教育出版社， 2 0 0 2 3 1 1 9 硕十：学位论文 问题教学提供实用的教学方法： ( 3 ) 探究初中应用物理知识竞赛题文字表征影响冈素，尝试通过分析初中学生 解决应用物理知识竞赛题的过程，探明影响相关问题文字表征的原因，提出有利 于提高外部表征的方法。 1 6 2 研究意义 本课题根据物理课程改革的趋势，把握新课程改革的方向，其意义体现在以 下三方面： ( 1 ) 通过本研究将有助于对物理教学方法提供有现实意义的补充，促进物理教 学质量的提高； ( 2 ) 本研究将得出切实可行的解决真实情境物理知识问题的方法去指导学生， 从而提高学生解决实际问题的能力来增强学生学习物理的兴趣； ( 3 ) 通过本课题的研究得到初中物理教师指导学生在课堂教学以外如何进行物 理知识的学习的方法，从而更好的提高学生的科学素养。 以上几点就是本课题的现实意义。 1 0 初中虑川物理知识问题农i l 卜的研究 2 应用物理知识问竞赛题的概述 按照物理问题的特点我们可以把物理问题分为原始物理问题和物理模型题， 谓原始物理问题，是指自然界及社会生活、生产中客观存在且未被j j h t _ 的物理问 题；而物理模型则是指从实际问题中经人为加工出来的物理问题，应用物理知识 题属于哪种类型的问题呢? 下面我们先来看看各种类型问题的特点： 2 1 各类型物理问题特点 2 1 1 应用物理知识竞赛题的特点 ( 1 ) 题目来源于真实的物理情境、物理现象或物理事实； 应用物理知识题以真实的社会生活为资源，加以筛选加工，不像通常的物理 习题那样，大部分是依靠物理模型编出来的，不具备真实的物理情境、物理现象 或物理事实的题。 ( 2 ) 题目的内容基本是学生身边的东西，看得见，摸得着和熟悉的； ( 3 ) 题目较完整地叙述物理事实，这其中应该包括解题时用得着和用不着的相 关情境，囱用的数据和无用的数据郜可以出现红题日之中，所应用的物理规律和 答案也不一定是唯一的。 2 1 2 原始物理问题的特点【3 8 】 ( 1 ) 对学生来说是非常规的，不能靠简单的模仿来解决； ( 2 ) 它可以是一种情景，其中隐含的物理问题需要学生自己提出、求解并做出 解释； ( 3 ) 具有趣味性和魅力，能引起学生的思考并对学生的智力提出挑战； ( 4 ) 不一定有唯一的答案，不同水平的学生可以由浅入深地作出回答； ( 5 ) 解决它需要通过个人或小组的物理活动。 2 1 3 物理模型题的特点【3 9 】 ( 1 ) 对学生来说是常规的，靠简单的模仿即可解决； 候建芳高中学生解决原始物一理问题与物理习题的表征对比研究 乔际平我们的目的是提高孩子们“学科学，用科学，信科学”科学素质 【j 】 物理教师2 0 0 7 7 硕f ：学位论文 ( 2 ) 不是情景，其中己知条件不需要学生自己提出； ( 3 ) 缺乏趣味性和魅力，主要用以训练学生掌握知识； ( 4 ) 有唯一固定的答案； ( 5 ) 个人就可以解决，不需要通过小组活动。 通过对以上各种类型物理问题的特点比较可以看出，应用物理知识问题是不 同于原始物理问题及物理习题的一种题型，是在对切合学生实际的基础上对原始 问题加工而来的，是源于真实情境的物理问题。 2 2 初中应用物理知识竞赛题的编制原则 应用物理知识问题没有确切的定义，但通过比较它们的特点可以很容易看出 应用物理知识问题具有原始物理问题的特点，我们把应用物理知识问题看作是原 始物理问题的改进。初中应用物理知识问题是为适合初中学生而编制，初中应用 物理知识题的编制要遵循如下原则w ： ( 1 ) 一定要准确地体现基本概念，基本规律，基本原理。 ( 2 ) 要处理好既要科学又不求全的关系； 在应用物理知识问题的答案中，多数情况都涉及到诸多的物理规律，在学生 的答案中，只就初中所学作为重点的物理规律作详尽的分析和应用，其他可以不 涉及，不求全面，只要科学就行。 。 ( 3 ) 要突出物理要素，淡化技术要素； 因为应用物理知谚 必然离不丌技术，包括技术名词、技术应用，把它们完全 甩开是不可能的，但是，要求中学生掌握那么多技术知识也是不可能和不必要的。 我们要尽量突出物理要素，尽量淡化技术要素，降低技术要求。 ( 4 ) 围绕基础物理知识应用来展开； 应用不一定要紧跟当前科技发展，应用指的是基础知识的应用，决不能脱离 学生的实际。 乔际平我们的目的是提高孩子们“学科学，用科学，信科学”科学素质 【j 】 物理教师2 0 0 7 7 1 2 初中廊川物理知识问题表征的研究 3 研究设计 3 1 研究内容、对象、方法及程序 3 1 1 研究内容 选择以初中应用物理知识竞赛题为内容，内容包括力、热、光、电的生活中 常现象，问题从全国初中应用物理知识竞赛初赛试题中选出，试题都是经由专家 评定和审核过的，具有较高可信度和效度。初赛试题较复赛试题而言难度更低， 可以降低问题的难度对问题表征的影响，有利于达到本课题的研究目的。初中物 理知识大部分是关于生活中的一些现象，结合本研究的目的，所选择的问题多数 没有涉及数学表征。 3 1 2 研究对象 从宜春市袁卅i 区合浦中学和下浦中学九年级学生中，以平时测验成绩为准， 平时测试5 0 分以上的分别随机选取1 0 名共2 0 名学生作为口语报告测试的对 象。以平时成绩为依据，平时测试成绩5 0 分以上的，在下浦中学随机选取1 2 0 名，合浦中学随机选取8 0 名，共计2 0 0 名学生作为书而测试的对象。 3 1 3 实验方法及程序 方法：本研究将采用口语报告法和团体测试法、访谈法收集资料，目的是使 实验结果的效度更高。 ( 1 ) 口语报告法 方法：口语报告法是通过分析被试对自己认知活动进程所作的口语报告，来 研究持续时间较长且内部操作更为复杂的认知过程的一种方法。 基本程序i 删： 模拟训练 在进行f 式实验之前，主试应选取与实验任务相类似的材料对被试进行足够 的训练，让他们在主试的指导与示范下，一边完成任务一边进行口语报告，从而熟 悉口语化的思维方式，能够较顺利地完成出声思考。 正式实验 。 主试让被试用口语报告的方法完成一个思维作业，同时主试对被试的全部口 述进行录音。如果被试在进行过程中间发生停顿，主试可以问他在想什么。但是 对平时测试分数作要求是为了避免学生基础知识太弱影响研究的效度 1 3 n 爻蚧过“c 球| _ “4 0 殊的讲究i l 的川 九做发排外t 试脏1 、心性”】趔 以免_ 二扰诎试的心州j 程。，h 外，ir 试婪孵芙i i j 诎试的 ，为反向，盯将返此1 五m 成j 发牛的州叫畦，nl 、术。 转译与编码 将1 1 讲报告的采卉材料转详成 湎的文字和符o ；的文本彤_ i i = ，n 转泽过程中 尽量做刮宁不漏然后按照心维丰题刘口语报告进行分段份段矸寸u 以不考虑句 子足甭完整，足雨符台t 等法) t h l a 据句子的意义进行分类与标记，即进行编码，确定 每个片断巾被试所运州的策略。为r 使l j 语 性告的转详_ 编码准确可靠，必须建 立科学客观的转泽规则与编码方案。 ( 2 ) 团体测试法 方法：团体删试是以书弭j 的形式计学q 崩笔写卅他们的忠维过程。刚体测 试将在一个特定时问内要求学巾统一完成的测试。 程序：书而测试之时1 ，试先进行解答示范，测试卷丌婚肯指导语，l r 学生 朋笔洋细问咎问题，把思考过程仝部写卅来。 32 测试的结果的分析与讨论 | i 语报r 和团体删试的结果都足根抛l a r k i n 的肚本界定，埘i ir 确完成再丧 征坛扶人数进行统，基小畀姗r ：立j ? 丧征：肘1 4 题文字f j 陈述：仞始衷征： 刘虹文i i i z 抖( f j k 声物川表饥埘物则概念的姓般，数学戒札：刘胛班物珥1 题 公式运川。木州宄为，椿入的研究影州应川物理土l _ 以m 题的影i 礼凶紊，以及筹袁 抓层次z 蚓的相1 ，跫系，把初始表征细分为表从训始表征和深层初婚表缸，h 样 把物理表扯细分为表层物理裘征和深层物理表祉。 3 21 口语报告结果与分析0 ( 1 ) 实骑材料“。盘燃? 小华感胃l 咳嗽，妈妈给她灭了“耿黄连u 服液”。 丰u 心的小牛将li 服液盒内特制吸管卉丢r ，只好争 束根饮料帔钙l l a i kr 1 1 ，结果她赞了很人的劲爿4 1 船麓? 把药液“啦”i ：米。，后来，她发现这两种吸管的形状不样：饮制吸管外壁光卅， 几服液嘁锚外站有棱，艄种吸管的截断形状如圈所不。睛你逗川物理知识解释为 引么两利，吸管“吸”药的效果不同。” 2 0 0 7 年第十j 届全国初中应用物理知识竞赛韧赛试题 初中应川物理知识n d 题表征的研究 ( 2 ) 对整理材料的分析 根据对学生口语报告整理出来的材料来看( 整理材料见附录) ，所有的学生都 对解决问题有用的信息“口服液吸管外壁有棱”进行了提取，但是真j 下运用这个 有效信息成功解决i 、u j 题的只有2 号、6 号、7 号、9 号、1 4 号、1 5 号、1 9 号七位 同学。学生在进入初始表征时，都注意到了这两种吸管外形的区别，但在进行更 深入的初始表征时出现了错误，下面对导致该问题解释失败的原因进行分析： 第一种情况是比较多的同学在提取信息以后，把注意力集中在两横截面积不 相同上。提取了横截面积不相同这个信息以后，没有对题目的问题真实情境进一 步的表征，这是导致问题解决失败的一个重要因素。l 号、4 号、1 0 号、1 1 号、 1 6 号、1 7 号被试根据题中的插图和两根吸管的外形不同得到两种吸管的横截面 积不同这个结论。然后再提取与横截面积有关的物理知识压强。他们的认为横截 面积大的压强就大，所以更容易把药液吸上来，这种解释带有很强的主观想象， 对压强这个物理知识的提取没有任何的依据。这些同学虽然也对问题的真实情境 有反映，但是停留于表面，没有进行更深入的初始表征。在口语报告结后我对这 几位同学进行了访谈，通过谈话得知，他们把思考点入在横截面积上，是因为看 了题中的插图，感觉同种吸管的横截面