（基础心理学专业论文）工作记忆广度物理概念表征对问题解决的影响.pdf

摘要 问题解决是我们所关心的核心问题，工作记忆广度高低和概念表征水平是影响问题 解决的重要因素。而关于工作记忆广度和物理概念表征水平对物理问题解决关系的研究 还很少，因此，本研究旨在探讨工作记忆广度、物理概念表征水平对初二学生物理问题 解决的影响。 本研究以1 6 5 名初二学生为被试，采用2 x 2 x 3 的因素混合设计。视觉一空间工作记忆 广度( 高低) 和概念表征水平( 深浅) 为被试间变量，问题难度水平( 低难度、中等难度、 高难度) 为被试内变量。研究的主要结论是： ( 1 ) 工作记忆广度的高低与物理概念表征的水平呈现正相关。 ( 2 ) 物理概念表征的水平对问题解决的成绩影响显著，且对不同难度的试题影响不 同。 ( 3 ) 工作记忆广度对物理问题的解决有显著的，影响的大小同时受到问题难度的水 平的变化而变化。 ( 4 ) 工作记忆广度，物理概念表征水平共同影响物理问题的解决对不同难度水平问 题解决的影响出现了有选择性的交互作用显著。 ( 5 ) 在控制有无图示的条件下，工作记忆广度相同的被试对物理问题解决表现出不 同的影响。 本研究的实践意义是：通过工作记忆、概念表征水平对物理问题解决影响机制的探 讨，为教育者能够根据学生自身工作记忆的特点有效地组织教学内容和进行个别解题辅 导提供理论依据和方法指导，并为教育者在教学中重视学生视觉空间能力的培养，概念 表征学习和学习策略的传授提供重要的参考和决策依据。 关键词：中学生；工作记忆广度：概念表征水平；物理问题解决 a bs t r a c t p r o b l e ms o l v i n gi st h ec o r ei s s u e so fo u ri n t e r e s t , a n dw o r k i n gm e m o r ys p a nc a l lp r e d i c tt h ee v a l u t i o n o ft h ec o g n i t i v ea b i l i t y , w o r k i n gm e m r ys p a nw i t h i nt h ev i s u a ls p a c em a yb ea ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c h i n f l u e n c et h ep r o b l e ms o l v i n g t h es a m el e v e lo ft h ec o n c e p tr e p r e s e n t a t i o nc a na l s oi n f l u e n c et h ep r o b l e m s o l v i n g ，h o w e v e r , t h e r ei s n te n o u g hr e s e a r c ho nt h es p a t i a lw o r k i n gm e m o r yc a p a c i t ya n dl e v e l so f r e p r e s e n t a t i o no fp h y s i c a lc o n c e p tt os o l v i n gp h y s i c a lp r o b l e m s t h u s ，t h i ss t u d ya i m st oe x p l o r et h e i n f l u e n c eo fw o r k i n gm e m o r ys p a na n dt h el e v e lo fr e p r e s e n t a t i o no ft h ep h y s i c sc o n c e p t sf o rt h es t u d e n t s o f t h es e c o n dy e a ro f s e c o n d a r ys c h o o lt os o l v et h ep h y s i c a lp r o b l e m s 。 t h i ss a d yu s e d16 5s t u d e n t s ( t h es e c o n d y e a ro ft h es e c o n d a r ys c h 0 0 1 ) a st h es u b j e c t s ，a n dm i xd e s i g no f 2 2 3 v i s u a l s p a t i a lw o r k i n gm e m o r y s p a n ( h i g h l o w ) a n dl e v e l so fc o n c e p tr e p r e s e n t a t i o n ( d e e p s h a l l o w ) a r eb e t w e e n s u b j e c tv a r i a b l e s p r o b l e md i f f i c u l t yl e v e l s ( 1 0 wm e d i u mh i g h ) a r e w i t h i n s u b j e c t sv a r i a b l e s t h em a i nr e s u l to ft h es t u d yi n c l u d e ： ( 1 ) t h e r ei sp o s i t i v ec o r e l a t i o nb e t w e e nt h ew o r k i n gm e m o r ys p a na n dl e v e l so fr e p r e s e n t a t i o no f p h y s i c a lc o n c e p t ( 2 ) t h el e v e l so fr e p r e s e n t a t i o no fp h y s i c a lc o n c e p tm a k eas i g n i f i c a n ti n f l u n c et os o l v i n gp h y s i c a l p r o b l e m s ，a n dd i f f e r e n tl e v e l so fq u e s t i o n sh a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c e ( 3 ) b o t hw o r k i n gm e m o r ys p a na n dq u e s t i o nd i f f i c u l t yl e v e l sm a k eas i g n i f i c a n ti n f l u e n c et ot h e p h y s i c a lp r o b l e m ss o l v e ( 4 ) w o r k i n gm e m o r ys p a na n dt h el e v e l so fr e p r e s e n t a t i o no fp h y s i c a lc o n c e p ti n f l u e n c et h ep h y s i c a l p r o b l e m ss o l v ea tt h es a m et i m e ，i nd i f f e r e n td i f f i c u l t yl e v e l so ft h ei n f l u e n c et ot h ep r o b l e ms l o v e ，t h e r e a r es i g n i f i c a n ts e l e c t i v e di n t e r a c t i o n ( 5 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n st h a tt h ed i a g r a mi sw h e t h e ro rn o t , s u b j e c t sw i t ht h es a m ew o r k i n gm e m o , s p a nm a k ed i f f e r e n ti n f l u e n c et op h y s i c a lp r o b l e m ss o l v e t h et e a c h i n gs i g n i f i c a n c eo ft h i s s t u d yw a st h a tp r o v i d e dt i l e o r yb a s i sa n dg u i d a n c em e t h o df o r e d u c a t o r st oe f f e c t i v e l yo r g a n i z et e a c h i n gc o n t e n ta n dc o n d u c ti n d i v i d u a li n s t r u c t i o na c c o r d i n gt os t u d e n t s w o r k i n gm e m o r yc h a r a c t e r i s t i c ，w h i l ep r o v i d e dr e f e r e n c ea n db a s i sf o rd e c i s i o n m a k i n gf o re d u c a t o r st o p a ya t t e n t i o nt ot r a i n i n gs t u d e n t s v i s u o s p a t i a la b i l i t ya n di m p e r i v i n gt h el e v e lo fc o n c e p t u a lr e p r e s e n t a t i o n b yd i s c u s s i o no np h y s i c sp r o b l e m ss o l v i n gt h a th a v eb e e ni n f l u e n c e db yb o t ht h ew o r k i n gm e m o r ya n d t h e l e v e lo fc o n c e p t u a lr e p r e s e n t a t i o no fp h y s i c s k e yw o r d s ：j u n i o rm i d d l es c h o o ls t u d e n t s ，w o r k i n gm e m o r y ；t h el e v e lo fc o n c e p t u a lr e p r e s e n t a t i o n ； p h y s i c a lp r o b l e m ss o l v e i v 1 文献综述 1 1 工作记忆 1 文献综述 工作记忆是用来取代短时记忆的概它是一种对信息进行暂时性加工和存储的能量 有限的记忆系统( b a d d e l e y & h i t c h ， 19 7 4 ) 。工作记忆具有五个方面的特征，工作记 忆是一个心理操作系统，它的容量是非常有限的。它的操作内容包括长时间记忆中超 过激活阀限的信息，岂不是也包括来自环境的临时信息。它有获取和维持信息激活、 调节和监控信息的激活状态的功能。维持信息的激活是一种短时贮存功能，调节和监控 信息的激活状态则是种执行控制功能。控制性注意是工作记忆控制功能的核心部分。 它是获取新知识、完成学习和日常生活中复杂认知操作中必不可少的心理条件( 刘惠 军，2 0 0 3 ) 。 1 1 1 工作记忆的模型 a t l d n s o n 与s h i f f r i n 的记忆三级加工模型是由b a d d e l e y 等人发展研究的，他们提 出了工作记忆的三种系统模型，认为工作记忆是由中央执行系统( c e n t r a le x e c u t i v e ，c e ) 、 语音回路( p h o n o l o g i c a ll o o p ，p l ) 和视空间模板( v i s u a l s p a t i a ls k e t c h p a d ) 部分组成。其 中中央执行系统是工作记忆的核心，它具有信息控制、转换、监控等功能，语音回路负 责以语音为基础的存储与加工，视空间模板主要处理视觉空间信息。b a d d e e l e y 又增加 了一个新的子系统，即情境缓冲区( e p i s o d i cb u f f e r ，e b ) 。它是用于保存不同信息加工结 果的次级记忆系统，是在中枢执行系统的控制下保持加工后的信息，从而支持后续的加 工操作。这也是他对工作记忆三系统模型的发展和补充。 1 1 2 工作记忆广度的测量 工作记忆广度( w o r k i n gm e m o r ys p a n ) 是工作记忆研究的一个主要方面，即工 作记忆容量( w mc a p a c i t y ) 。根据工作记忆的结构模型，与视觉空间模板和语音回路两 个特殊任务加工系统相对应，一般将工作记忆广度分为视觉一空间工作记v , ( v i s u a l s p a t i a lw o r k i n gm e m o d rc a p a c i t y ) 和言语工作记忆广度( v e r b a lw o r k i n gm e m o 巧 c a p a c i t y ) 。视觉一空间工作记忆广度一般包括旋转广度( r o t a t i o ns p a n ) 、路线广度 工作记忆广度，物理概念表征对问题解决的影响 ( n a v i g a t i o ns p a n ) 和对称广度( s y m m e t r ys p a n ) 。( 郭春彦、刘荣，2 0 0 7 ) 。所有工作记忆广 度的实验任务都采用加工任务和储存任务同时进行，即双任务实验范式。其中运算广度 和阅读广度一般为语言文字型的材料，计数广度和视觉一空间工作记忆广度一般为图形 符号型的材料，主要测量的方式有：运算广度测验( o p e r a t i o ns p a nt e s t ) ；阅读广度测验 ( r e a d i n gs p a nt e s t ) ；计数广度测验( c o u n t i n gs p a nt e s t ) ；旋转广度测验( r o t a t i o ns p a nt e s t ) ；对称 广度测验( s y m m e t r ys p a nt e s t ) ；路线广度测验( n a v i g a t i o ns p a nt e s t ) 等( b a d d e l e y & h i t c h ，1 9 7 4 ) 。 上面提出的对工作记忆广度测量的方式都是经常用到的，但随着深入研究的同时， 对工作记忆广度的测量也出现t大的变式，但终归实验任务的设计和发展都遵循3 n - r 和存储同时进行的原则。 1 1 3 工作记忆的相关研究 已经有很多关于工作记忆和智力间关系的研究，其中有一部分研究者认为工作记 忆和智力结构相同。其中认为工作记忆的测量要求大量不同的加工技能，并且呈现出不 同刺激类型，这与智力的数字、词汇、空间维度任务都很相像。并且这些研究者还认为 工作记忆任务与智力任务的高度相关表明工作记忆与智力有许多共同的机制( k a n e & e n g i e ，2 0 0 2 ) 。他们推测个体在工作记忆上的差异可以理解为推理能力或者一般智力( g ) 的差异( e n g l e ，2 0 0 2 ；k y l l o n e n & c h r i s t a l ，1 9 9 0 ) 。而另一部分的研究者的研究结果并 不支持工作记忆和智力有共同机制通过实验研究调查了工作记忆和智力的关系，他们发 现工作记忆和智力的相关达到0 7 0 ( a c k e n n a n 、b e i e r & b o y l e ，2 0 0 2 ) ，工作记忆与瑞 文推理测验的有密切联系相关达到4 3 ( j u r d e n ，1 9 9 5 ) ，工作记忆与限时瑞文推理测验 ( 2 0 分钟) 间的相关5 5 ( b a b c o c k ，1 9 9 4 ) 。这些研究认为工作记忆和智力测验之间的 重叠关系低于k y u o n e n 和c h r i s t a l ( 19 9 0 ) i 拘研究结果( 相关达到8 0 - 9 0 ) ，种种实事否 定了工作记忆和智力体现了同一个潜在因素。k a n e 等人最近提出了一个与他们以前观 点相反的结论，即他们认为许多潜变量分析认为工作记忆能解释智力中三分之一或者一 半以上，但工作记忆和智力确实只是高相关( c o n w a y 、k a n e & e n g l e ，2 0 0 3 ) 。 一部分理论近期在与短时记忆的比较中，他们就发现工作记忆结构模型对智力有 一个很明显的联系，并无发现短时记忆对智力有明显的联系( e n g l ee ta 1 ，1 9 9 9 ) 。并 且还发现工作记忆能力比加工速度是智力的一个更好的预测因素( c o n w a y e ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 智商水平对物理问题解决表征体系动态特征的影响显著。( 廖伯琴和黄希庭，2 0 0 0 ) 工 ， 1 文献综述 作记忆与各种推理有密切关系( 白学军、臧传丽和王丽红，2 0 0 7 ) 推理前提的加工阶 段，视空间模板和中央执行系统发挥着关键作用，语音环路没有参与；而在结论的推理阶 段，工作记忆的三个成分均发挥了作用。传递性推理在工作记忆系统中采用视空间编码进 行表征( 赵雷，2 0 0 6 ) 。言语类比推理中，视空间模板中的空间成分起主要作用，在图 形类比推理中，主要有视空间模板中的空间成分，语音回路中的发音成分以及中央执行 器的参与，种种结果表明，工作记忆是类比推理中一个十分重要的影响因素( 唐慧琳和 刘昌，2 0 0 4 ) 。 不同学习能力组学生的工作记忆容量出现了不同程度的分化，学习困难的初二学 生的工作记忆容量都存在着一定的缺陷( 王恩国、刘昌，2 0 0 7 ) 。工作记忆的三个成分对 简单和复杂数学问题解决都会有很大的影响，主要通过通过阅读理解、写作和数学问题 解决而影响学生的学习能力( 王恩国，2 0 0 7 ) 。中小学一些年级的学生进行研究发现， 工作记忆广度与学业成绩有密切的联系( 李美华、沈德立，2 0 0 7 ) 相比高广度工作记忆 的儿童，那些低工作记忆成绩尤其是低听觉空间工作记忆成绩的儿童，他们在学校中具 有更多的学业困难以及注意行为困难，良好的空间工作记忆成绩与学校中的学业成绩 ( 由老师评价) 更是有着密不可分的关系( a r o n e ne ta 1 ，2 0 0 5 ) 。工作记忆的这两种子 系统与两类数学成绩的相关都较高，尤其视觉空间工作记忆容量与数学和几何成绩的高 低来说比言语工作记忆容量有更高的相关( m i l l e re ta 1 ， 2 0 0 4 ) 。 综合以上有关工作记忆的相关研究可知，尽管工作记忆广度与智力的关系有不同 的观点，但是可以确定的是工作记忆广度确实影响智力的重要因素，与各种推理都有极 大的相关，并影响学生是学习成绩，也是影响问题解决的重要的原因。尤其视空间工作 记忆广度与几何和数学有更高的相关，作为物理这门科目相关的研究还不多，所以我们 来探讨视空间工作记忆广度与物理问题解决之间的关系，相关研究已有证明化学概念表 征影响问题解决，那么对于物理学科来说又会有什么样地影响，即视空间工作记忆广度 和物理概念表征与问题解决之间的相互关系。 1 2 概念表征 知识的表征在人类获得知识的过程有着极为重要的意义。“理解知识如何应用的前 提是理解它如何在人脑中表征的，概念的表征一直是认识论、心理学研究的重要课题， 不同的认识论和心理学派会产生不同的知识表征观点。本文使用心理表征分类，心理表 3 工作记忆广度，物理概念表征对问题解决的影响 征是信息的内部表达，是信息在头脑中的呈现方式，以自己的心理结构对外部信息进行 重新表达以此来理解外部事物和它们之间的相互关系。理解和运用一个概念是概念表征 非常重要的一个环节，“概念的正确理解无非就是指建立起了恰当的心理表征 ，人 类在获得知识的过程中知识的表征起着至关重要的作用和意义。 1 2 1 概念定义及分类 在心理学中认为概念( c o n c e p t ) 是人脑对客观事物的本质特征的认识，概念具有不 同的等级和层次并是用一定的词来记载和标志。概念具有高度的概括性、抽象性和间接 性，它是命题的基本单位是知识的细胞和思维的核心。将物理学特点和建构主义观点相 结合对物理概念下定义：物理概念就是用抽象思维对物理事物本质特征的概括，并用一 定的符号加以表示。从事心理学研究的工作者和心理学家从不同角度对概念进行了划 分，对不同分类归纳如下： 维果斯基提出日常概念( 前科学概念) 和科学概念。日常概念是指没经过专门的教 学，由个体在日常生活中通过辨别学习、积累经验而掌握的概念。科学概念则是在教学 过程中通过揭示概念的内涵而形成的概念。这种划分的标准都是根据概念学习的方式进 行划分的( 吴俊明、王祖浩， 1 9 9 9 ) 。 根据概念研究的方法划分可分为人工概念( a r t i f i c i a lc o n c e p t ) 和自然概念( n a t u r a l c o n c e p t ) 两种方法。人工概念是指在实验室条件下，为模拟自然概念的形成过程而人为 制造出的概念。自然概念是指在人类历史发展过程中自然形成的概念，在自然界中存在 相应的例证。所以根据此分类原则化学概念绝大多数属于自然概念( 曾琦、苏纪玲、章 学云，2 0 0 6 ) 。 按照概念获得的过程的不同可分为言语性概念和非言语性概念。言语性概念是指 存在习惯名称或是名称短语命名的概念。非言语性概念可以转变为言语性概念，而且可 以当一信名称或名称短语称呼它，非言语性概念是指通过概念形成，也就是通过一些例 证的抽象而得到的概念。( 杨治良，1 9 9 8 ) 按照概念的关键属性的特点可划分为以下几种典型代表：( 1 ) 一级概念和二级概 念。一级概念的形成需要大量的正例和反例，它是指通过直接观察概念的肯定例证和否 定例证，并分析、概括出来它的本质特征的概念；而二级概念是不用经过对例证进行抽 象的定义，只需借助少数例子来同化已被抽象出来的定义特征就行。( 2 ) 具体概念与抽象 4 1 文献综述 概念。具体概念是指按事物的指认特性形成的概念；抽象概念是指按事物整个内在的本 质特性形成的概念。 1 2 2 概念表征方式的分类 心理学对表征方式的分类具体有以下几个方面： ( 1 ) 语言表征和非语言( 情节、动作) 表征在对客体的主体活动中，主体在 得到语言表征的时候，还能获得情节表征和动作表征。它是在活动中经验的抽象与概括。 在信息加工、贮存和提取的过程中，两个表征具有同样重要的作用。情节表征是活动中 的视觉映像或其它映像，而动作表征则是在行动中得到的直接体验。 ( 2 ) 外部表征与内部表征表征在认知心理学中可分为外部表征和内部表征， 其中外部表征又可分为图形表征和文字表征。图片和图表其实更能接近于客观世界，它 的结构与客观世界的结构很相近。所以这种结构常被称为类比( a n a l o g i c a l ) 。而语言描 述则没有这种类比特征，因为一个语言符号它所指代事物和关系之间的相关联系是强制 性的。 ( 3 ) 陈述性知识的表征与程序性知识的表征 陈述性知识的表征 陈述性知识是可以用言语加以表述的知识，它包括了语义知识和情景知识， 是指个体对有关环境的事实及背景与关系的知识。它主要以命题网络的形式表征，还涉 及有图式、表象、心理模式和线性排序等，这是认知心理学对它的表述。 程序性知识的表征 程序性知识是关于事情怎么解决的知识。例如计算机编程解数学题的技能都 是程序性知识。它的最大特点是能够很容易地用步骤或动作显示出来，也能够表明整件 事是怎么做的，但是不能够很明了地用语言表示出来。 通过对概念的原型观、样例观、定义属性观、经典观、解释观和知识基础观 等认知心理学概念本质理论的研究，丁伟把概念内部表征分成了三大类型和十各具体表 征形式( 黄君玉，2 0 0 6 ) 。归类结果如下表1 1 。 工作记忆广度，物理概念表征对问题解决的影响 表l l 概念表征的形式和类别 认知心理学的表征包含有若干分类维度。按表征的心理和客观界面可以分为外 部表征和心理( 内部) 表征；按表征的意识程度可以分为内隐表征和外显表征；按表征 的程度可以分为深度表征和浅度表征等。( 吴俊明、王祖浩，1 9 9 9 ) 综上所述：表征的分类并没有统一的标准，具体还要依据具体的学科特点进行分 类，而对于物理学科的独有特点以及电学概念的抽象性，把物理概念表征进行了深层表 征和浅层表征分类，这主要是依据心理学的分类方式而做出的分类。 概念表征和问题解决的相关研究：研究发现，函数编码类型在一定程度上不是 影响函数解题的重要因素，而函数概念编码的质量、函数概念图编码却是影响函数解题 的重要因素。问题解决就函数编码类型的质量而言，深层编码在一般情况下学生都能够 比较准确和灵活的运用自己所熟悉的编码，从而使解题思路清晰，语言表达逻辑性强， 编码内的转换准确率也相对较高。而浅层编码学生往往停留在浅层编码层面，且这些编 码本身还有错漏，从而表现为盲目搜索解题方法。在再次激活下，特别是在多元性编码 类型下，整合码组使学生在问题解决时采用了多元码，且这些编码是内部言语和心象码 有机结合的多码，其口语报告比较简略，语言表达逻辑性较强，编码间的转译准确而灵 活，而混合码组学生口语报告比较繁杂，对概念编码往往处于表面，容易拘于不重要的 题目信息，从而使编码间的转译呈现无序性和无目标性。同时关于化学概念表征影响化 学问题的解决也已经被验证，但相关物理概念表征与问题解决关系的研究较少，所以本 文将通过实验进行验证。并假设物理概念表征显著的影响问题的解决。 1 3 问题解决 2 0 世纪8 0 年代美国教育界提出的主要口号就是问题解决( p r o b l e ms o l v i n g ) ，同时心 6 1 文献综述 理学家们对“问题解决 也作出了不同的解释。比如梅耶认为问题解决是“人在没有明 显解决方法的情况下，将给定情境转化为目标情境的认知加工过程。a n e w e l l 和 h a s i l l l o n 把对问题的解决看成是对问题空间的搜索，并可以用计算机来模拟人的 问题解决过程。“将问题解决定义为受任何目标指引的认知性操作序列 是安德森在认 知心理学中对问题解决的阐述。有学者认为，问题解决就是当个人在面对问题情境而没 有现成的方法可以利用时，指向于将己知情境转化为目标情境的认知过程。邵瑞珍认为 问题解决是人们在日常生活和社会实践中，面临新情境、新课题，发现它与主客观需要 的矛盾而自己却没有现成的对策时，所引起的寻求处理问题的一种心理活动，它是作为 一个心理学术语对它进行的表述。查有梁认为我们可以将思维活动和问题解决活动等同 起来，认为“思维即问题解决 。 物理问题解决是当遇到一个有一定创新或新意的物理问题时，尽力找到一些有关的 概念、方法、规律去解决这一问题的一个心理过程( 廖伯琴、黄希庭，2 0 0 0 ) 。物理问 题解决起源于一个物理问题的表现或已知的最初状态，即对物理问题的表征( 朱文军， 2 0 0 5 ) 。问题的解决看作是对问题空间的搜索，由此得出对物理问题空间的搜索过程就 是物理问题解决的过程( n e w e l ls i m o n ，1 9 7 8 ) 。当解决者达到一定的目的时，也就等 于进入了物理问题的“实质状态”。在从初始状态到目标状态的这个过程中，解决者经 过了一定数量的“问题中间状态”，而解决者从而从这种所能达到的这些状态的全部形 成了一个物理问题空间( 梁宁建， 1 9 8 5 ) 。 综合以上所有描述得到的结论为：当遇到一个有很新创意的物理问题时，尽力去寻 找有关的概念、方法、规律等去着力解决这一问题的一个综合的心理过程即是“物理问 题解决”。 1 3 1 影响问题解决因素的相关研究 对应用题解决的影响因素的研究表明，视空间能力、问题表征及认知方式是影响应 用题解决的非常关键的因素，其中图形提示能够提高低空间一些依赖心理特别重的学生 的解题成绩，且随着年级的不断升高，高空间的一些依存型学生的解题能力就会有很大 的提高，而低空间的一些依存型学生的这种解题水平提高却不怎么明显，这就说明图式 表征和视空间能力在应用题解决过程中起着至关重要的作用( 游旭群等，2 0 0 6 ) 。数学 问题表征需要工作记忆资源的大量介入，而工作记忆资源也很有限，它在信息加工和存 储的过程中又需要不停地进行能量权衡和转换，当外界出现的问题负荷大于工作记忆资 7 工作记忆广度，物理概念表征对问题解决的影响 源的加工限制时，就会出现工作记忆系统的资源分配不足，从而造成认知超限，使个体 学习或问题解决的效应大降低。工作记忆容量越大，认知产生超负荷的风险越小，个体 的工作记忆资源对任务的加工和复杂情境的表征就会得心应手，学习效果就越好，反之， 工作记忆容量越小，认知加工就越会出现工作记忆资源的容量超限，从而工作记忆资源 对一些比较复杂的任务进行加工和表征就会大大降低，也使学习成绩和各方面都出现大 幅度的下滑。在应用题解决过程中，视觉空间模板的参与、中央执行系统的监控和调节 以及语音回路对问题情境的表征和数量关系的推理都有想当大的作用，所以工作记忆的 容量水平直接对个体的情境信息进行因果推理的有效性有很大的影响( 丁伟，2 0 0 8 ) 。 澳大利亚心理学家j o h ns w e l l e r 教授在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初就在认知资源理 论、图式理论和工作记忆理论的基础上最先提出认知负荷理论，在教育心理学和认知心 理学等领域产生了很大影响。认知负荷理论认为人的认知资源是有限的，而各种认知活 动都需要消耗认知资源，如果所有活动所需的资源总量超过了个体本身所具有的认知资 源总量，则会产生资源分配不足，造成认知负荷超载全部心智能量，这些都是从认知资源 分配角度来考察学习和问题解决的。从实践层面来看，认知负荷是指在单位时间内学生 知觉到的认知加工任务的份量；从理论层面来看，认知负荷是在一定时间内学生在完成 认知任务的学习过程中实际投入的心理能力，是指学生在学习过程中所完成给认知任务 而需要的心理资源数量。总括起来也就是说学生在学习过程中的认知负荷的指学生对学 习的任务、时间压力以及责任的知觉和体验( 赵俊峰，2 0 0 7 ) 。认知负荷分为三种类型： 即关联认知负荷、内在认知负荷、外在认知负荷( s w e l l e r , 2 0 0 3 ) 。关联认知负荷也定义 为认知负荷或有效认知负荷，是指和促进图式建构以及自动化过程有联系的认知负荷。 学习者假如在学习某一时段的任务时没有把所有的认知资源用完，就可以把剩余的认知 资源用到别的和学习直接联系的加工中去，从而促进学习。内在认知负荷是指工作记忆 对认知任务本身所包含的信息元素的数量和交互性进行认知加工活动时所产生的负荷 ( 唐剑岚，2 0 0 8 ) 。它是由学习材料本身固有的特点和学习本有的知识水准，以及两方 面之间相互的作用所决定的。一般情况下认为，学习材料越多且复杂，信息要素和交互 作用越多，所占用的内在认知负荷就越大；相反，如果学习材料相比之下简单的话，信 息要素之间的交互作用就会少，那么所占用的内在认知负荷也就相比之下越少。 由于认知负荷是建立在认知资源有限和工作记忆容量一定的基础上，同时这三种认 知负荷也同时存在于学习者的学习过程当中，所以这三种认知负荷之间是一种此消彼长 8 1 文献综述 的关系，即三种负荷加在一起的总量不能大于工作记忆中可使用的资源总量，否则就会 出现认知超载的结果。 学习者的个体特征不仅包括熟练水平、先前的知识经验智力水平等先行知识之外， 还包括学习者的学习风格、认知风格等人格特征。当知识复杂性较高时，先前知识水平 高的学习者的先前知识有利于其迅速建立新的图式从而降低他们原有的内在认知负荷， 而当知识复杂性相对较低时，降低外在认知负荷就会对先前知识水平低的学生有效 ( p l a s se ta 1 ，2 0 0 6 ) 。学习者的专业和所擅长的水平直接影响着认知负荷( r i k e r s ， 2 0 0 4 ) 。样例信息对于新学者来说是很有必要的，但是对于拥有较多特定领域知识的专 家型的学习者来说几乎无用( k a l y u g a ，2 0 0 3 ) 。三种类型的注释都有助于不同水平知识 的学习，同时降低了学习过程中的认知负荷( w a l l e n ，2 0 0 5 ) 。认知负荷理论中的样例 效应大多集中在数学或物理方面，而他的研究表明样例效应在启发式教学领域也同样具 有一些作用( r e n k l ，2 0 0 9 ) 。用整合的方式呈现教学内容比用单独文本呈现内容的结 果好一些( z e y n e l ，2 0 0 7 ) 。认为学习材料先分段呈现再整体呈现更适用于没有先前知识经 验的学习者( p o l l o c ke ta 1 ，2 0 0 2 ) 。工作记忆中的信息加工认为插图能够帮助学习者很 快地搜集信息，从而避免从文中或长时记记忆中提取信息，减轻工作记忆的负担( 杨震， 2 0 0 3 ) 。从物理及数学基础知识、元认知能力、物理问题表征的这些因素上来看，物理 问题表征是问题解决的最关键部分，问题表征的水平则对问题解决有直接的影响。 9 2 问题提出 2 问题提出 2 1 以往研究中存在的问题 综上所述：以上国内外的研究资料看出，关于工作记忆的研究非常的丰富，涉及方方 面面，比如影响工作记忆的因素，工作记忆与智力的关系，并对各种推理有极大的相关，是 认知的核心，并影响问题的解决，我们知道问题解决的水平是我们所最关心的事情，尤其对 于学生来说，学习知识的目的是为了应用，去解决实际遇到的各种问题但是关于工作记忆 影响学生问题解决的主要是几何，数学，化学和语文方面的，而涉及初中物理问题解决的却 很少。 其次关于工作记忆与概念表征的关系也不明确，但是相关的研究表明过工作记忆影 响认知的加工，而物理概念是物理学习的重点和难点，是物理思维的工具，又因物理的概念 具有抽象性，在一定的阶段学生只能达到一定的表征水平，而不可能完全的本质的理解。 相关研究表明学优生和学差生的概念表征的水平差异显著。同时在物理概念表征的过程 需要大量的逻辑推理和验证，而工作记忆广度与推理极其相关，所以可以推想工作记忆 广度影响物理概念表征水平的假设，并用实验去验证。 再次相关研究证明概念表征的水平影响问题的解决主要涉及几何，代数和化学等学 科，而关于物理概念表征水平与问题解决的关系研究很少 最后，从认知资源有限的理论上分析，认知负荷直接影响问题解决的效果，而影响认 知资源的主要因素包括工作记忆广度，知识结构的水平以及是否有图示的标注等等。大 量的研究已经证明问题解决在有图示的条件下可以减轻认知负荷的负担，从而促进问题 的解决。所以本文从视空间工作记忆广度，概念表征和有无图示条件与物理问题解决的 关系的研究。 2 2 研究的目的与意义 本研究为了探讨工作记忆广度和物理概念表征之间的关系，同时在以往研究工作记 忆与问题解决和概念表征与问题解决之间关系的基础上进一步探讨工作记忆广度和物 理概念表征是如何影响解决的效果。 工作记忆广度，物理概念表征对问题解决的影响 2 2 1 理论意义 首先关于工作记忆的研究已相当的广泛，其中工作记忆广度影响数学问题和化学问 题的解决已被验证，本研究进一步拓宽了工作记忆广度对物理问题解决的影响其次对工 作记忆广度对物理概念表征影响的研究还不多，通过试验验证表明工作记忆广度和概念 表征呈显著的正相关，丰富了工作记忆的研究领域最后关于工作记忆广度和概念表征又 是如何影响问题解决的验证，这样组合在一起分析，出现了交互作用，比单独的单因素分析 获得更多的信息，同时也可验证认知资源和问题解决的关系，在认知资源充足的情况下可 以促进问题的解决，而认知资源不足时影响问题解决的重要原因之一。 2 2 2 实践意义 首先如果研究假设得到验证，可以为物理教学过程中提供一些建议，因为学习知识的 目的是为了问题解决，那么影响问题解决的因素很多，包括知识结构，动机，情绪，感知方式， 定势，功能固着，问题表征，智力，等等。那么我们可以从学生的内部因素分析，从工作记忆广 度和知识结构两方面来提高学生的问题解决的水平在工作记忆广度一定的情况下，可以 加深知识结构的表征水平，提高每一个工作记忆单位的容量，从而增加了可利用的认知资 源，促进问题解决，其次对工作记忆广度偏低的学生也可以从工作记忆广度训练的方向上 来提高工作记忆广度，从而增加可以利用的认知资源，来促进问题的解决最后，还为教师 的教育工作提供借鉴，如何因材施教，对待不同的学生其标准应该不同。 2 3 研究构想 ( 1 ) 工作记忆广度与物理概念表征有显著的关系。 ( 2 ) 物理概念表征如何影响问题的解决。 ( 3 ) 工作记忆广度和物理概念表征的水平又是如何影响问题的解决的。 2 4 研究假设 ( 1 ) i 作记忆广度的高低影响物理概念表征的深浅。 ( 2 ) 工作记忆广度和物理概念表征对问题解决影响的主效应显著。 ( 3 ) 工作记忆广度和物理概念表征对问题解决的影响随问题难度的变化而变化， 并会出现交互作用。 ( 4 ) 在同等难度的问题下与有图示，无图示的条件，工作记忆广度高低和概念表 1 2 2 问题提出 征深浅对问题解决的影响会随问题难度的变化表现出不同的效果。 3 研究过程 3 研究过程 3 1 研究一工作记忆广度与物理概念表征的相关研究 3 1 1 实验目的 为了验证工作记忆广度与物理概念表征有显著的正相关。 3 1 2 实验假设 工作记忆广度的高低影响物理概念表征的深浅。 3 1 3 实验方法与程序 3 1 3 1 被试选取 汝州二中初三年级的二个班级的学生，共计1 6 5 人，分别进行视空间工作记忆广度测 量和物理概念表征深浅的测试，获得有效的测试结果1 6 0 人，筛除无效的结果5 人。 3 1 3 2 实验设计： 本研究分别以视空间工作记忆广度高低和物理概念表征深浅为自变量和因变量进 行t 检验和相关分析。 3 1 3 3 实验材料和工具 电脑3 0 台，测试视觉一空间工作记忆广度的程序；物理概念表征测量的问卷；物 理问题解决的试卷。 ( 1 ) 工作记忆广度测验：视觉一空间工作记忆广度根据刘昌设计的旋转广度自编测验材 料。测验题目是向被试呈现变换了角度的字母r 或者反写r 其角度变换有七种。字母顶 端的朝向分别是：左；右；左上；右上；左下；右下和下。整个测验中正写r 和反写r 、 以及字母顶端朝向七个方向呈现的机会均等。加工任务是让被试判断字母r 是正写还是 反写，储存任务是让被试按呈现顺序回忆出字母顶端的方向。同样，题目分成不同的组， 每组中包含题目的数量范围为2 6 个以对应不同的广度，每个广度有三套同质的测验， 正式测验总共是6 0 个题目。 工作记忆广度，物理概念表征对问题解决的影响 视觉一空间工作记忆广度的指导语：“开始测量时，电脑屏幕显现出不同方向的数 字，同时有一个箭头来表明方位，5 秒钟呈现出下一个数字。在一段数字呈现后，需要在 电脑上回忆出箭头的方位顺序，时间是2 0 秒钟，随后点击空格键进入下一组题目的测试。 首先需要在电脑上练习到熟练为止，然后开始正式的测量。 记分方法：电脑自动计分，共六个等级，分别代表1 6 得分。 ( 2 ) 物理概念表征测量： 根据以往的概念表征的测量是通过调查问卷的形式来测量的，而关于物理概念表征 的测量没有相关的研究，本文根据认知心理学的分类标准把物理概念分类为深层和浅层 表征。结合多年有经验的物理一线教师的总结自编物理概念表征测量问卷。 a 卷：结合初中物理的学科特点，对初二电学概念：电阻，电压，电流，电能和电功 率按照文字表述；字母公式；物理含义；举例分析的表征水平列为浅层表征；代表对同 一概念四个层面的理解水平，测量方式采取每回答出对概念表征的一种方式就记0 5 分， 共计1 0 分。得分越高就表示对概念表征的方式越多。 b 卷：测量这些概念群之间的内部关系，这样的表征水平列为深层表征。计分方式： 每回答出一种代表五个物理概念之间关系的表征记2 分，共有5 种代表物理概念之间内部 关系的表征水平，合计1 0 分。得分越多表示对概念之间的内部关系表征越深。但是结合 实际发现被试之间在浅层表征得分的差异没有在深层表征的差异显著。进一步分析也没 有发现在深层表征得分高而在浅层表征得分低的被试，这也符合认知心理学的观点：对 概念的浅层表征是深层表征的基础。所以在本文中合并同一被试对概念的浅层表征和深 层表征的得分。那么得分的高低就代表对概念表征的深度和广度，同时也就转化为把得 分低的被试代表概念表征浅；得分高的被试代表对概念表征深。 物理概念表征测量的信度和效度验证：本试卷的编制是根据心理学对概念表征的分 类，结合物理学科的特点，把那些表征方式( 包括：文字，符号，例子，图像，定义等) 主要反映单个概念特征的表征方式定义为浅层表征。把反映概念之间的内部关系的表征 方式定义为深层表征。通过多个一线有经验的物理教师评价标准来确定。同时结合对初 三学生的面谈，修订问卷的测试内容。最后，将该问卷交与当地任课教师进行分析与评 价后，随机抽取好、中、低各2 0 名初三学生进行预测问卷，发现一些问卷试题的区分度 问题，然后对问卷进行适当修改，最后征求专家和导师的意见，认可问卷的信度与效度。 3 1 3 4 实验程序 3 研究过程 先对1 6 5 名初三学生进行视空间工作记忆广度测量和物理概念表征试卷的测试，然 后分别以每个变量作为自变量和因变量，对另一个变量进行t 检验，最后对两个变量进 行相关分析。 3 1 3 5 数据处理 采用s p s s l 6 0 对