（发展与教育心理学专业论文）高中生解决结构良好与结构不良物理问题表征及策略的差异.pdf

摘要 问题解决是人类与环境的一种基本交流方式，人们在日常生活和学习中主要 通过信息交流和问题解决获取知识，发展智慧。学生的学习也主要是一种学科问 题解决的过程。问题解决在教与学两方面的重要作用，已得到普遍共识。各个国 家的课程标准中都提出要培养学生的问题解决能力。强调教师要更多地了解学生 在解决问题的过程中是如何获取知识和运用知识的，进而提高教学的针对性和有 效性。 认知心理学关于问题解决的相关理论经过多年的研究，在问题解决的心理机 制、问题表征、策略获得、元认知监控等方面取得了丰硕成果，但以往问题解决 的研究主要集中在结构良好问题中，在结构不良问题领域内的研究很少，结构不 良问题解决的研究近几年才开始得到关注。结构不良物理问题在现实生活和工作 中普遍存在，因此研究结构不良物理问题有一定的理论意义和实践意义。 本文在以往研究的基础上，以认知心理学中信息加工理论为指导，采用认知 作业法和口语报告法，探讨了高一学生解决结构良好与不良物理问题表征和策略 的异同，研究结果表明： l 、高一学生在结构良好与不良物理问题解决中表征和策略使用上存在显著性 差异；高一学生在结构良好物理问题中完全表征率高；在结构不良物理问题中的 完全表征率低；结构良好物理问题比结构不良物理问题的表征深入完整。 2 、高一学生在结构良好物理问题中多是正向推理策略，在结构不良物理问题 中多使用逆向推理策略。 3 、通过对认知作业中错误的定性与定量分析，说明了结构良好物理问题的表 征错误主要集中在物理表征阶段和数学表征阶段，结构不良物理问题的错误主要 集中在朴素表征阶段。 关键词：高中生；结构良好：结构不良：问题表征；策略 a b s t r a c t p r o b l e m s o l v i n gi s ab a s i cw a yi nw h i c hh u m a nb e i n g sc o m m u n i c a t ew i t ht h e e n v i r o n m e n t p e o p l ea c q u i r ek n o w l e d g ea n dd e v e l o pi n t e l l i g e n c em a i n l yt h r o u g h i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t ea n dp r o b l e m s o l v i n gi nt h e i rd a i l yl i v e sa n dl e a r n i n g t h e s t u d e n t sl e a r n i n gi sa l s oak i n do fp r o c e s so fp r o b l e m s o l v i n g i nt h ec o n t e x to ft h e c o u r s er e f o r m o ff o u n d a t i o n a le d u c a t i o n , i th a sb e e nag e n e r a lc o n s e n s u s t h a t p r o b l e m s o l v i n gp l a ya l li m p o r t a n t r o l ei n t e a c h i n ga n dl e a r n i n g t e a c h e r ss h o u l d u n d e r s t a n ds t u d e n t sh o wt oo b t a i na n da p p l yt h ek n o w l e d g ei nt h ep r o c e s so f p r o b l e m - s o l v i n g , a n dt h u si m p r o v et h ep e r t i n e n c ea n de f f e c t i v e n e s s o ft e a c h i n g c o g n i t i v ep s y c h o l o g y h a da c h i e v e d m a n y r e s u l t si n m a n ya s p e c t s o f p r o b l e m - s o l v i n g , s u c ha sm e n t a lm e c h a n i s m ，p r o b l e mr e p r e s e n t a t i o n s ，s t r a t e g y o b t a i n i n g , m e t a c o g n i t i v e e t c h o w e v e r ,m a n y r e s e a r c h e sc o n c e n t r a t e do i l w a l l s t r u c t u r e d p r o b l e mb u t t h e r ea r er a r e l yr e s e a r c h e so ni l l s t r u c t u r e dp r o b l e m 1 1 1 - s t r u c t u r e dp h y s i c a lp r o b l e ma r ep r e v a l e n ti nd a i l yl i f e , t h es t u d yo fi l l - s t r u c t u r e d p h y s i c a lp r o b l e m s o l v i n gh a sc e r t a i nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e o nt h eb a s i so f p r e v i o u ss t u d i e sa n dt h ed i r e c t i o no fi n f o r m a t i o n - p r o c e s s i n gt h e o r y o ft h ec o g n i t i v es c i e n c e ，w es t u d i e dt h ec o r ea s p e c to fp r o b l e m - s o l v i n go fs e n i o rs c h o o l s t u d e n t s n a m e l y , t h i ss t u d y r e s e a r c h e ds e n i o r s c h o o ls t u d e n t s d i f f e r e n c eo f r e p r e s e n t a t i o n a n d s t r a t e g i e s i nw e l l s t r u c t u r e d a n di l l s t r u c t u r e d p h y s i c a l p r o b l e m - s o l v i n gb ye m p l o y i n gc o g n i t i v ep r o d u c t i o na n a l y s i sa n dp r o t o c o la n a l y s i s m e t h o d ，t h es t u d yo b t a i n sf o l l o w i n gr e s u l t s ： 1 t h ed i f f e r e n c ei ss i g n i f i c a n ti np r o b l e mr e p r e s e n t a t i o nb e t w e e nt h eg r a d e1s e n i o r s t u d e n t si nw e l l s t r u c t u r e da n di l l s t r u c t u r e dp h y s i c a lp r o b l e m s o l v i n g ；t h en u m b e ro f r e p r e s e n t a t i o ne n t i r e l y s t u d e n t sa les i g i l i f i c a n tm o r ei nw e l l - s t r u c t u r e dp h y s i c a l p r o b l e m - s o l v i n gt h a ni ni l l s t r u c t u r e d t h ep r o b l e mr e p r e s e n t a t i o nw a sm o r ef u l l ya n d e n t i r e l yi nw a l l s t r u c t u r e dt h a ni ni l l s t r u c t u r e dp h y s i c a lp r o b l e m - s o l v i n g 2 t h ep o o rs t u d e n t sp r o b a b l ym a i n l yu s ot h ec o n v e r s i n gr e a s o n i n gs t r a t e g i e so r t e n t a t i v er e a s o n i n gs t r a t e g i e s w h i l ee x c e l l e n ts t u d e n t sp r o b a b l ym a i n l yu s et h ec o n c e p t o rs c h e m ad r i v e np o s i t i v er e a s o n i n gs t r a t e g i e so rt h es c e n ec o n s t r u c t i o ns t r a t e g i e s 3 b yq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f t h em i s t a k e so fc o g n i t i v ep r o d u c t i o n ， t h ec o n c l u s i o ni sd r a w na st h a tt h em i s t a k e sm a i n l yc o n c e n t r a t eo ns c i e n t i f i c r e p r e s e n t a t i o na n dm a t h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o ns t a g e s i nw e l l s t m c n l r c d p h y s i c a l p r o b l e m - s o l v i n ga n dt h en a v er e p r e s e n t a t i o ni ni l l - s t r u c t u r e dp h y s i c a lp r o b l e m - s o l v i n g k e yw o r d s ：s e n i o rs c h o o ls t u d e n t s ； p r o b l e mr e p r e s e n t a t i o n ； w e l l s t r u c t u r e d ；i l l - s t r u c t u r e d ； s t r a t e g y 1 1 1 芙子学位论文独立完成和内容饿新的声明 本人向河南大学捉虫硕士学位串请。本人郑重声明：所至交酌学位论支是 本人在导师锏辖导下独立完成的，对所研究的课题有新韵见解。据我所知，除 文哼特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文串不包括其他人已经发表或撰 写过酌研究成果，也不包括其他人为获得任何敏育、科研执构酌孝位或证书而 使用过的材料。与我一同工作酌l i 8 事对本研元所徽酌任何贾敲均已在论文宁作 了明确酌说明并表示了谢意。 学饭牵请入( 学位论文榨者) 釜名：孟苹耻 2 0 呵牟乡月岁目 芙手学位论文著作权使用授权书 本人经河南大孝审核批准嫒予硕士攀位。作为喾往论文酌作者本人完全 了解并同意河南大孝有关保留、使用学位论丈的要求，即河南大学有权向园家 圈书馑、科研信龟出构、欺据收集机构和本校匿书螺等提供学位论文( 臧质文 本和电子文本) 以供公众捡囊、奎阗。本人授权河南太孝出于宣扬、展宽学校 攀术发展和进行学术交流等目的，叮以采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇弦i 学位论文( 婊质支表和电子文拳) ( 涉及保密内容的学位论文在蜉密后连用本授极书) 学位莰褥者( 学位论文锋者) 釜 学位论文指导教师釜 己i 言 ji 口 人的成长过程可以说是一个不断发现问题、解决问题的过程，问题解决是人 类与环境的一种基本交流方式，人们在日常生活和学习中主要通过信息交流和问 题解决获取知识，发展智慧。无论是今天身在学校，还是将来步入社会，人们都 会面临各式各样的问题，要使人们能够把学习中获得的知识迁移到现实问题的解 决之中，就有必要了解学生的问题解决活动过程，探究其解决问题的规律。 在传统的学校教育中，学校所教授的都是经过简化处理了的结构性知识，注重 抽象的概念和规则的学习，将问题解决看作是概念和规则的应用，从未将问题解决 作为直接的教学目标。教学中呈现给学生的问题都是单一的、结构良好的问题， 这类问题结构明确，只要对已有信息充分理解，并采取特定的解决步骤，就可以获 得相应的确切答案。而自然情境中的问题要复杂得多，并不是简单的信息提取、组 织和方法实施就能解决的。教学过程中引入问题主要是为了复习巩固和评估所学 的知识，解决问题是巩固知识和获取新技能的手段，也就是说现有学习中的问题解 决仅是已有知识的应用过程，这样学到的很多知识都变成了“惰性知识，忽视了 知识的情境性和复杂性。只有重视学生在学习中遇到的问题与今后生活、工作中 将要面临的大量存在的结构不良问题的一致性情境的创设，通过知识学习来训练 思维，在解决结构不良问题的同时获取知识，通过让学生体验不同的真实问题情 景，来学习结构不良问题的解决技巧，发展解决问题的能力，才使得问题解决具有 学习的性质，也使得学习具有更加实际的效果。 目前学生学习中解决的问题几乎都是结构良好的，所谓结构良好问题是指初 始状态、目标状态和算子都很明确的问题。如：某导体的电阻是2 欧姆，通过2 安的电流时，1 分钟产生多少焦耳的热量? 初始状态是电阻2 欧、电流2 安，目标 状态是1 分钟产生多少焦耳的热量，计算规则是：电流通过导体产生的热量与电 流的二次方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。这个规律即是焦 耳定律( j o u l el a w ) ，数学表达式是q ：1 2 r t 。然后把各个物理量代入，即可得到 唯一的确定答案。结构不良问题是初始状态、目标状态和算子至少有一个是不明 确的问题，如：如何写一篇论文? 这里的算法是不明确的，可以有多种方法得到 结果。 人们实际遇到的问题，比如排除一项机械障碍、对某商品进行宣传、对患者病 情做出诊断以及做一项决策等等，几乎都属于结构不良问题。而学校教育的关注 点还集中于结构良好问题，这就造成了学校教育与社会需求之间的脱节，使学生很 难适应社会发展的要求。因此，我们在这里探讨物理学科中结构良好问题与结构 不良问题解决的机制有什么不同，为结构不良问题解决教学提供一些理论基础。 2 第一部分文献综述 1 结构不良问题及其特点 1 1 结构不良问题 r e i t m a n ( 1 9 6 5 ) 首次从认知心理学的角度区分了结构良好问题( w e l l s t r u c t u r e d p r o b l e m s ) 和结构不良问题( i 1 1 s t r u c t u r e dp r o b l e m s ) ，前者是初始状态、目标状态和算 子都很明确的问题，问题的这些部分叙述得越精确，那它的结构也就越清楚，反 之则比较模糊。因此从这三部分是否明确角度，可以区分为结构良好的问题和结 构不良的问题。例如证明几何定理，这类问题的条件是明确限定的，解法是确定的， 只应用有限数量的规则和原理，就会得到确定的答案。结构不良问题则是上述三者 至少有一个没有明确界定的问题。结构不良问题的成分是未知的，问题空间的结构 不明确。一般说来有三种情形：或者已知条件明确，目标要求不明确；或者已知条 件不明确，目标要求明确：或者已知条件、目标要求都不明确。例如，毕业论文的 设计，进行一项问卷调查等，日常生活中的大部分问题都是结构不良问题。 1 2 结构不良问题的特点 结构不良问题的主要特点是：( 1 ) 界定不明确，问题的结构空白j 存在未知或某种 程度的不可知部分：( 2 ) 目标界定含糊不清，缺少限定；( 3 ) 具有多种解决方法、途径 或根本不存在解决方法，即通常没有唯一的标准答案；( 4 ) 各种解决方法从不同角度 都有一定的合理性；( 5 ) 要考虑的因素很多，可能涉及到多学科知识；( 6 ) 一般来说 没有直接的案例可供参考；( 7 ) 不能确定哪些概念、规则和原理对形成解决方案来 说是必需的，又如何将它们组织起来；( 8 ) 概念、规则和原理三者之间的关系在案例 间的应用各有其特定性；( 9 ) 对描述或预知大多数案例没有一般性的规则或原理： ( 1 0 ) 需要学习者表达个人对问题的观点，因而结构不良问题解决的过程是一种独特 的人际互动过程；( 1 1 ) 需要学习者对问题做出判断，并说明理由。 1 3 结构不良物理问题与结构良好物理问题的含义 3 在已有的文献中，尚未找到对“结构不良物理问题 这一名词完整一致的表 述。而在学科教学和实际生活中，结构不良物理问题的确广泛存在，因此，有必 要对它假以概念性质的描述。界定“结构不良物理问题一，需要综合考虑结构不 良问题的基本特征以及物理领域的学科特征。结构不良问题的基本特征之一是在 结构上具有不确定性，即问题的一个或多个侧面不明确。比如有可能是问题的初 始条件不明确、不充分；也可能是问题的目标不明确；或者问题的初始条件和目 标都不明确。其特征之二是结构不良问题在解法上具有不确定性，即这种问题常 常没有可以预见的、唯一的标准答案，而是有多种解决途径和方案，从不同的角 度来看，各种答案都有一定的合理性。因此，我们把“结构不良物理问题 定义 为：物理学领域内出现的结构不明确、问题描述比较含糊、给定信息不完全、解 决途径不固定、答案可能不唯一的问题。我们给结构不良物理问题的操作定义要 满足以下几点：( 1 ) 问题的情景比较复杂；( 2 ) 问题的描述比较含糊：( 3 ) 给定信息不 完全；( 4 ) 认知目标不确定：( 5 ) 解题方法不确定。现实生活的真实情境中出现的物 理问题、将物理知识运用到解释真实情境中具体问题时面临的问题等等，凡是具 备上述特征的问题都属于结构不良物理问题。 与此相对应，结构良好的物理问题是指脱离了具体的生活实际，只有抽象的 物理原理( 如忽略摩擦力、忽略大气阻力等) 的问题、问题给定的条件充分、所 要达到的目标明确，只运用少数的规则和原理就可以得到明确的答案。 1 4 结构不良物理问题的特点 首先，结构不良物理问题具有相对性。 “结构不良 和“结构良好一是相对于问题解决者的认知水平而言的，专家 面临复杂问题常常能够很容易地辨别出他当前所处状态与目标之间的差异，能迅 速抓住问题的关键，理清问题空间，而新手往往不能立刻理清问题头绪并因此感 到无所适从。比如同一道物理题，对一位物理专家来说，可能不是问题，但对于 高中生来说它可能就是结构不良物理问题；同样，对于一些学习较优秀的学生来 说，可能是结构良好问题，但对学习较差的学生可能就是结构不良问题。 4 其次，结构不良物理问题具有不确定性。 结构不良物理问题的不确定性首先表现在其问题结构的不明确，问题目标也 可能不那么明确，以致解决者在某种程度上无所适从，不知道应该朝哪个方向前 进。或者即使有最终的目标，当前也无法找到直接指向目标的算子。结构不良物 理问题的不确定性还表现在问题本身常常呈现出不同的侧面，由于个体经验背景 的不同，不同个体看待问题的角度会有所不同，以致问题解决的途径常常大不相 同。例如，同一个力学问题有些人从牛顿定律的角度看待这一问题，有些人则从 能量的角度对此加以分析。视角不同常常导致解题路径的不同，因此，结构不良 物理问题可能没有唯一正确的答案，这是其不确定性的又一表现。 第三，结构不良物理问题具有复杂性。 结构不良物理问题的复杂性表现在这类问题往往涉及到具体的真实情景的限 制。当我们运用物理知识去解决现实中的问题时，当前的现实问题就变成了结构 不良的物理问题。现实问题的解决通常涉及到多学科知识的交叉，原有的物理知 识在真实环境中往往要受到多种条件的限制，问题解决者要考虑到学科知识的关 联和现实情景的限制才能顺利的解决问题。涉及到的相关的学科知识越多，问题 就变得越复杂。 2 问题表征的研究 2 1 问题表征的界定 认知心理学家将信息在头脑中的呈现方式称为表征( r e p r e s e n t a t i o n ) 有两方面 的含义：信息和信息表征。一方面，表征需要以信息为载体才能实现，它的形式 和内容都离不开信息；另一方面表征的过程即为信息的转换过程。问题的表征则 是问题解决者在头脑中以某种理解来呈现问题，使问题的任务领域( t a s kd o m a i n ) 转化为问题空间。表征是问题解决的一个中心环节，它说明问题在头脑里是如何 呈现、如何表现出来的。 h a s i m o n ( 1 9 7 2 ) 认为问题表征( p r o b l e mr e p r e s e n t a t i o n ) 问题解决者在头脑 中以某种理解来呈现问题，使问题的任务领域( t a s kd o m a i n ) 转化为问题空间 ( p r o b l e ms p a c e ) 过程，是问题解决者对一个问题所达到的认知状态。表征是问题 解决的一个中心环节，它说明问题在头脑里是如何呈现、如何表现出来的。如果 一个问题得到了正确表征，可以说它已解决了一半。 邵瑞珍( 1 9 8 5 ) 等人认为表征分为两个层次：一个是字面表征，指问题解决 者逐字逐句读懂描述问题的每一个句子；另一个是深层表征，指在表层理解的基 础上，进一步把问题的每一陈述综合成条件、目标统一的心理表征。 皮连生( 1 9 9 8 ) 认为表征分为心理表征和外在表征。前者是内部的主观表征， 后者是外部的客观表征。其中外在表征有：将问题写下来、化简图、列示意图等。 一般来说，问题解决者在明确问题之后的首要工作就是要对问题进行正确的表征。 表征在整个问题解决过程中占据着举足轻重的地位，没有表征就没有问题解决活 动的顺利完成。 z h a n gj i a j i e ( 1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) 通过实验研究发现，问题的外部结构( 物理符号、 外部规则、约束条件和边界关系等) 与情景不只是对内部意识的输入和刺激，它 具有独立于内部表征的作用。外部表征是问题情景的成分和结构，它能以图表、 照片或书写文字等多种形式出现，外部表征主要依靠对这些外部表征信息的觉察 来完成问题解决。外部表征激活知觉操作，觉察问题结构从属的结构类型，形成 对问题前景的预见和认知偏好；内部表征主要激活深层认知操作，即认知机制， 经过想象、推理等过程形成对问题的内部表征和预见、偏好，影响问题行为的选 择。 傅小兰等( 1 9 9 9 ) 的研究表明，问题表征经历三个阶段：问题信息的搜索和 提取、理解和内化、隐喻约束条件发现。信息的搜索和提取是一个知觉过程，这 种知觉过程需要言语知识及言语理解能力、专门知识及问题解决经验的支持；理 解和内化是对觉察到的信息的深加工，它需要知识基础、思维能力和问题解决技 能，隐喻约束条件发现与更丰富知识基础、联想能力和创造能力有关。在具体的 问题表征中，个体难免出现信息遗漏、信息误解和隐喻干扰等现象，因此会导致 对问题表征的不完整和不正确。 6 2 2 数学学科关于问题解决中的表征研究 俞平( 2 0 0 2 ) 为图形和图解在数学问题解决中占有非常重要的作用。由于数学 知识本身的特点，视觉表征、空间表象等对数学问题的解决尤为重要。 纪桂萍( 1 9 9 6 ) 等把数学问题的心理表征分为形象表征和抽象表征。形象表 征包括操作材料、图画模式以及声音语言或书面符号，抽象表征是指一种比较抽 象方式，如概念、定理、命题等。形象表征和抽象表征共同构成一个完整的表征 系统。其中形象表征有助于减少记忆负荷，以简化复杂关系的形式对信息进行编 码和处理。一个好的形象表征可以帮助学生形成有效的抽象表征，从而了解问题 的实质和关键，完成问题的解决。 d i x o n m o o r e ( 1 9 9 7 ) 在研究大学生直觉表征对数学解决策略选择的影响 时，提出了两种表征：原理表征( p r i n c i p l er e p r e s e n t a t i o n ) 和综合表征( i n t e g r a t e d r e p r e s e n t a t i o n ) 。原理表征是按照某种特殊原理来表征问题。综合表征是指一种整 体的方式表征某个领域中问题的关系。它把评价功能和反应功能连接在一起。个 体在解决问题时，通过外显地使用原理，来评价和选择数学策略。因此，数学原 理的掌握是学生选择数学策略的前提，原理表征方式能促进学生对策略的理解和 加工。 s i c g l c r ( 1 9 9 8 ) 认为在数学问题解决中包含两个相互作用的部分：表征和操作。 许多学生都具有解决数学问题的技能，但无法将这些技能迁移到应用题中，这是 因为他们在问题表征上存在困难，而在问题操作上不存在困难。 d c b e l l i s ，g o l d i n ( 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ) 等认为数学心理表征是将问题从文字形式转 换成有意义的图解形式的过程和能力，它包括符号建构、数学概念意义的建立、 视觉图式、空间图式和策略启发过程，这些表征形式虽具有高度的结构性，心理 表征还包括情感因素，可促进或阻碍对数学问题的理解。 辛自强( 2 0 0 2 ) 根据对小学数学应用题的研究，提出数学问题的解决包括表 征和解题计划执行。表征是问题解决的第一步；表征之后，进入问题解决阶段， 就是执行一系列的解题程序或策略。表征影响策略的选择。表征过程与策略选择 7 和执行过程都以工作记忆为平台。问题本身的关系复杂性包分为水平复杂性和垂 直复杂性，这两者有分别制约表征的深度和广度。表征的深度是能理解问题关系 的最高层次，表征广度是同时表征同一层次关系的数量。表征的深度和广度合称 为表征复杂性。而表征复杂性的不同表明选择不同的解题策略，表征比较复杂， 就选择快捷的解题策略。 2 3 化学学科关于问题解决中的表征研究 h e r r o n ( 1 9 8 3 ) 在对化学问题表征的研究表明，专家在解决化学问题时依靠自 然法则，用符号来表征化学事件；新手则脱离物质世界的客观实际，用死记硬背 来解题。而g r e e n b o w e ( 1 9 8 3 ) 对学生解决化学计算题的思维过程进行了研究，得 出了与h e r r o n 相似的结论。 j o h n s t o n e ( 1 9 9 1 ) 认为，化学问题解决过程中的表征主要有三个不同水平。 第一个是宏观水平表征，表征感知可视的化学现象；第二个是微观水平表征，是 在原子或分子水平上理解化学现象；第三个是符号水平的表征，指用化学式或化 学方程式来表征物质或物质的变化过程。研究表明，学生一般无法实现这三个表 征水平之间的自由转化。 s m i t h & m e t z ( 1 9 9 6 ) 以3 7 名本科生为被试，采用物质和化学反应为内容， 研究微观水平表征对学生学习和解决有关内容的影响。结果表明，有一些被试虽 然在表面上可以顺利地解决化学问题，但是当要求他们进行微观表征时还是出现 了不同程度的错误。 y e h u d i t & m i r a ( 2 0 0 3 ) 认为除了j o h n s t o n e ( 1 9 9 1 ) 所提出的三种表征之外， 还有另外一种表征，即过程表征。并认为问题的难度与表征之间有密切的联系。 在化学问题解决过程中，如果能够在一个系统中确定问题的不同维度并确定每个 维度的值，就能够确定问题的难度了。 黄巍( 1 9 9 4 ) 研究了大学生中优差生解决有机合成的问题表征差异，表明大 学生解决有机合成问题的表征有三种：符号表征、方法表征和机理表征。优生能 灵活运用三类表征，特别是运用机理表征抓住问题的关键，进而采用方法和符号 8 表征解题；差生停留在符号和方法表征上，较少采用机理表征。在表征的差异研 究中，实验得出优、差生在有机化学领域，知识的总量和知识结构存在较大的差 异。差生的知识缺乏组织，甚至混乱，包含许多孤立的定义和对概念的片面的、 甚至是错误的理解。优生的知识结构具有结构化、层次性，因而使他们对知识的 提取速度快，并且能与问题情景相匹配，从而有助于对问题的正确理解和解决。 程萍，李广洲( 2 0 0 1 ) 等认为：化学问题的表征从形式上看可以简单地分为 两种，一种是内在表征，即在头脑中考虑问题；另一种形式是外在表征，即将问题 以文字、图表、模型等具体的东西表示出来。外在表征以内在表征为基础。 2 4 物理学科问题表征的研究 国外关于物理问题解决的研究起步较早，已经取得了丰硕的研究成果， d e r m o t t & l a r k i n ( 1 9 7 8 ) 在研究物理问题解决的表征时，提出按层次由低到高的顺 序可把问题表征分为四步： 第一步：文字表征( 1 i t e r a lr e p r e s e n t a t i o n ) 。文字表征主要与问题的文字描述有 关。 第二步：朴素表征( n a t i v er e p r e s e n t a t i o n ) 。朴素表征与日常生活经验及具体物 体有关，也是对真实世界的表征。若问题解决者受生活现象的影响而停留在此表 征层次，则容易产生物理前概念； 第三步：科学理论表征( s c i e n t i f i cr e p r e s e n t a t i o n ) 或。物理”表征。物理表征 产生于问题解决者对抽象物理概念的理解，该表征含有理想化的物体以及相应的 物理概念及其概念间的相互关系，是产生代数表征的基础( 力、能量、功、动量 和能量定理等) 。 第四步：数学表征( a l g e b r a i cr e p r e s e n t a t i o n ) 。其中，数学表征则与问题的物理 公式或有关推导有关，这主要与问题解决者使用的数学工具有关。 这四个阶段也是逐渐从问题的外部信息深入到内部结构的过程。文字表征阶 段，是关于问题文字描述的理解，通俗讲就是读懂问题。朴素表征阶段，是根据 问题的表面特征和生活经验对问题整体结构和框架的理解。含有问题所提及的物 9 体，相互的空间关系以及整个问题情境的概括，其实就是题目描述的物理情景在 头脑中完整地再现。物理表征中含有理想化的物体以及相应的物理概念和物理规 律；是“透过现象看本质 的阶段，将问题与物理原理、规律联系起来，是对问 题深层特征的把握。在该层次，若问题解决者对物理概念或原理的理解有误则会 产生错误的物理表征。数学表征，是用数学公式表征物理规律以及运用它们进行 数学推导的过程。这与问题解决者所使用的数学工具有关，可以反映问题解决者 的数学功底。 l a r k i n ( 1 9 8 1 ) 认为无论是专家还是新手，都能对问题产生言语表征，为了定 量的解决问题，他们都必须写出一些公式，即使用代数表征。然而专家解题时总 表现出在言语表征和代数表征之间存在另外两个中介表征，但新手则常是从言语 表征去构建方程。他们通常是越过物理表征，直接列出一系列的方程。 廖伯琴和黄希庭( 1 9 9 7 ) 对物理表征动态体系和产生表征的因素进行了多角 度研究，证明l a r k i n ( 1 9 7 8 ) 的表征层次假设对高中学生物理问题的解决同样有效。 邓铸( 2 0 0 3 ) 博士按照实际材料所反映的情况和他的理解，提出问题解决的 表征态理论( r s t ) ：问题解决就是问题解决者对问题的表征状态不断发生变化的 过程，这一变化过程具有非线性的、连续的和静态与动态结合的特征。中学生物 理问题解决是问题表征态不断变化的过程，它可经历无表征态、外部表征态、初 级内部表征态、低级范畴性表征态、高级范畴性表征态和符号化表征态。这些表 征态未必是按照某种确定的顺序出现，而是形成多种不同的变化模式。他更倾向 于，问题表征不只是一个环节和阶段，而是一个贯穿问题解决过程始终的认知过 程。 3 问题解决策略 3 1 问题解决策略的界定 从一般意义上理解，策略( s t r a t e g y ) 是指根据活动的特点及其变化而制定的 行动方针和活动方式。另外，它也可以解释为一种具有系统规则的、有一定方向 性的、较高级的内部指导方法或途径。问题解决的策略则是为了解决特定问题而 i o 制定的行动方案，它也可以理解为我们平常所指的解决问题的方法。 现代认知心理学从信息加工论的角度来考察问题解决的，不同的研究者给出 了不同的界定。梁宁建( 2 0 0 3 ) 认为问题解决思维策略是指一个人在行动之前， 行为之中所进行的某种心理活动或问题解决的计划。b j o r k l u n dd j ( 1 9 9 0 ) 认为从 过程的角度看，问题解决思维策略是一种目标指向的程序，影响后续的认知操作； s r t u b e g ( 1 9 8 9 ) 认为从知识背景的角度看，问题解决思维策略构成一种知识，一 种特殊的程序性知识。 我们把物理解题策略的内涵界定为，中学生在解答物理问题的整个过程中， 为了提高解题的效率和准确性，为了使解题程序向新问题迁移，而有意识采用的 借以明确目标，思考假设，选择、调整和审视解决问题计划的方针和原则。 3 2 数学学科关于问题解决中的策略研究 梁宁建( 1 9 9 7 ) 在对专家和新手解决初中代数、几何问题的认知过程研究中 发现：新手在解决问题时不是从记忆系统中搜索线索，而是把问题的外部线索罗 列出来，然后运用定理、公式去进行推理。而专家解题时，主要从认知结构或记 忆系统中搜索规则来解决问题。专家在解题时不从目标出发回推问题，而是扩展 已有的信息，利用直觉从题给信息向前解，采用手段一目的分析策略，不注重解题 的中间过程，正向求得问题的解决。而新手更多地关注中间过程，依赖正规的解 题程序，主要采用逆向推理策略，寻求问题的解决。 梁宁建( 2 0 0 2 ) 等在研究初中生解决几何问题解决中发现，学生在解题过程 中的粗心大意造成解不出题的情况不多，绝大多数学生是解题规则与认知策略选 择错误或选择j 下确但不会应用而导致解不出。问题解决的认知策略是让学生能够 充分利用已知问题中的信息正向思考推理，同时，还必须重视运用问题中的未知 信息进行逆向推理，要把两者结合，寻找问题解决的途径。 3 3 化学问题解决中的策略研究 g a b l e ( 1 9 8 1 ，1 9 9 1 ) 等的研究表明许多学生对化学概念理解不充分，为了得 到答案，学生们倾向于使用各种算法技巧来解决问题，而不是使用科学的化学概 念进行问题解决。g a b l e ( 1 9 8 1 ) 以中学生为被试进行策略研究。结果发现大多数 的学生严重依赖于算法。成功解决问题的学生人数比能够解答包含概念的访谈学 生人数多，说明部分学生因缺乏概念理解而导致在解决问题时不能正确使用概念。 g a b l e 的这一结论被后来的许多实验所证实。 a d i g w e ( 2 0 0 2 ) 以化学教师或者预备化学教师为被试，研究他们的问题解决 特征，结果表明：大多数学生都可以建构问题的恰当表征，但是在建构问题解决 计划时有困难，而对化学教师的研究却表明其大都不能建构恰当的表征，具体的 原因不清楚。大多数的学生有着不恰当的问题解决方法和有限的问题解决策略知 识，他们主要依赖于随机的尝试一错误和算法。学生在问题解决中都表现出了与已 知信息和必要信息相关的结构错误、己知信息的错误使用、错误信息的产生。 李广洲，任红艳( 2 0 0 1 ) 等认为中学生解决计算类化学问题时采取的策略，可 以分为盲目搜索策略、情境推理策略、原理统率策略、数学模型策略等四种。盲 目搜索策略是指学生在问题解决时，由于不了解题意或无法与已有的化学认知结 构相结合，无法进行恰当的理解分析，外在表现为解题条理不清、乱套公式，不能正 确解决问题；情境推理策略是指学生在问题解决时基本了解题意，思路清晰，知道 相关的每一步化学事实，进而一步一步地计算，解决问题：原理统率策略是指学生 理解题意，表征深刻而且科学。思维清晰敏捷，在总结化学事实的基础上，能运用有 关的化学原理，进行整体的分析和解答；数学模型策略是指学生在解决化学问题时 了解题意，但是并没有考虑到有关的化学事实，而只是利用数学知识进行化学问题 的解决。 吴鑫德，张庆林( 2 0 0 4 ) 等人认为高中生化学计算问题解决的有效思维策略 有：读题审题策略、综合分析策略、双向推理策略、同中求异与异中求同策略、 化繁为简策略、巧设速解策略、模糊思维策略、总结反思策略。 3 4 物理学科关于问题解决中的策略研究 l a r k i n ( 1 9 8 1 ) 等人研究发现，面对一个新的初等物理学问题，专家和新手的 解题行为明显不同。新手用逆向推理解决问题，而专家则以顺向推理解决问题。 1 2 当被试在解决问题没有困难时，他们便从一般的知识原理出发解决问题，一般的 知识原理多在物理表征层次出现，即专家主要从物理表征层次的知识出发解决问 题。而新手由于缺乏物理原理知识，多从数学公式反推的方式解决问题，其操作 主要在数学表征层次进行。 在解决物理问题时，专家与新手的解题策略与表征层次密切相关。如果他们 头脑中有问题解决类似的经验，就非常容易建立抽象的数学或物理表征；在该表 征层次上被试主要采用的解题策略是正向推理，有时也采用逆向推理；而新手主 要采用逆向推理和混合推理。应当说，对不同类型的问题，专家与新手的差别是 不一样的，专家与新手只是一个相对的概念。 p r i e s t & l i n d s a y ( 1 9 9 2 ) 在后来的实验中证明：在选择向前推理和向后推理的 策略时，专家与新手间无明显差异。所有的被试都倾向于选择正向推理策略，只 是专家的解题计划明显优于新手，若要新手变成专家新手必须学会抽象问题，产 生抽象表征。专家擅长构建抽象表征，常采用图形表征。 廖伯琴和黄希庭( 1 9 9 7 ) 的研究表明，优差生在解决问题时，使用的策略有 很大不同。优生的解题步骤大多是正向推理，偶尔出现混合推理；而差生使用逆 向推理、正向推理和两种推理的混合，其差异不显著。 我们认为学生在物理问题解决中的策略差异可能没有专家与新手差别明显。程 度较差的学生可能主要使用数据驱动的逆向推理策略或尝试错误策略，程度非常 好的学生可能主要使用正向推理策略或情景建构策略，多数学生会选择正、逆混 合推理的策略。我们希望结合具体的口语报告，确定不同程度学生在解决不同问 题时采用的策略。 第二部分问题提出和研究设计 首先，通过文献研读，我们可以看到关于问题表征和策略的研究不少，但是 长期以来的问题解决主要是集中在结构良好问题，涉及到结构不良问题的研究很 少。有关结构不良问题的研究主要是由申继亮和鲁志鲲等人的关于教师解决结构 不良问题的研究，其结构不良问题主要是指生活事件的处理。在具体学科领域中 研究结构不良问题的文章更少。 其次，生活中的事件基本上都是结构不良的，任何知识应用于实践都有一定 程度的结构不良。学生在学校学习中解决的问题都是结构良好的，积累的问题解 决的经验也是结构良好问题的解题经验，这些经验能否很好的迁移到解决结构不 良物理问题中? 我们希望探讨一下结构良好问题与结构不良问题在解决中的表征 和策略的差异，是否可以用结构良好问题的学习代替结构不良问题的学习。 第三，物理跟实际的生活密切相关，生活中有许多现象要用到物理原理来解 释。生活中许多问题也需要用到物理知识来解决。目前我们的物理学习中所给出 的练习题和试题一般都是理想化和抽象的物理模型。学生也熟练于运用系统的理 论推导去处理己被抽象、分解成一定数学模型的理想物理问题，面对物理背景较 为开阔、信息较为模糊、信息形式多样的结构不良物理问题，解题中仅限于公式 的推演和计算是不够的，结构不良物理问题本身的特点使得解决结构不良物理问 题的过程是一个形象思维和抽象思维相结合的过程，物理概念和规律活学活用的 过程。这本身和结构良好物理问题的解题过程就有了反差。 基于以上几点问题，我们希望对结构良好和不良物理问题的解决有更深的了 解，因此本研究在物理学科范围内，探讨结构良好与不良物理问题的表征与策略 等方面的几个问题，以期得到有价值的研究结果。 2 研究目的 1 4 基于对文献的分析以及对结构不良问题在实际生活中的普遍性，本研究拟对 高中一年级学生在结构不良和结构良好物理问题的表征及策略选择的差异进行深 入的分析。以期得到有价值的研究。研究问题概括为以下两个方面： 首先，考察学生解决结构良好和结构不良物理问题的情况。 第二，分析高一学生在结构良好与不良物理问题中表征的情况。 第三，分析高一学生在结构良好与结构不良物理问题中的策略使用情况。 基于以上分析，本研究希望通过对高一学生问题解决中的表征和策略的考察， 探讨结构良好与不良物理问题解决的差异和原因，为丰富学科心理学的研究，提 供实验依据和理论研究内容。 3 研究假设 假设1 ：在前人研究基础上，我们假定高一学生解决结构良好与不良物理问题 的表征水平有差异，结构良好物理问题完全表征率将比完全表征结构不良物理问 题的高。高一学生在解决结构良好物理问题中的表征要比结构不良物理问题中深 入和完整。 假设2 ：高一学生在结构良好与不良物理问题解决中策略的选择有差异，在结 构良好物理问题中多倾向