物理前概念对学生解题思维影响的研究优秀毕业论文.pdf

： ：； ， f 心 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以t t 求实、创新，的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰 写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 研究生签名：曼宜量垩 日期： 趁z q 。主：! 圣 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权 将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 j 4 匕0 研究生签名：墓自量叠 日期： 塑殳! 皇! b 。i 一_”奢一，j i 0，_，_、一。一t参。0一 h 呷 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 第1 章绪论_ 1 1 1 研究的背景。1 1 2 问题的提出1 1 3 研究的目的和意义。3 1 4 研究的方法3 第2 章文献综述_ 5 2 1 概念界定及其内涵、特点：5 2 2 与本研究相关的理论基础一6 2 3 国内外研究现状错误! 未定义书签。 第3 章物理前概念对学生解题思维影响的理性思考1 4 3 1 物理前概念影响学生解题思维的特点1 4 3 2 物理前概念影响学生解题思维的原因分析2 0 3 3 物理前概念影响的学生解题心智模式2 2 第4 章改善物理前概念影响学生解题思维的策略与实验研究2 4 4 1 改善物理前概念影响学生解题思维的教学策略2 4 4 2 改善物理前概念影响学生解题思维的实验研究2 5 第五章结论2 9 参考文献3 0 在读期间发表的学术论文及研究成果。3 2 致谢3 3 一 甲 广 蝴 i 带 k - 一 摘要 物理难学已是不争的事实。笔者在观察学生解物理题时发现，许多学生解题，他 们所学习的物理知识派不上用途，他们的解题思维深深地受到了物理前概念的影响。 查阅相关的文献，物理前概念的研究只限于对科学概念的影响及干预措旌的研究上。 物理解题的研究虽然很多，大多集中在问题的表征、解题的策略、解题的思维障碍、 以及专家与新手解题能力的差异等方面的研究。物理前概念对学生解题思维影响的研 究寥若晨星。 、 本研究通过观察学生解物理题、与学生晤谈、口语报告了解学生头脑中的物理前i 概念对解题思维的影响，经过分析得出物理前概念影响了学生解题思维起点、方向、 过程和结果，并对产生这种影响的原因作了剖析。本研究认为这种影响是根深蒂固的， 久而久之形成了一种惯性，形成了非常固定的思维定势，即受物理前概念影响的解题 心智模式。 本研究提出了改善物理前概念影响学生解题思维的教学策略：第一、把镜子转 向自己；第二、尝试教学法；第三、建立题型中j 心图式系统；第四、顺向加工策略； 第五、梯度练习；第六、元认知监控。 本研究进行了教学实验研究。研究的结果表明：根据上述的策略进行教学可以改 善物理前概念影响的学生解题思维，提高学生的思维品质，提高学生学习物理的兴趣， 促进物理的学习，最终提升学生的科学素养。 关键词：物理前概念，解题思维，教学策略 a b s t r a c t 。 p h y s i c si sh a r dt ol e a r ni sa 1 1i n d i s p u t a b l ef a c t t h ea u t h o ro fp h y s i c a lp r o b l e mi n o b s e r v i n gt h es t u d e n t sf o u n dt h a tm a n ys t u d e n t sp r o b l e m s o l v i n g ，t h e yl e a r nt h ep h y s i c a l k n o w l e d g eo fn ou s e ，t h e i rp r o b l e m s o l v i n gt h i n k i n gd e e p l yb yt h ei m p a c to ft h ep h y s i c a l p r e c o n c e p t a c c e s st or e l e v a n tl i t e r a t u r e ，t h ep h y s i c a lp r e c o n c e p tr e s e a r c hi sl i m i t e dt o t h ei m p a c to fs c i e n t i f i cc o n c e p t sa n di n t e r v e n t i o n sr e s e a r c h t h ep h y s i c a lp r o b l e m - s o l v i n g r e s e a r c h a l t h o u g hm a n y h a v et e n d e dt of o c u so n t h e p r o b l e mr e p r e s e n t a t i o m p r o b l e m s o l v i n gs t r a t e g i e s ，p r o b l e m s o l v i n gt h i n k i n go b s t a c l e s ，a sw e l la sp r o b l e m s o l v i l l g a b i l i t yo fe x p e r ta n dn o v i c ed i f f e r e n c e si nr e s e a r c h p h y s i c ss t u d e n t si ns o l v i n gp r o b ! e m s b e f o r et h ec o n c e p to ft h ei m p a c to fr e s e a r c hr a r ea t t h i ss t u d yo f p h y s i c a lp r o b l e mb yo b s e r v i n gt h es t u d e n t s ，a n ds t u d e n ti n t e r v i e w s o r a l r e p o r tt ou n d e r s t a n dt h em i n d so fs t u d e n t si nt h ep h y s i c a lb e f o r et h ec o n c e p to ft h ei m p a c t o ns t u d e n t ss o l v i n gp r o b l e m st h r o u g ha n a l y s i so ft h ec o n c e p to f p r e d r a w np h y s i c ss t u d e n t s i n s o l v i n gp r o b l e m sa f f e c t i n gt h es t a r t i n gp o i n t ，d i r e c t i o n ，p r o c e s sa n dt h er e s u i t s a n d m a d es u c ha l li m p a c ta n a l y s i so ft h er e a s o n s t h i s s t u d ys u g g e s t st h a tt h ee f f e c ti s d e e p r o o t e d ，a n do v e rt i m ef o r m e dak i n do fi n e r t i a ，f o r m i n gav e r yf i x e dm i n d s e t ，t 1 1 a ti s ， b yt h ep h y s i c a le f f e c t so f p r o b l e m s o l v i n gb e f o r et h ec o n c e p to fm e n t a lm o d e l s t h i ss t u d yp r o p o s e st oi m p r o v et h ep r e c o n c e p to fs t u d e n t sa f f e c t e db yt h ep h y s i c a l e f f e c t so fp r o b l e m s o l v i n gt h i n k i n go ft e a c h i n gs t r a t e g i e s ：f i r s t ，”t u r n e dh i m s e l fi n t o a m i r r o r ”a n dt h es e c o n d ，s u i t e sh e r et e a c h i n gm e t h o d s ，t h i r d ，t h ee s t a b l i s h m e n to fl ( i 1 1 d s o f q u e s t i o n sc e n t e r sm a p b a s e ds y s t e m ，t h ef o u r t h ，c i st ot h ep r o c e s s i n gs t r a t e g y , f i f t h ， g r a d i e n te x e r c i s e s ，s i x t h ，m e t a c o g n i t i v em o n i t o r i n g t h i ss t u d yc o n d u c t e da t e a c h i n ge x p e r i m e n ts t u d yr e s u l t ss h o wt h a t ：a c c o r d i n gt ot h e a b o v es t r a t e g yf o rt e a c h i n ga n dl e a r n i n gc a r lb ei m p r o v e db e f o r et h ec o n c e p to fs t u d e n t s a f f e c t e db yt h ep h y s i c a le f f e c t so fp r o b l e m - s o l v i n gt h i n k i n g ，t oi m p r o v et h eq u a l i t yo f s t u d e n tt h i n k i n ga n di m p r o v es t u d e n t si n t e r e s t e di np h y s i c s ，t h ep r o m o t i o no fp h y s i c a l l e a r n i n g ，u l t i m a t e l ye n h a n c et h es c i e n t i f i cl i t e r a c yo fs t u d e n t s k e yw o r d s ：p h y s i c a lp r e c o n c e p t ， s t r a t e g i e s i i p r o b l e m s o l v i n gt h i n k i n g ，t e a c h i n g 江 w 第1 章绪论 对于物理解题，国内外很多专家学者和物理教师做了大量的研究，取得了丰富的 研究成果。但是，在实际教学中，解物理题仍然是困惑学生学习物理的一大障碍。学 生依然是上课一听就懂，解物理题一做就错。究其原因，物理前概念是很重要的影响 因素。本研究就是探索物理前概念对学生解题思维的影响以及如何减少这种负面影 响。 、 1 1 研究的背景 新课程改革的核心理念是“以学生发展为本，基于学生发展，关注学生发展，为 了学生的发展”口1 。新课程标准中确立了知识与技能、过程与方法以及情感态度与价 值观三位一体的课程目标。新课程的目标和教学理念的变化，对教师提出了更高的要 求。不仅要求教师的观念要更新，而且要求教师的角色要转变。教师不仅仅是传道授 业解惑者，而且是学生学习的促进者，教育教学的研究者。 在传统的教学中，教学活动和研究活动是彼此分离的。教师的任务只是教学，研 究被认为是专家们的“专利 。教师的教学大多是重复旧经验，照搬老方法。这种教 学与研究的脱节，对教师的发展和教学的发展是极其不利的，它不能适应新课程的要 求。新课程要求教师“在教学过程中，应以一个研究者的身份置身于教学情境中，用 研究者的眼光分析教学理论和实际问题，反思自己的行为，积累经验，探索规律性的 认识引。 为了适应新课程改革的需要，对于处在教育改革第一线的教师，应该把教学与研 究有机地融为一体，由教书匠转变为教育教学的研究者。 然而，新课程改革已经进行了几年，广大教师也热心地投入到教学研究之中，但 物理难学、物理难教的局面依然故我。在学生眼里物理为何如此之难呢? 很重要的一 个原因是学生头脑中存在着物理前概念，它是如此的广泛、如此的顽固，如此的难以 消除。尽管国内外很多专家学者和物理教师对此进行了深入的研究，但效果仍不尽人 意，而且综观这些研究主要集中在前概念对学生学习科学概念的影响及干预措施上， 对物理解题的影响却很少涉及。 1 2 问题的提出 物理解题是学习物理的重要组成部分。学习物理的困难主要表现在解题上。在教 学过程中，我们常常发现有很大一部分学生上课一听就懂，考试时做题一做就错。每 k 畸 次考试的失败，都让他们垂头丧气，时间长了形成习得性无助。笔者曾观察过学生解 题，很多时候学生解题不是从物理的概念、原理出发，而是从他们头脑中的前概念出 发。他们只要看到题目中出现了熟悉的情景，立即就用他头脑中熟悉的前概念去理解、 去做，这几乎成了他们解题思维定势。他们所学的物理知识被抑制了，无法激活。他 们常常对题目中的一些关键的字句熟视无睹。有很多解错的题在老师看来是匪夷所思 的，但学生却认为理所当然。你问他理由，他言词凿凿。他们的思维形成了一个固定 的模式，他自己跳不出这个模式，只有当别人给他明确地指出时，他才会恍然大悟。 如：在高一的一次测试中有这样一道题：( 单选) 同一地点的两个物体从同一高度同 时做自由落体运动，那么( ) a 质量较大的物体先到达地面b 密度较大的物体先到达地面 c 体积较大的物体先到达地面d 两个物体同时到达地面 选a 、b 的人较多。笔者问他们为什么这样选? 他们理直气壮地说：现实中就是 这样! 显然这是生活中的经验认识物理的前概念在作祟。笔者说：我们上课时做 过“毛钱管”的实验，金属片和鹅毛下落得一样快，难道这还不能证明吗? 他们回答： 那是在真空中才存在，现实中不会发生。尽管他们学习了自由落体，但仍然不相信重 的物体与轻的物体一道下落。他们的思维没有从自由落体这个物理的原理出发，而是 从他们头脑中的前概念出发。笔者说：你们做过实验验证吗? 他们说：“没有。本来 就是这样，不需要做得”。笔者找来铁块、塑料块做实验让他们再观察，他们才将信 将疑地承认这个事实。 再如：在高( 三) 次模拟考试中有这样一道题：如图1 1 所示，a 为放在赤道 上的物体；b 为沿地球表面附近做匀速圆周运动的人造卫星；c 为地球同步卫星，以 下关于a 、b 、c 的说法中正确的是( ) aa 、b 、c 作匀速圆周运动的向心加速度大小关系为 a 。 a6 a 。 1 3 a 、b 、c 作匀速圆周运动的向心加速度大小关系为 a 。) a 6 ) a 。 ca 、b 、c 作匀速圆周运动的线速度大小关系为v 。= v 6 ) v 。 圈1 1 da 、b 、c 作匀速圆周运动的周期关系为t 。= t 。 t 6 相当多的学生选择a 。询问理由：a 、b 、c 三个都是绕地球做匀速圆周运动。万 有引力充当其向心力，由了g m m ：m 口知：半径越大，加速度越小。笔者要求他把题 ，一 目再看一遍。看完后，他说：“不就是这样吗? ”他很是奇怪笔者为什么要他再看一 遍题目。只有当笔者用手指着“a 是放在赤道上的物体”，要求他再认真地看一遍时， 他才突然醒悟，连忙说：噢! 噢! 知道错在那里了。为什么会这样昵? 天体运行之类 ， l_l 心 k 吩 的习题是万有引力充当向心力，是高三理科学生再熟悉不过的了。当遇到相似的情景 时，这概念便激活，相应的思维程序便会运行。而其它的程序受到抑制，不能引起注 意，所谓熟视无睹便是如此了。之后即便学生去检查，也很难发现其中错误。很多时 候做错题都是这种情况。为什么学生见到相似的情景就会不假思索地运用它进行思维 解题呢? 这是学生头脑中的物理前概念在作怪。它是怎样影响学生解题思维的呢? 在 物理教学中应如何有效地预防与干预它带来的负面影响呢? 为此很有必要对这一现 象进行研究。 1 3 研究的目的和意义 1 3 1 研究的目的 通过物理前概念对学生解题思维影响的研究，了解物理前概念对学生解题思维影 响的原因，寻找消除这种负面影响的有效策略，从而培养学生科学的思维方法，提高 学生的物理解决问题的能力，增进学生的科学素养。 1 3 2 研究的意义 本研究从一个新的视角研究学生解物理题的思维，突破了人们习惯的认识：学生 解错题就是物理知识掌握的不牢固、粗心、训练量不足等原因。本研究揭示了物理前 概念对学生解题思维有着很大的影响，这就便人们对学生常常出现解错物理题的现象 有了一个新的认识，为探索提高学生解物理题的能力，提高学生的思维品质作出一个 有益的尝试。 长期以来，人们习惯于对学生解题进行强化训练，希望通过大量的机械练习让学 生强行记住物理的题型、方法，在考试时不犯低级的错误，然而收效甚微。因为人们 忽略了学生头脑中的物理前概念对解题思维的影响，没有能够对症下药。本研究揭示 了物理前概念影响学生解题思维的规律，为指导学生解题，教会学生用科学的思维方 式去思考问题提供了一剂良方。这可以有效地促进学生物理的学习，提高学生学习物 理的兴趣，提高学生物理解决问题的能力。 1 4 研究的方法 本研究所涉及的主要研究方法有：文献研究、口语报告法、行动研究、实验研究。 文献研究：本研究首先通过对国内外物理前概念、物理解题思维相关文献的研究 与分析，总结以往相关研究中所使用的研究方法以及所得出的研究结论，为本研究中 研究假设的提出与研究方法的选择提供借鉴。 口语报告法：选择与物理前概念有关的习题让学生去解，要求学生在解题的过程 中大声地把他的思维过程全部表达出来，研究者作相应的记录。然后，研究者根据记 一 _ _ q 镍 k 录的文字进行梳理。 行动研究：在教学中随时观察学生的解题情况，当发现错误时，及时了解错误的 原因，了解他们解题思维的依据，把与物理前概念有关的事例作笔录。或者，在平时 测验中，收集学生做错的物理题，根据这些题对学生进行访谈，让他们回忆考试时是 怎样思维的并作笔录。之后，对收集的资料分析、解释。 实验研究：选取当涂县丹阳中学2 0 0 9 届高一( 5 ) 为实验班，高一( 3 ) 为对照 班。对照班按常规教学进行，实验班则根据相应的干预措施进行教学，实验后，进行 教学统一测试，用s p s s l l 5 统计软件进行数据分析。 4 第2 章文献综述 一一1 t 。_ ，、_ 、- ，j 、，、- 物理前概念对学生解题思维影响的研究，首先要了解物理前概念、物理解题相 关的研究文献，借鉴他人的研究方法和成果，同时，从教育心理学中寻找相关理论的 支撑。 2 1 概念界定及其内涵、特点 2 1 1 前概念 自2 0 世纪7 0 年代以来，国外广泛兴起了对儿童在自然科学领域所具有的前概念 的研究，8 0 年代传入我国。各专家学者对前概念的定义有以下几种常见的观点： 前科学概念：在接受正规的科学教育之前由长期的日常经验形成的对事物、现象 的看法和观念。 教学前概念：在教学之前己拥有的概念。杜伊特( r 。d u i t ，1 9 9 4 ) 将它分为错误概 念和前概念。 学生在学习前由长期的日常经验形成的对事物和现象的看法和观念称为前概念。 这些观念有些与科学的理解基本一致，有些理解与科学概念相违背，我们把后者称为 错误概念或相异概念或相异构想。 3 1 “前概念是前科学概念的简称。建构主义认知心理学又形象地称之为日常概念。 它是指个体在没有接受正式的科学概念教育之前，对日常生活中所感知的现象，通过 长期的经验积累与辨别式学习而形成的对事物的非本质的认识”： 4 1 “前概念是学生在学习系统科学知识之前，头脑中对于该系统中的客观事物已经 形成的概念、规律、思想方法、逻辑素质等的总和。因此，学生在学习物理知识之前， 对各种物理现象便已有了自己的认识和理解，并形成了一些与科学知识相悖或不尽一 致的观念和规则，这就是物理前概念” 5 1 。 综上所述，不同的专家学者尽管对此有不同的名称和不同的界定，但基本内涵相 近，即学生在学习科学知识之前头脑中已形成的“概念”或认识。本研究将其统称为 “前概念”。前概念有的与科学概念相一致，有的与科学概念相悖。本研究只对与科 学概念相悖的前概念进行研究，其它不在本研究范围之内。为此本研究将前概念界定 为：前概念是学生根据自己日常生活体验形成的对客观事物片面的认识和理解，这些 认识和理解对学生解决问题产生负面的影响。 物理前概念具有如下特点： 4 1 5 广泛性 学生在接受正式的物理教育之前，对日常生活中有关物理现象的大量问题都有了 自己特定的理解，这一理解包罗万象，在力、热、电、光、原子等物理学的各分支中 都存在着前概念。它还广泛存在于各个层次的学生中，而且与一般的科学概念并存， 不易引起注意。 顽固性 前概念是学生长期经验的积累结果，在学生头脑中印象深刻，可谓根深蒂固。用 传统的教学方法给予更正，这些概念显得格外顽固不化。一些曾学过物理科学的人， 一旦脱离物理，他们学的物理知识，除了诸如力、加速度、施力物体、受力物体、电 场、磁场等为数不多的几个专业术语外，都忘得于干净净。 负迁移性 学生在对各个物理知识结构的学习中，先前的知识结构对新的知识结构的建立起 着积极的推动作用，但有时也产生一些负面的影响。 层次复杂性 学生在建构对事物意义的理解时，总是以自己的知识经验背景为基础，因而不同 学生看到事物的不同方面。这主要表现在不同年龄阶段或同年龄阶段不同层次的学生 中，对相同的物理问题有不同形式的前概念。 反复性 前概念的反复性表现在：学生经学习理解了一些物理概念，过了一段时间再遇到 类似的问题时，受到先入错误的影响又会对该概念产生糊涂的认识。 2 2 与本研究相关的理论基础 2 2 1 奥苏泊尔有意义的学习理论 奥苏泊尔认为在学校情境中，学生学习书本知识绝大多数是有意义的接受学习。 他指出，有意义学习过程的实质，就是符号所代表的新知识与学习者认知结构中已有 的适当观念建立非人为的和实质性的联系。所谓非人为的联系是指新知识与认知结构 中有关观念在某种合理的或逻辑基础上的联系。所谓实质性联系，是指新的符号或符 号代表的观念与学习者认知结构中已有的表象、已经有意义的符号概念或命题的联 系。有意义学习的条件有内外两条，外部条件是指学习材料本身必须有逻辑意义，即 能与人类学习能力范围内的有关观念建立非人为的和实质性的联系；内部条件则包括 两个方面：一是学习者必须具有意义学习的心向，二是学习者认知结构中必须具有适 当的能与新知识进行联系的知识。奥苏泊尔有一句名言：“如果我不得不把教育心理 学的所有内容简约成一条原理的话，我会说：影响学习的最重要的因素是学生已知的 6 。 寸 内容。弄清了这一点后，进行相应的教学”。 奥苏泊尔认为，当学生把教学内容与自己认知结构联系起来时，意义学习便发生 了。所以，影响课堂教学中意义接受学习最重要的因素，是学生的认知结构。所谓认 知结构，就是学生现有的知识数量、清晰度和组织方式，它是由学生眼下能回想出的 事实、概念、命题、理论等构成的。认知结构有三个重要的特征，第一特征涉及学生 面对新学习任务时，他头脑中是否有与新的学习相关的概念或原理及其概括程度。原 有相关概念或原理概括程度越高，包容范围越大，迁移的能力就越强。第二特征涉及 新学习的知识与同化它的相关知识的可分辨度，两者可分辨程度越高，则越有助于迁 移并避免因混淆而带来的干扰。第三个特征是同化新知识的原有知识的巩固程度。原 有知识巩固程度越高，则越有助于迁移。【6 】 2 2 2 产生式迁移理论 产生式迁移理论是安德森( j r a n d e r s o n 19 9 0 ) n , 维适应性控制理论( a d a p t i v e c o n t r o lo f t h o u g h tt h e o r y ，简作a c t ) 的发展。其基本思想是：在前后两项技能学习间 发生迁移的原因，是两项技能的产生式有重叠；重叠越多，迁移就越大。根据a c t 理论，技能学习分两个阶段：首先是陈述性阶段，构成技能的产生式以陈述性知识的 形式得到表征；然后是程序性阶段，技能的陈述性形式转化为以产生式表征的程序性 知识。所谓产生式，就是有关条件和行动的规则，简称c a 规则，其中c 代表行 为产生的条件，是学习者工作记忆中有关的认知内容，而非外部刺激；a 代表行动或 动作，它既可以是外部的反应，也可以是头脑中的心理运算。产生式具有抽象性，因 此可以用来表征从加法规则到一般问题解决策略等不同概括水平的技能。产生式又具 有可计量性。因此可以通过计算两技能间共有的产生式数量，对迁移的程度进行预测。 有关研究表明，预测的迁移量与实际测到的迁移量之间有很高的一致性。 a c t 理论按知识的不同类型对迁移的种类进行了重新划分( 见表2 1 1 。 表2 1 迁移的分类 目标知识 程序性陈述性 原有知识程序性12 陈述性34 表中所谓“原有知识”是指先前学习阶段获得的知识，“目标知识”是指迁移阶 段获得的知识。由于原有知识和目标知识都有陈述性和程序性两种形式，因此可分出 四种迁移类型。 一 1 程序向程序的迁移当先前习得的产生式可直接应用于迁移任务或用来解决 新问题时，便出现此类迁移。如果发生迁移的产生式在训练阶段得到充分练习，则此 类迁移能够自动发生。 2 程序向陈述的迁移当原有的认知技能促进新的陈述性知识的习得时，出现 程序向陈述的迁移。 3 陈述向程序的迁移当训练任务中习得的陈述性知识结构有助于在迁移任务 中习得产生式时，出现此类迁移。这里有两种情况：一是程序性知识的学习过程本身 就表现为一种陈述向程序的迁移。因为任何技能的学习都要经历两个阶段，即陈述性 阶段和程序性阶段，所以学习前期对技能的理解是技能获得的先决条件。二是某些陈 述性知识也有助于新技能的学习，例如对大量物理现象的了解可以促进对物理学中相 应原理的掌握。 4 陈述向陈述的迁移当原有陈述性知识结构促进或干扰新的陈述性知识的学 习时，出现陈述向陈述的迁移。口j 2 2 4 元认知理论 元认知是指“有关个体认知过程的知识，负责对个体的认知过程进行监控、调 节和协调 ( f i a v e l l ，1 9 7 6 ) ，其中包含了个体认知过程的意识、监控及调节。具有较 好的元认知技能的学习者，能自动地监督、控制和掌握自己的认知过程。 元认知由元认知知识、元认知体验和元认知监控三部分构成。 元认知知识：指哪些因素会对学习过程产生怎样影响的知识。这些因素主要有3 个。 1 个人因素：用一个字概括就是我，包括自己的知识状况、学习动机的状况、 学习能力的特点、学习风格，我们要帮助学生找到适合自己的学习方式。 2 学习任务的因素：简单说就是认识的对象，包括任务的性质、难度大小、数 量多少、结构特点。学习任务不同，方法也就不同。 3 认知策略的知识：概括起来就是学习方法。解决问题有哪些方法，每一种方 法的优点缺点是什么? 在什么情况下使用比较有效。这几方面的认识，既需要教师 帮助分析、介绍，又需要学生积极进行反思。 元认知体验：是伴随着元认知活动而产生的情绪体验。有哪些环境容易产生元 认知体验呢? 1 很新颖或者有新意的环境。 2 情绪高度唤醒和引发高度思考的环境。 3 ：有风险的情境。 元认知监控：就是对自己的学习活动进行不断的控制和管理，这是元认知的核 心。一般包括制订计划、执行控制、检查结果、补救。 在学习过程中，元认知知识具体表现为制约学生学习任务完成的各种因素，如 学习目的、学习能力、学习策略等知识，元认知知识的掌握是学习成功的前提和基 础；元认知体验具体表现为学习者对学习内容、学习过程和学习结果的自我感受， 它对学习的成功与否直接影响；元认知监控表现为学生根据自己的实际知识的特点、 学习的要求和思维特征等制订计划，选择策略，评价其是否有效，并进行补救等， + 是学习成功与否的关键。 元认知技能是运用与迁移认知策略的重要保证。如果学习者不具备一定的元认 知能力，不了解策略的适用范围，不能对策略的使用过程进行监控并在必要时作出 修正，那么即使他己习得了某一策略的具体过程及使用方法，也无法使该策略真正 达到迁移的水平。研究者认为，与学习和迁移有关的许多问题都是由于元认知技能 缺陷造成的。不少学生在自我调节、自我监督、自我检查、问题识别等方面缺乏训 练。只有掌握了概括化的认知策略，学生才能真正学会如何学习。f s 】 2 3 1 物理前概念的研究现状 国外部分 前概念的研究工作始于西方，上世纪八十年代达到了高潮，主要的理论基础是建 构主义。皮亚杰、维果斯基、奥苏伯尔是该理论流派的具有重要影响的人物。其基本 的观点：学生头脑中不是一片空白。“在学习科学之前已经在头脑中储存了一些直觉 和日常的概念，并建构了个体特定的认知图式。即使有些问题他们从没有做过，也没 有现成的可以借鉴的经验，但是一旦新的问题出现在他们的面前时，个体往往可以基 于过去的经验，依据他们的认知能力对新问题给以解释或提出假设，即建构新的图式” 【9 】 o c l e m e n t ( 1 9 8 2 ) 在抛硬币实验的研究中发现8 8 的被试认为上抛的硬币受到两个 力的作用：一个是硬币的重力，另一个是抛力；硬币上升时抛力大于重力，下降时重 力大于抛力。d o t h o m t o m 和s o k o l o f f ( 1 9 8 9 ) 也利用抛硬币问题对2 4 0 名俄勒冈州大 学的物理专业学生进行了教学前测试，学生的正确率也只有1 0 。 1 1 】华盛顿大学教育 研究小组在利用“图像和轨迹”软件测试时发现，很多学生认为s - t 图像就是物体运 动的实际轨迹。 1 2 m c d e r m o t t 和s h a f f e r 在研究中发现，学生对于电流概念的理解会 受到“流”的影响，学生认为越靠近电源正极的元件其流过的电流越大，位于后方的 元件得到的电流是前面元件用完剩下的；学生认为灯泡和其他的用电器，是让电流“流 进”并将电流消耗的终端设备，而并不只是让电流“流过”。【l3 j 其他的许多研究也证 明了物理前概念广泛存在于学生的头脑中。 h e u v e l e n ( 1 9 9 1 ) 认为“拥有前概念的学生，他们看到的只是弹簧、绳子：斜面、 滑车等问题中的实物，而不能像物理学家那样看到问题背后的物理概念”。 1 4 h e s t e n e s 、w e l l s ( 1 9 9 2 ) 等人也意识到“前概念的存在使得学生听不懂物理课，从 而导致他们强行记忆一些没有关联的片段，做着没有意义的作业，所以很多学生有厌 学情绪”。【”j 罗莎琳德德赖弗、埃迪特格娜、安德烈蒂贝吉思等人综合了世界各地对物 理前概念的研究成果出版了科学概念学生是怎样理解的一书。书中对物理前 概念的特点：个人性，不一致性，顽固性作了详细地论述。对物理前概念 如何影响学习的过程提出了“框结构”模型。对其产生的原因作了深入地剖析：感 性支配思想，限定注视，注视变化而不注视稳定状态，线性因果推理。最 后对如何促进概念学习提出了为学生创立他们自己的概念提供机会，引进差异 事件，苏格拉底式提问，促进一系列概念系统的产生等有效的干预措施。 1 6 】 国内部分 我国在这方面起步较晚，但也取得了些可喜的成绩。廖伯琴、贺晓霞运用“口 语析误”法干预物理前概念进行了实验研究。丛立新、史磊、吕旭其提出了干预学生 前概念的教学模式：前概念外显、认知冲突、概念澄清、变式练习【1 7 】。赵强、刘炳升 对物理前概念产生的心理途径及其特点作了深入的研究并提出了有效的干预措施。乔 际平在其物理学习心理学中阐述了物理前概念的特点、前概念与物理学习的关系 等等。沈金林老师研究了“分子动理论”相异构想的形成原因，他把它们大致归结为 以下几个方面：观念障碍，即应用旧的思想方法去理解接受、组织运用新的知识：认 知构建障碍，即认知结构不能及时更新或重建；旧情景干扰，即把原有的物理情景不 恰当地迁移到新的情景中去；思维障碍，即由于缺乏学习新知识所必要的感性经验， 不能适应思维抽象程度的要求；逻辑错误。【1 8 】刘建伟、韩琴、胡卫平等人在中学生 的相异构想及其转变策略一文中提出相异构想转变的七条策略。它们是：了解学生 的相异构想实现相异构想转变的前提；引发学生的认知冲突实现相异构想转 变的动力，丰富学生的感性认识实现相异构想转变的基础；促进学生概念知识的 重构实现相异构想转变的关键；选择适宜的教学方法实现相异构想转变的桥 梁；加强思维方法训练实现相异构想转变的必然步骤；强化概念的运用实现 相异构想转变的升华。 1 9 j 2 3 2 解题的研究现状 2 3 2 1 问题表征的研究 国外部分 、 问题表征是学生解题的首要环节，它说明问题在头脑中是如何呈现、如何表现出 来的：表征对于问题的解决是非常重要的，g r e e n o & h a l l ( 1 9 9 7 ) 研究表明正确的表征可 以提高问题解决的能力，学生可利用表征寻求问题解决方案和执行方案。 w e r t h e i m e r ( 1 9 8 5 ) 指出一个适宜的问题表征应该具备三个条件：l 、表征与问题的 真实结构相对应；2 、表征中的各个问题成分被适当的结合在一起；3 、表征结合了问 题解决者的知识，对同一个问题的表征可以有两个或两个以上的问题表征方式。 l a r k i n ( 1 9 8 0 ) 的研究认为物理问题的表征建构层次和过程是：字面表征，初始表 征，科学理论表征。【2 0 】 国内部分 我国学者傅小兰( 1 9 9 5 ) 以实验的方法研究了3 4 名大学生的问题表征对于问题解 决结果的影响，实验证明正确的问题表征是解决问题的必要前提，在错误的或者不完 整的问题空间中进行搜索不可能求得问题的正确解 2 0 】。 一 廖伯琴和黄希庭研究大学生解决物理问题的表征层次发现，大学物理学习的优生 侧重于物理原理表征，对问题的解决侧重于正向推理；而差生则受初始表征的影响， 对问题的理解停留于问题的表面特征，对问题的解决侧重于反向推理 2 。 2 3 3 2 解题策略的研究 国外部分 西蒙教授提出了四种解题策略：目标递归策略。运用目标递归策略解决问题，需 要从大目标递归n d , 目标，从暂时无法达成的目标递归到可以马上达成的目标。知觉 策略，运用知觉策略解决问题的关键在于生成解题路径依赖外部刺激和指导性目标信 息，也可形象地表述为“走一步看一步”。模式策略，通过运用某种模式生成解题路 径的解题策略称为模式策略。所谓模式，指生成解题路径的固定心理操作程序。机械 记忆策略。 2 2 1 国内部分 郑青岳在物理解题理论一书中提出物理解题的基本策略有：穷举法；模式识 别；以退求进；正难则反；问题转化；数形结合；一般化与特殊化；整体与局部等等。 2 3 】田世昆、胡卫平在其物理思维论中提出了解决物理问题常用的思维策略：1 、 动静转化；2 、内外转化；3 、曲直转化；4 、常量与变量的转化；5 无限与有限的转 化；6 、顺向思维；7 、以美肩真；8 、数形结合。【2 4 】 2 3 3 3 解题过程的研究 国外部分 波利亚提出了解题四步法：理解题目、拟订方案、执行方案、回顾。奥苏泊尔和 鲁宾逊在1 9 6 9 年提出了一个解决问题的模式。根据这个模式问题解决经历四个阶段： 1 、呈现问题情境命题，2 、明确问题目标与已知条件，3 、填补空隙过程，4 、解答之 后的检验f 2 5 。纽威尔和h a 西蒙在人类解决问题一书中指出人类解决问题的过 程分四个阶段：1 、任务环境，识别问题的组成和提出的条件。2 、问题空间，认清目 l 】 标，判别哪些与目标有关，为了实现目标必须做些什么? 3 、作业环境，运用问题所给 出的和从记忆中引出的信息去加工材料，向目标前进。4 、检验调整，在作业系统中 要注意每一步操作是否缩短了与目标的距离，若没缩短则要调整操作和重新认识问题 空间。( 2 6 】 国内部分 梁树森提出了物理解题过程，是把与具体环境问题有关的信息同学生头脑中已有 的知识经验相联系的过程。这个过程可以描绘成下面这样一个大致的轮廓。 2 7 】 识别现象f 运用娅德广 准理计冀 耄鞫b 旧幕邀广i 留果 王兴举老师提出解物理习题四个阶段：l 、形象化思考。通过读题在头脑中形成 习题所描述的事件、现象的形象化模型，必要时可绘出简图。2 、状态确定和描述。 确定习题的研究对象，确定描写研究对象的物理量及性质。3 、建立关系。通过分析 确定已知条件、暗含己知条件和习题要求目标间的关系。这种关系一般指状态量间的 关系，状态变化规律。4 、具体解答问题。5 、对所得结果进行讨论。【2 8 】 2 3 3 4 专家与新手解决问题能力差异的研究 国外部分 r g 1 a s e r 、m t h c h i l 9 8 8 对有关的研究作了系统概括，他们认为：专家和新手 解决问题的能力差异表现在六个方面：1 、有意义的知觉模式的差异；2 、短时记忆和 长时记忆的差异；3 、技能执行速度的差异；4 、用于表征问题的时间差异；5 、表征 深度的差异；6 、自我监控能力的差异。 l a r k i n ( 1 9 8 1 ) 曾对相对的新手与相对的专家在解决运动力学问题做过比较研究， 结果发现相对新手是以逆向推理的策略来整合激活源问题原理、程序而生成新问题的 解题方案的；反之，专家虽使用了与新手相同的物理规律和公式，但使用的策略则是 以顺向推理的形式进行的。a n d e r s r o n 在随后的研究中进步探讨了专家和新手存在 差异的原因，他的研究发现，顺向推理带来实际的便利，因为在逆向推理时需建立好 多目标与子目标，且在推理中要记住他们，这无疑会给工作记忆带来压力。另外，顺 向推理策略需要拥有更多的知识和更多的解题经验，由于新手( 较差的问题解决者) 缺 乏这些条件，所以多采用逆向推理策略。【2 9 】 国内部分 梁宁建( 1 9 9 7 ) 进行的一项研究发现专家和新手在解决问题时，对问题中的信息具 有不同的编码和加工程序，专家能够熟练的运用手段目的分析策略，利用问题中的 1 2 己知信息进行倾向推理，新手在解决问题时则较多地采用盲目搜索，一般根据问题中 的提问往回推理。【3 0 j 综上所述，物理前概念、解题的研究人们已经进行了深入的研究，取得了很多有 价值的成果。这些成果为本研究提供了很好的借鉴。但不难发现这些研究只是在独自 的领域内进行着。在学生实际的解题中，这两个方面并不是彼此孤立的，而是相互影 响的。它们之间的相互作用却并未引起研究者们的关注。本研究汲取两者研究的精华， 从一个新的视角去研究学生解物理题。 第3 章物理前概念对学生解题思维影响的理性思考 笔者对所任教的两个班的学生解题状况进行了跟踪调查，其中重点跟踪班级前二 十名的同学，时间长达三年。每次测验、考试，笔者整理学生解错的题，然后根据学 生的错误找学生晤谈，让他们尽量回忆当时出错的情形，当然由于时间的间隔，有少 数人说想不起来了，但大多数人能回忆起当时解题的思路。笔者把他们的思维过程记 录下来。同时笔者利用讲例题、习题课的时间，收集学生解错的题。笔者上课讲题不 直接分析怎么解? 而是先让学生思考尝试去解，笔者则在教室中来回观察，发现错误， 笔者在该生面前停下来，笔者不说是否解错，而是询问他：为什么这样做? 你是怎么 想得? 理由是什么? 之后，笔者把他们的想法记录下来。 这样经过三年的调查、与学生的晤谈，笔者发现学生解错题，并不完全是概念不 清、不懂，或粗心。很多时候，他们会做的题目在第一时间做也常常出错。他们知道 物理的概念、原理、公式，但解题时他们想不起来，物理的前概念影响了他们的思维。 笔者对收集的资料进行了概括分析，发现物理前概念对学生解题思维的影响可以归纳 为四个方面。 3 1 物理前概念影响学生解题思维的特点 3 1 1 物