中学物理教学中学生能力结构的因素分析与能力培养研究.pdf

教育研究 卜手实 骑 1992年第2期 中学物理教学中学生能力结构 的因素分析与能力培养研究 苏睿 华 中师 李来政 范大 学 本文尝试运用 因素分析的方法对中学生 的物理能力结构进行分 析 并在此基础上 提出对学生各项能力发展状况进行初步统计 评估的方法和有针对性地培养学生各项能力 的做法建议 一 问题的提出 物理教学活动是教师和学生的 共同活 动 教师不仅要帮助学生掌握知识 同时要 培养和发展学生的各项能力 知识 和能力关 系密切 但又不等同 也不存在着比例关 系 知识与能力之间是辩证统一的关系 它 们既相互区别 又相 互影响和制约 物理教学过程 受诸多因素的影响 可以 说 教师和 学生构成了一 个复杂系统 而教 学过程则是这一系统的一 个复杂过程 一个 复杂系统可以从不同层次 不 同角 度 来研 究 对于我们所要研究的过程 首先要确定 在哪个层次上来处理 其次则是选择哪些变 量或相关量进行描述 最后 则需要建立 变量 或相关量之间的关系 针对中学物理教学中 普遍存在的突出问题 即如何正确处理知识 与能力之 间的关系问题 我们以中学物理课 堂教学为研究对象层次 以学生的知识与能 力为变量或相关量 对物理教学过程进行研 究 我们希望正确地揭示学 生知识与能力之 间的相互关系 在中 学物理教学活动中 学 生对物理习 题的解答占据着重要的地位 一道好的物理 习题不仅含有物 理学科知 识 同时隐含有对 学生能力的训练 所以对物理教师来说 在 正确分析学生状况的基础上 有目的 有计 划 有针对性地向学生讲解或让学生独立完 成各种物理习题 无疑是增长 巩固学生 的 知识和训练 培养学生各项能力的一个有效 的方法 然而 在目前 的中学物理教学过程 中 现有的习题数量 形式 种类及层次都 是多而繁的 盲目地施行 题海战术 既不 利于学生真正 地理解和掌握物理学科 的精 髓 也严重地阻碍着学生能力的 形 成和发 展 因此 如何让学生 通过对适量的 有代 表性的物理习题进行分析和解答 使学 生既 能理解和巩固所学知识 又能形成和培养各 项能力 这是我们目前迫切需要研究和解决 的问题 二 能 力结构的因素分析研究 2 1 因素分析方法 的引入 中学 物理习题的数量虽然繁多 但 进行 分析和分类之后 就不难发现 其类型却是 基本而有限的 事实上 众多的习题只 不过 是它们与各种知识内容的不 同组合 根据分 析和分 类 我们将中学物理习题归纳为2 0种 基本题 型 见表 2 这2 0种物理基本题型 的侮 一种均 代表着学 生在某 一 领 域 的 活可以较好地代表武汉市高 屯年级 学生的蔡体 动 并且都隐含着学 生在某项 能 力 L的训情况 练 我们将这2 0种基 本题形作为 一组变 量 2 3 信息的收 集 X P P一 1 2 20 由于 变 量X P的变 化是 我 们对武汉市高三年 级 学生 学习物理 的 由对 物理 基本题 形配置不同知 识 内 容 引 起实际状况和 中学物理知识内容 体系进 行了分 的 所以 我们称之 为知识变量 现在 我 析 在此基础上 设 计 出能够代 表高三年级 们 的任 务是以变 量X P为 基础确立 另 一组变量 学 生物 理学习领域活动的 成就 测验 即知识 F m 即能力 变量或 能力 结构 并 建立 起知 识呀量X P一 l 2 2 0 对所抽 取 的50 4名 变量X P与能力变 量F 二之 间 的 相 互关 系 为高三年级 学生施 行测 验 并按考分 均等分布 此 必 须首 先对 学生 的能力 结构 能力变量的方 法 对学 生的测 试 结果进行 评分 在 此 F 进行细 致 的分析 基 础上 再对 学生的能力结构进行因素分 自19 04年英国心理 学 家C h a l e Sl e a r 一 析 m an 用 自己创 立 的因素 分析 方 法对能力结构为了保证 成 就测验的 可靠性和有效性 迸行 分析研究以来 因素分 析作 为处理多指我们对测验的信度 和 效度进行了分 析 标数据的一种常用方 法 一直被广 泛地应 用 于我们采用求半分信度的方 法对成就 测验 能力结构分析研究 中 因素分析方法 的基本的信度 进行分 析 得到矫正后的测验信度为 思想 是将多指标化为少数儿 项综合性指标 0 81 可见 该成就测验的信度完全符合教 人们 可以通过这少数几 项综合性指标去提取育 测 量 学 的要求 所 研 究对象的绝 大部分信息 因素分 析方法在 分析测验的有效性时 内容效度的分 的 主要应用有两个方 而 其一是寻求基本结 析是最 重要的基础 因此 我们按如下三个 构 简化观 测 系统 我们 通常采 用 因素分析的方面 主要分析成就测验的 内容效度 即 成 方法将为数众多 的变量减 少为儿 个新因子 就测验的要求与中 学物理教学要 求 是否 一 以再现它们 之间 的 内在联 系 其二是用 于分 致 成就测验的 内容是否覆 盖教学目标和教 类 将变量或者样本进行分 类 根据因子得学 内容 或考试大纲 中所有的 主要部分 测验 分值 在因子轴所构成 的 空间 中进行分 类处 内容是否兼顾考核知识与能 力 从所考查的 理 情况来 看 一该 成就测验的 内容效度 是较 高 由于知识 变量X P 中隐含着对学生 能力的的 训练 和培养 因 此 知 识变 量X P 与能 力变量 2 通 信息的处理 P 是密切 相关 的 我们在本研究 中将采 用 因我们 用2 0项分 测验对所 抽 取 的50 4名高 素分析方法揭示 能力变 量F 口 与知识 变量X P之 三年级 学生进行了有效的测 试 对测试的结 问 的 内在联 系 果 进行整理 得 到一个20 X 5 04阶的 资 料矩 2 2 样本的抽取阵 然后 我们 用计算机对该矩阵 进行 处 伐们依照武汉市三种类级学 校高三年级理 得 到了一 系列结果 略 最后 得到 学 生 人数的实 际比例 采用 分 层 随机抽 样 的 了尸r o m ax 斜 旋转 因子载荷矩阵 表 1 及 方法 分 别从三类 学校抽取对应人数 得 到主因子 的相关矩阵 略 表 1 如下 一个共 计504人的学生 人数样本 这 个样本 表1 P ro m ax 斜旋转因子载 荷矩 阵l 一 二 1 p u R otation M etho d p ro m ax R o tated F aetor P a tter n F A C r0 R I F八C r 0 R2FAC r 0 R3FA CTO尺IF八C I RSF 人CT 0 R6 X 1 0 5 8 8 17 0 01 6 9魂0 0 9 17 0 0 2 1 9 8 5 一0 0643 70 1117C X 0 53 74 2 一0 08 6 810 150 8 5 X 4 0 308310 0 8 77 00 0 0 3 91 久 一 0 1 5 8 99 一0 0 642 90 77 0 5 6 X 0 71 8 4 30 26 8 4 80 1 86 90 X 0 1 11 48 一 0 14 1 1 70 5 4 125 X 8 0 9 652 4 一0 0 17 090 0838 5 X 0 7 987 20 186 9 00 19 8 61 X l 0 05 5 83 一0 0 7 9760 7701 3 X 一1 0 2 16 5 50 1 7只2 0 7 0 231 X l 0 1 1 082 一0 101940 0 6 0 10 X r 3 0 368310 1 80 970 0 1475 X 4 0 0 5 8 0 80 05 91 90 04 84 4 X 5 0 1 2 6500 30 9 5飞0 45153 X 2 0 0 1 4 38只0 119090 12 724 X 17 0 01 0 6 60 357400 0 5 86 6 X z 0 030 7 70 5 0 1 1 50 10935 X z 0 0 138 70 7 6 3310 032 7 2 X 20 0 03 1 760 887980 0 4464 至此 我们应 用 因素分析方法确定了能力结 构的6个组成 因素 即能 力变量 F F Z F 并建 立了知 一识 变 量X P 与能力变 量 F 的 内在关 系 式 X d llFI d 1 2 F 2 c 1 z F x Z d Z F l d 22F2 d 26 F 2 一 X Z d Z 一F d Z 2 F 2 d Zo F 但上 述对能力 变 量F l F Z F 的确定 只能停留在严 格的数学 意义 上 为此 我 们 需要对能力变 量F F Z F 的心 理实 质进行鉴别 分析 从心理 学的意义上对它 们进行解释 2 5 能力结构因素的分析与鉴 别 传统的 因素分析 研究在 分析出能力 结构 各因素后 由研究者根据自己对那 些在某因 素有高负荷或 较 高负荷 的分测验的心理 过程 的主观 看法去解释该因素 揭示其心理实 质 显然 这 种方法是不科学的 也是 不 可 靠的 因为 对川以进行因素分祈的分测验 一 0 078 16 1592 飞0 0 86 85 0 6 42 5 90 78只90 0 2 4 1 8 0 0 80只JO 10 0 0 10 95 5 一 0 1 5 8 070 64 5 490 05496 0 1 6 9 190 16 389 一 O 24 7 7 0 2 5416 一 0 4 4 4 10 186 0 5 一 0 0 6 0 98 一 0 只5 539 一 0 4 9 2 1 9 0 0 0 0只又 一0 078 8 10 0 4 1 2 1 一 O l只01 叮 0 08 1 9 40 23 597 一0 70 0只 0 飞 9 9 只只0 0 2 119 0 116760 102 4 00 1 13 19 0 7 5 8 860 0346 30 03110 0 1 8 7 180 7 225 90 1 1861 一 0 0 0 5230 05 9 220 8 8 0 0 6 0 086 68 07560 70 0 67 一0 0 8 66 80 6 55 960 01847 0 0 9 9 130 0 6 8 740 5 424 1 0 0 8 9 4 8 0 49 9 90 2 18 63 0 0 664 20 2 0930 一0 0 1383 一 0 0 991 6 一0 130910 130 5 0 变量 的心理 意义 研 究 者的 主观推断会 带来较 大 的随意性 不同的人对同一分测验 的心理过程的看 法常 会相距甚远 我们采用 活动因素 分析 法 对分 析 出 的 因素 的心理 实质进行分析 鉴别 从 而避免对因素解释 的 随意 性 活动 因素分析 法 认 为 能力是在 个 体的活动中起 调节 制 约作 用 的 具体地对个 体 完成各类分 测 验 的过程作定性 的分 析研 究 便可以揭示 出调节制约 这些 活动的内隐 的心理特质 即 学生 的 能 力结构 能力 变 量 为此 我们 须对 学生 完成各项 分测验 的过程作定性的分析 研究 为节省篇幅 下 面 我们 仅给出按表 的结果 对6个主因素中 的 两个进行鉴 别 的做法 1 因素F 的鉴别 因素F I在 分 测验 X X X 中有 高负 荷 在分测验X l X 3 中 一 也自较 高 负荷 从 这 五项 分测验对 学 生的考 查目的来 看 它们 都涉及到学 产胜 对 一 物理图象的 把 握 分析结果 表 明 制约这个过程 的主要 是 一种对物理图象的辩识能力 学生在完成这 五项分测验时 首先 其大脑在全局的层次 上对物理图象进行了接受 尔后 学生 的感 觉系统将其注意力集中于更 为精细的图象 上 即筛去多余 的东西 而保留 图象更 为本 质的特征的东西 从而能够很好地对 物理 图 象予以把握 程度不 同的学生对物理图象的 敏感性明显地不同 优等生能够很 直观 地 透过 图象的形式 而看出其本质特征 因 而他们在对问题进行解答时 自信而从容 r 一 卜 等生基本上也能够摆脱图象表 面 形式 的影 响 但他们 对 图景本质 的认识却不是那么直 接 而往往要经过一些 反复的尝试 因此 他们对问题回答时不是那么自信 有时还会 发生辩识错误 差等生在对物理图景的认识 上则表现得很不敏感 当我们给出的图景是 经过加 工处理后的 图景时 他们基本上也能 对物理 图景作出解答 但若所给出的图景是 未经过加工处理的他们则很容易受 一些比较 注 目的表面 因素的影响 因此 他们对这类 问题的解答正确率不高 1此可见 对因索F l有高 负荷或较高负 荷的分 测验的进行 都经历着对物理图象的 辩识这一加工处理过程 因此 我们将因素 F 鉴定为模式识别能力 2 因素F Z的鉴 别 因素F Z在 分测验X l X Z 中有 高负荷 在 分测验X 18 中也有较高负荷 这三项 分 测 验所考查 的是学生运 用物理学原理 思想 方 法进行物理实验方面的情况 根据对学 生完 成这 三 项分 测验的情况所作的与上类似 的分 析表明 对因素F Z有高 负荷或较高负荷的分 测验的 进行 主要经历着对物理实验具体操 作 实验器材的正确运用及实验结果的正确 分析等过程 因此 因素F Z 可以鉴定为实验 分析能力 我 们全部完成 了对表1能力结构各因素 能力变量 的鉴 别 根据鉴别结果 对表 1的因素负荷矩阵进行调整 将对同一因素 有高或 较高负荷的分测验排在一起 中等因 素负荷的值用 X 号表示 较低或低因素 负荷值用 O 一号表示 调整后的因素负荷 矩阵见 表2 表2 二 十项分测验的旋转因素负荷矩阵 J 声 叫 J 门 明 曰 口 门 匕 口 因素负荷 4 因素一 因素二 因素三 因素 四 因素五 因素六 分测验 一 1 匕 一 朋刀 醚刀 醚 刀 醚刀 陇刀 能 刀 一一一 一一一 一一 一 一一 一 一 一 一 一一一 一一 一 一 一 一 一一一一一 一 一 一 空间关系题 X l 冲 81 7 0 卫 一 旦 日 卫 卫一上 望 一 畜瘾虱承万 下赢丁万 一 旦 0 生 一面 豪 一硒叔 洲 一石I 丽丁 下 万一丁 o 一 一 一畜 系裹 豪 赢而林6 9 5 2 川一 一了 J 一一 一 一 一一 一一一 表象变换题 X 79 87 2 一妥 硫 琉证蕙 h a 一 一 乙 一丁 丽百 h a 一 一 几一 一子 一 一石一 一百 一 实验归纳题 X 19 0 7 63 3 实验设计题 X Z 0 88 798 0 1 一了矿丽而 万丁一一丁 刃丽而刃一 6一 一 一飞 厂 一 一万 一万一 动州景题 X 丫 o 创竺 卫想 空 验题 X l 旦 色止 吧口 设计题 X 1 o 702 31 理解 己 噢 X Z f o 0 1 二丝 i弓 吧 X 12 o O 9 一般应用题 x o 综合应用题 x 1 3 一 一卫 一 一 建立模型题 X l O 0 习 演绎归纳题 X 1 4 数学辅助题 X 15 逻辑推理题 X 17 6 425 9 7 4 8 8 6 一汤 一 一扩 一石一 一万 一6一下 一 石 一 队 鹦 互 0 7 2 2 5 0 1 0 65 596 0 8 8006 0 70 0 67 0 0 5 4 2 41 三 学生能力的评估与培养 上面 我们采用 活动因素分析法 对 中学物理教学中学生的能力结构 进行了分 析 研究的结果表 明 中学物理教学中学生 的能力结构主要由6项因素 能力变量 组 成 它们分别是 模式识 别能力 F 实 验分析能力 F 思维想象能力 F 筛选贮存能力 F 知识迁移 能力 F 和 数理推理能力 F 能力变量 F 二 与知识 变量X 之间的内在关系见关系式 4一 l 其中 因子负荷值 d 表示的是知识 变量 X 与能力变量 F 之间的相关系数 即 r 二 d 因此 d 值越大 则表示 X 与 F 的关系越 密切 由此可见 学生某种能力与其特定的 知识是相 互紧密联系 相 互制约 共同发展 的 因此 我们不仅可以通过对学生掌握知 识和应用知识 的 状 况进行有针对性的考核来 初步分析 衡量其各项能力的发展状况 同 时 也可以在对学生进行全面性学科知识教 育的基础上 通过对学 生进行有针对性的训 练来发展和提高他们的各项能力 即融学生 的能力发展与提高于 学生对知识 的掌握与应 用之中 3 1 对武汉市9 1届高三 年级学生能力发 展状况的 初步评估 根据上 述研究结果 我们对武汉市9 1 届 高 三年级学生与前述6个因素相关的能力发 展状况作了初步统计分析和评估 下面仅给 出其中之一 即对学生模式识别能力发展状 况的初步评估 由表3可见 模式识别能力 F 在 空 间关系题 X 多 种表象题 Xa 图象题 X 多 余表象题X 及 表 象变换题 X 这五项分测验 中有高 负荷或较高负荷 这也就是说 模式识别能 力在这五项分 测验的解答中占有主导 地位 它 的高低直接影响着学生完成这五项分测验 的质量 因此 我们可以通过学生对这五项 分测验的完成情况来对学 生模式识别能力的 发展状况进行初步的评估 我们对50 4名学 生 完成这五项分测验的 实际得分进行 了统计分析 学生在各分数值 七的人数比例见表3 表3 50 4 名学生在x x x x x 五项 分测 验 上得 分的人数 分 布情况 窗今 分 号 一 空时关系题 多种表象题 图 象题 多余表象题 表象变换题 O 0 0 5 5 4 0 4 55 O 只1 8 又 O 又 一一一 68 20 石 1 8 8多 石 1 4 8 40 6 币 一 4 o 6 q石 州 1 训 一 一 00 一孟比 只8 2 一 85 l 61 30 0 0 6 0 由表 3可见 5 0 4 名学 生在 完成 X X 3 X X S 凡这五 项分测验上 完全解答正 确 的人数比例是较高的 因此 作为对学 生能 力的初步统计结果 可以说这一届高三年 级 学 生的模式识别能力是较高的 在对全部结果作了与上 相似的分析之 后 可以得出如 下的结论 除实验分析能力 普遍较差外 这一届 学生 中30 左右的学生 的能力是较强的 4 0 左右的学 生的能力 发展 状况为一般 3 0 左右的学 生的能力较 差 3 2 有针对性 地培养和提高学生 的能力 由 2一1 式可见 学 生对每一 个 问 题的解答过程 都是学生各项能力的综合 运 用过程 然 而 在这一过 程中 学生对其各 项能力的运用或依赖程度并不是均衡的 事 实上 在这种综合运用过程 中总存在着某一 项能力 它在对问题的解答 中占据着主 导地 位 起着主要作用 即为主要矛盾 它的 强 弱直接地 影响着对问题 解答的好坏 因 此 我们可以通过学生 对某一类 问题的解答 来着重培养在其中起主要作用的能力结构因 素 即学 生的某项能力 这样既可以有针 对性地培养和提高 学生的各项能力 又可以 加 强学生对所学知识的复习和 运用 从而达 到融学 生的能力的培养和发展 于 学生对知识 的掌握和运 用之中的教学 目的 下面 仅以模式识 别能力为例 尝试 说 明在运用 因素分析 方 法的基础上 科 学 而有 效地培养和提高学生 能力 的做法 依据系统科 学的观点 学 生 的模式识 别 是学 生大脑 信息接受者 对物理 图景 入 射信息 的一 种加工 处理 过程 当某一物理 图景出现 时 首先 学 生的大脑在全局的层 次上接受物理图景 然后 学 生 的 感 觉 系 统将注意力集中于更为精细的图景 即筛去 多余的东西 而保留更 为本质 的 特 征的东 西 从人们认 识过程来看 学生对物理 图景 的 最初 直觉只能是 混沌的印象 而不会一下 子 就形成明确的认识 学生必 须在观察的同 时进行初步 思维 这样才能对物理 图景的细 节 及其 关系形成明 确 的感性认识 因此 模 式识 别能力又 可称 为 思维的知觉 由此 可见 对 物理 图景从看清到 看懂 即从 直觉 到 感知再 到理解 这需要有良好的模式识 别能 力 所渭模式识别能力 是指准确 迅 速 深入 个面 地捕捉或把 握住 对象 特征 的能 力 在 中学物 理教 学 中加 强对 学 生模式识 别 能力的培养必 须有明确的目的性和条理性 即充分细 致地 分析学生模式识别能力的发展 状况 找出其中不足 的方 面 在 此基 础上 全 而 系统地 有层 次 地培养 学生的模式识别 能力 另 一方 面 在 对 学生进行训练的过程 中 必须 注 重思维性 敏锐性和灵 活性 即 充分调 动学 生已有的经 验来参与当前的识 别 从而迅 速准确地把 握住物理图景的 整体 与各部分特征 才尺据对学 生能 力结构的 分析 结呆 我们建议如 卜的具体培养措施 1 培养工作的目的性和条理性 由表3可 见 模式识别能力在 空间关 系题 多余表象题 图象题 多种表象题 和 表象变 换题 这 五项 分 测验上有高负荷或较高负荷 就是说 在对 这五种类型的解答过程中 学生的模式 识别 能力占据着主导地位 起着主 导 作 用 因 此 可根据 上述 五项 题形 系统地设 计测验或 作业让学 生 独立完成 并 根据学 生的完 成情 况来分析 学生模式识别 能力的各个方 面发展 状况 例如 若某学生对 图象题 即数学图 形与物理图景的转换 这 一类 问题感 到 困难 而我们又能够确认引起这种困难的原因并不 是知识内容时 便可以判断该学生模式识别 能力的这一方面较差 在对 学生模式识别能力各个方 面的发展 状况进行了细 致的分析之后 便可 以针对学 生的不足方而对学生进行系统地 有层次地 培养 例如 对于在某一方面较差 的 学生 可以根据该方 面题形 尽可能地设计 或选取 一些基本的