论文从物理学习的心理过程看物理实验研究

1 从物理学习的认知心理过程看物理实验研究从物理学习的认知心理过程看物理实验研究 易其顺 广西民族师范学院物理与信息技术系 广西 崇左 532400 文章摘要文章摘要 物理实验是物理教学的基础 因此物理实验研究是物理教育研究的重要组成 部分 本文在对学生物理学习的认知心理过程进行分析的基础上 根据不同心理过程探讨物 理实验研究的思路 关键词 关键词 物理学习认知过程物理实验研究 物理实验是物理教学的基础 因此物理实验研究一直以来都是物理教育研究的热点 然 而 目前关于物理实验研究过多地注重技术和方法 而忽视学生知识学习的认知心理过程分 析 因而所开发出来的实验往往看起来比较好 其实与教学实际相去甚远 没有能够发挥物 理实验应有的价值和功能 因此 有必要从学生对物理学习的认知心理过程这一角度来审视 物理实验研究 让广大教师明确各种物理实验研究所努力的方向 为此 本文从物理学习的 认知心理过程来看物理实验研究 一 物理学习的认知心理过程一 物理学习的认知心理过程 不同物理知识的学习有不同的认知心理过程 有的知识通过感知物理现象之后 经过简 单的科学抽象就可以理解 而有的知识通过感知物理现象之后 必须通过认知结构的转化或 和调整才能理解 为了让大家知道到底那些知识的学习需要认知的调整和转变 那些不需要 我们对物理学习的认知心理过程进行如图所示的分类 从图 1 中我们可看出物理知识按学生 认知特点可分为四种不同的过程 对于没有相关经验的知识的学习 必须通过实验来创设物 理学习的情境 增强学生的感性认识 才能理解 这类实验称为增强感性认识实验 而对于 学生已有相关经验且这些经验与科学知识完全相同时只要唤起学生头脑中的感性认识 就可 以顺利的理解 对于已有经验与科学知识部分相同的知识的学习 必须通过实验来促进学生 认知的调整才能理解 这类实验称为认知调整实验 对于已有经验与科学观念相违背的知识 的学习 必须通过实验来促进学生认知的转变才能完成 这类实验称为认知转变实验 二 物理实验研究二 物理实验研究 从上面的分析可知 不同的知识的学习有不同的理解过程 需要不同类型的实验 因此 物理实验研究应该根据不同类型实验的作用来确定努着力的方向 接下来 我们分别从三种 不同类型的实验的研究进行介绍 1 增强感性认识的实验研究 增强感性认识的实验研究 感性认识是物理学习的基础 在学生对所学的知识没有相关的经验时 必须通过实验创 2 设物理情境 增强学生的感性认识 因此这些实验应力争作到直观明显 突出物理的本质 对于增强感性认识的实验研究一般有以下种 1 1 疑难实验研究疑难实验研究 所谓疑难实验研究是指在物理教学过程中难以操作 很难成功的实验 这种实验研究的 目的是使疑难实验不再疑难 将直观明显的实验现象呈现给学生 增强感性认识的效果 以 促进形成概念和掌握规律 因此研究的方法都是分析疑难的原因 寻找突破疑难的办法 最 典型的例子就晶体的融化实验的研究 晶体的融化和凝固一直以来都被认为是中学物理实验 中最难的实验之一 之所以难 是因为该实验中采用的溶剂是热的不良导体 加热时试管壁 的溶剂温度已经达到熔点了 而温度计附近溶剂的温度还低于熔点 它们的温差在 2 摄氏度 左右 而一旦试管中溶剂开始融化 变成了液体后 导热性大大加强 使得剩下的溶剂很快 就融化 结果得不到理想的温度保持不变的过程 也就很难得出晶体融化时温度保持不变的 规律 针对这一点很多物理教师都在不断的改进 已经取得很大的进步 但是目前效果还是 不够理想 仍需继续努力 当然 对于疑难实验的研究来说 大家应学会用辨证的眼光来看待 找到突破疑难的 办法当然最好不过 可是有些实验适当的留给学生一些疑难也是有好处的 比如说 目前在 中学物理教学中教师只做有把握的实验 而对于没有把握的实验却只字未提 结果给学生的 印象是物理实验都是很成功的 没有什么坎坷 这无形中给学生传递这样的信息 科学研究 总是一帆风顺的 没有什么困难 这样不利于学生对科学的本质的理解 相反 如果教师在 晶体融化等类似的教学中适当地留给学生一些疑难对学生是有帮助的 所以说 有的实验让 学生经历种种困难后得出接近理想的结果比因采用精密仪器和高新技术后轻而易举地获得 理想的数据更有价值 1 2 针对抽象的知识设计实验 针对抽象的知识设计实验 物理概念和规律都是在丰富的感性认识的基础上进行科学思维的产物 然而中学生的思 维水平如何呢 有研究表明 1 我国初中学生的物理思维基本上还处于具体运算阶段和前运算 阶段 高中学生的思维处于过渡期 即从具体运算向形式运算阶段 这就说明中学生的物理 概念和规律的学习还必须借助具体事物 现象的支持 因此作为物理老师要清楚 知识抽象 的地方就是学生理解困难之处 此时 针对这些难点设计实验来架设思维的台阶是非常必要 的 比如在浮力的教学中 学生难以理解的一个问题之一是 沉底的物体也受到液体对它的 浮力 由于目前的教材没有相关的实验 所以很多老师在教学中 只能直接的告诉学生 沉 到水底的物体也受到水对它的浮力 有的甚至在课堂上避而不谈 给人的感觉就是教材和老 师因找不到合适的实验而特意的回避 但是学生的思维并不因为这样的回避而终止 相反可 能因为回避而更加活跃 可惜这种活跃是一种困惑 甚至是一种混沌状态 这样的状态如果 不能及时指点迷津就会影响到后面的学习 因此针对这一点设计实验似乎是明智的选择 为 此可用如图 2 的实验 2 先将金属块和托盘一起挂在挂钩上 并使它们完全没入水中如图 a 3 记下此时弹簧的读数 F1 先让学生思考 如果将挂金属块的绳子解开 将金属块放在托 盘上 弹簧的读数将如何变化 为什么 然后再将挂金属块的绳子解开 将金属块放在托 盘上 记下弹簧的读数 F2 比较 F1和 F2的大小 最后让学生思考为什么 F1 F2 这样学生 经过思考后就会悟出 沉底的铁块也受到浮力 1 3 拓展感觉通道实验研究拓展感觉通道实验研究 心理学的研究表明 3 只从视觉获得信息能够记住大约 25 只从听觉获得信息能够记 住大约 15 若把视觉与听觉结合起来使用 那么将会记住 65 这充分说明了综合使用 多种感官的重要性 况且有的信息对某种感官来说反应不够灵敏 而对另外一种感官来说却 非常的灵敏 因此可以利用这一原理来拓展感觉通道 加大信息刺激 增强感性认识 促进 概念的形成 江西南昌市中学的黄恕伯老师 96 年在桂林举行的物理实验教学高级研修班上 介绍的利用耳朵来感觉加速度就是一个很好的尝试 大家都知道 加速度是表示物体运动速度的变化率 人们在判断速度变化快慢时往往 用眼睛观察 可是当速度变化比较慢时人眼却很难观察得出来 然而 我们的耳朵对声音的 频率变化的感觉是很灵敏 人耳听觉的范围 16 20000 赫兹 为此 可以将速度变化转变 为声音频率的变化 然后用耳朵来感觉 比如在斜面上让小车拉着磁带往下滚动 磁带又穿 过录音机磁头 磁带与磁头摩擦 使磁头产生声音 由于速度在不断变化 所以录音机的声 音也在不断的变化 这样耳朵就可以听出速度变化大小来 通过视觉和听觉结合强化了感知 的效果 促进学生对加速度概念的理解 当然 对于促进感性认识的实验研究来说 不应只停留在物理现象的呈现 而应该在此 基础上 想方设法通过现象激发学生积极 主动地建构新知识的理解 对于这一点我们认为 对于某个新知识的学习不要在学生毫无思想准备时贸然地强加给学生 而应想办法将意想不 到的现象摆在他们面前 使他们的认知结构发生激烈冲突 在他们感觉到有寻找其它知识来 解释他们所面临的现象的必要时 再开始新知识的学习 比如有关涡流的原理也是中学生要 了解的内容 设计一个实验帮助学生了解其原理非常必要 但若直接把涡流的现象原汁原味 地演示 学生无多大兴趣 如果能把一种意想不到的现象摆在他们面前 让他们思想发生矛盾 当他们设法寻找知识来解释时再开始有关涡流的学习 这样会更好 比如可以用如图3所示的 实验 4 来实现 图中为两个长度大小一样 但倾斜度不同的铝槽 装饰用 用同样大小的圆 形铁片和圆形磁铁分别从1 2 铝槽滚下 实验前不说明磁铁和铁的不同 让学生预测哪个 先到底端 学生会根据他们所熟悉的斜面越陡下滑越快的观念来预测 可是到演示时却发现 越陡的反倒越慢 这样学生认知结构就发生冲突 各种猜想会随之而来 这时老师若指导得当 学生会自己找到是因为涡流的原故 涡流原理的学习也就水到渠成了 2 认知调整的实验研究认知调整的实验研究 当学习的知识在学生头脑中已有相关的经验 而且这些经验与所要学习的知识部分相 符 这类知识的学习必须通过实验帮助学生进行必要的认知调整才能实现 那么如何才能促 进认知的调整呢 根据奥苏贝尔的概念同化可以得到启发 他认为 5 学生能否习得新信息 主要取决于他们认知结构中已有的有关概念 意义学习是通过新信息与学生认知结构中已有 的有关概念的相互作用才得以发生的 由于这种相互作用的结果 导致了新旧知识的意义的 4 同化 皮亚杰也认为这种同化只有在儿童积极参与建构是才可能发生 学习所关注的应该是 儿童的心理建构活动 由此可见 认识的调整是认知的同化 而实现同化离不开学生积极的 思维过程 因此作为促进认知调整的实验应该在促进学生积极思维上下功夫 比如阿基米德定律实验研究就是典型例子 众所周知 阿基米德原理是物体受到的浮力 等于它所排开的液体的重量 学生在前面的学习已经知道 浸入液体中的物体受到的液体对 它的浮力与排开的水的量有关 因此如何使学生的 物体受到的液体对它的浮力与排开的 水的量有关 的观念调整为 物体受到的浮力等于它所排开的液体的重量 这才是阿基米德 定律教学的重心所在 同时也是阿基米德原理实验研究应该着力的地方 然而在现有的阿基 米德实验都是将精力集中在减少误差 以便将 排开的水的重量等于浮力 这一事实直观的 呈现给学生 这种直观得让人一看就懂的教学实际上是用实验来告诉学生 物体受到的浮力 等于排开水的重量 而阿基米德在探索阿基米德原理时所经历的激动人心的认知的调整以 及为寻找突破口苦思幂想的思维过程则不见踪影 而这些恰恰又是最能体现科学探究本质的 过程 同时也是认知调整所需要的 因此作为促进认知调整的阿基米德原理的实验就不能缺 少这样的环节 比如可以采用如下的实验活动来进行 演示如图 5 8 实验 问学生弹簧称读数包括哪几部分的重量 生 包括铝块 小试管和小试管里的水 师 如果让铝块浸没入桌面上小试管里的水中 水面如何变化 弹簧读数又怎么变 生 小试管水面上升 弹簧读数变小 师 为什么 生 因为铝块受到水对它的向上的浮力 师 将铝块浸没入水中 并让学生观察弹簧示数的变化 师 观察到什么现象 生 弹簧示数减少 桌面上的小试管水面上升 师 弹簧示数为什么减少了 生 铝块受到浮力 师 怎样才能使弹簧的示数回到原来的读数 引导学生往试管加水 师 往小试管加多少水才能使示数回到原来的读数 生 加的水的重量等于受到的浮力 5 师 往小试管加水 师 指导学生比较两试管中液面上升多少 师 试管 1 中加的水与试管 2 中上升的水有什么关系 生 试管 1 中加的水与试管 2 中上升的水一样多 师 铝柱受到的浮力与它所排开的水有什么关系 生 铝柱受到的浮力等于它所排开的水的重量 师 这也只是猜想 现在大家设计实验来验证猜想 引导学生进一步拓展到 一切物体浸入液体里时 所受的浮力等于它所排开的液体的 重量 这样的过程比起原来的实验多花了不少时间 走了很大的弯路 可是就是这些弯路让学 生真真正正经历了探究的过程 当学生因为体会到发现知识的乐趣而露出满意的微笑时 有 谁还去怀疑这些弯路的价值 3 3 认知转变实验的研究 认知转变实验的研究 当学习的知识在学生头脑中有相关的经验 而且这些经验与知识相违背 这就是我们平 时所说的前概念 前概念有以下几个特点 1 广泛性 2 自发性 3 顽固性 4 隐蔽性 这些特点给我们的启示是 前概念普遍存在 教师要随时作好应对的准备 那些认为只通过 正面的教学 或者草率的演示一通 再加上机械的强化就可以让学生真正理解的想法是过于 天真的 那么怎样才能克服这一困难呢 大量的研究已经表明要想让学生真正理解这些知识 必须想方设法让学生的认知结构发生转变 即让学生的前科学概念转变为科学概念 那怎样 才能促进认知的转变呢 我们从概念转变的学习理论可以得到启发 要促进概念转变 必须 使学生在一个具有挑战性的情景中 解决他们已有的前科学概念与公认的科学概念之间的 矛盾冲突 通过新旧经验的相互作用 积极主动地构建新概念的意义 6 波斯纳等人 Posner elal 1982 也认为 7 概念转变必须提供以下四个条件 1 学习者对当前的概念产生不满 dissatisfied 2 新概念的可理解性 intelligibility 3 新概念的合理性 plausibility 4 新概念的有效性 fruitfulness 根据这样的理论 要促进概念转变 首先必须制造认知冲 突的情景 能让学生经验与现实产生激烈矛盾 然后让学生意识到自己观念的不足 最后设 法让学生相信新的概念适应范围更广 根据这样的思路来研究实验可以达到很好的效果 比如在机械波教学中 一个众所周知的难点 就是不易使学生信服在波的传播过程中 媒质质点本身并没有随波迁移 传播的只是振动的形式 究其原因 是因为在日常生活中的 一些波动现象 如水波等 往往会给人一种有物质随波向前移动的感觉 之所以会有这种普 遍的错觉 与我们人类视觉的局限性有关 若能设计一个实验 让学生意识到这种感觉的局 限性 对他们克服机械波的学习困难应该是有帮助的 为此可用如图 5 和 6 所示的实验 8 在演示器面板上开有两排小回孔 其中上面一排孔正对着孔装有一排光源 下面一排小孔 后只有一个可沿小孔横向移动的光源 若一排光源依次发光 则对于面板正面的观察者来说 就会得到有一个亮点沿小孔横向移动的视觉效果 同样 一个光源移动也是这种视觉效果如 果 调节好一排光源依次发光的频率和单个光源移动的速率 使二者同步 则在上下两个亮 6 点移动中 观察者将无法区分哪一个是由单个光源移动产生的 哪一个是由一排光源依次 发光而产生的 这样就说明了我们的视觉的局限性 同样在连续媒质中质点依次振动产生的 效果被我们看成是质点向前运动的效果 也是由于我们视觉的这种局限造成的 我们单凭视 觉无法直接区分振动状态在连续媒质中依次传播和单个物体连续运动所产生的效果 从而让 学生意识到自己的原有观念存在不足 这样便为观念的转变打下了坚实的基础 刚才的例子是从如何促使学生意识到自己观念的不足这一角度来考虑的 实际上对于促 进认知转变的实验研究来说最应该 也是最值得下功夫的地方是如何激发学生的认知冲突 这才是观念转变的关键 同时也是教学过程中最精彩 最激动人心的地方 比如物体沉浮条 件的实验 学生从小就观察到物体的沉浮现象 对沉浮已有了自己的理解 学生会认为 重 的物体会沉 轻的物体会浮 金属的物体会下沉 空心的物体会浮 实心的物体会沉 等等 因此物体沉浮条件的教学就应该想方设法让学生的这些观念转变为物体的沉浮与物体 本身的重量和所受的浮力大小比较有关 当重量大于浮力则下沉 当重量小于浮力则上浮 而要实现转变首先必须创设能激发认知冲突的环境 比如可以用如图的实验来进行 其中1 和2都是啤酒瓶盖 但2已经扭成一团 3 4 5和6体积相同 3和4形状和质量都相同 放置 方式不同 4和5 质量相同 形状不同 5和6体积 形状都相同 先将6个物品放在桌面上 让学生感觉它们 的大小和轻重 然后让学生判断将这些物品按如图所示的方式放到水面时是沉还是浮 并说 明理由 这个过程中学生会利用自己的前概念 成功 地解决问题 最后让学生一个个验 证自己的判断是否正确 这个过程学生会发现自己的观念与实验事实存在矛盾 通过这样 的活动来创设认知冲突的情境 使学生的原有观念和现实产生不可调和的矛盾 在这样的矛 盾状态下 决定物体的沉浮的因素是什么 这样一个科学问题就自然而然的提出来 紧接 着种种猜想也会随着出现 此时如果教师指导得当 发现物体沉浮条件也就顺理成章了 这 个实验还给我们的启示是对于激发认知冲突的实验并不需要多么昂贵 多么复杂的器材 相 反那些取材于日常生活 以日常生活的方式呈现的实验更容易激发学生的认知冲突 像这样 低成本高智慧的实验应该成为物理实验研究一个梦寐以求的境界 三 结束语三 结束语 物理学习不是由教师向学生传送知识 而是学生根据外在的信息 通过自己已有的经 验来建构自己对知识理解的过程 因此 根据学生学习物理知识的过程来开发实验可以使实 验真正成为能促进学生理解的活动 同时也为物理实验研究提供了一个暂新的思路 本文从 学生物理知识学习过程这一角度来探讨物理实验研究的思路 有的观点对广大物理教师进行 物理实验研究具有一定的指导意义 希望读者能从中得到一些启发 参考文献参考文献 1 乔际平 邢红军 物理教育心理学 M 南宁 广西教育出版社 2002 30 2 易其顺 蒋志年 物理学科中浮力实验的教学研究 教学与管理 J 2006 4 3 梁树森 物理学习论 M 南宁 广西教育出版社 1996 113 4 易其顺 低成本物理实验开发的研究 教学仪器与实验 J 2004 8 5 施良方 学习论 M 北京 人民教育出版社 2003 233 7 6 Rosalind Driver Edith Guesne Andree Tibergien Children Ideas In Science Open University Press 1985 chapter1 7 posner G J strike K A Hew son P W 8LGertaog W A Accomm