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问题图式在物理问题解决教学中的应用

2021-06-14 20:18  点击:[ ]

  摘要:依据认知心理学研究中提出的问题图式及构成要素,阐述物理问题解决教学的目标、教学方案,并通过具体的教学实例呈现教学方案的实施。

  关键词:图式;问题图式;物理问题解决;教学

  培养学生解决问题能力是物理课程教学一个重要目标,通过问题的解决,可以帮助学生巩固、活化基础知识;可以在一定程度上帮助学生加深和扩展物理知识;可以帮助学生建立解决问题的思路,获得解决问题的正确方法;可以帮助学生将理论应用到实际,理解科学与技术的相互关系。那么,物理教学中如何进行有效的问题解决教学,避免学生通过“题海”来学习呢?本文结合认知心理学对问题解决的一些研究尝试,对此做出回答。

  一、问题图式概述

  所谓图式,就是围绕某个主题组织起来的认知框架或认知结构,它是一些观念和关系的集合。图式是一种有组织的知识结构,它涉及人对一范畴的成员所具有的典型特征及关系的认识。图式是抽象的,它为相互联系的观念留有“空位”,当学习者学习该范畴中新的成员时,便能按图式捕捉关键信息并填人这些空位。

  在物理学科的学习中,同样存在针对特定范畴进行整体表征的图式,比如对物理量的学习就可以从以下几个方面进行表征:定义___;物理意义___ ;性质(矢量或标量)___ ;公式___ ;单位___ ;典型实例___ 。

  (一)专长的研究

  早期对问题解决的研究,主要将精力集中于“知识含量低”的任务,其研究成果对于人在从事各专门领域内“知识含量高的”任务时所表现出来的那种强的思维和决策能力,并未提供更多启示。20世纪80年代末,认知心理学家通过“专家一新手”的比较研究来揭示获得专长背后的机理问题,此类研究选择某一领域相对的专家及与他们相对的新手作为研究对象,通过比较他们在相同作业上的差异来推测专家在认知结构、认知过程上的特征。

  研究表明,与新手相比专家具有如下一些特征。

  1.专家具有解决本领域问题的强方法。

  Larkin等人研究一位初学高中物理力学内容的学生(此处称为新手)和一位专家,在解决同一力学问题时的表现。研究情况如下。

  例:一木块沿倾角为?的斜面从顶端静止下滑,斜面长度为l,摩擦系数为u,求木块到达斜面底部时的速度?

  不难看出,专家与新手从各自认知结构中“挑选、排列、组织解决该问题所需的物理知识和技能”的方式不同,也就是说,专家与新手在解决同一问题时采用的方法或者说策略不同。

  新手采用的是由待求的物理量v人手,连续后退搜寻解题所需必要技能,这种策略是典型的逆推法,该方法在物理解题中也称为分析法。

  有经验的教师(相对专家)可以理解,这是一道运动学与动力学结合求解的问题。解决此类问题可遵循如下方法进行:可以由已知条件出发,通过物理量加速度将运动学规律与牛顿定理等联系起来求解。

  经过一定数量同类问题解决的专家已习得了上述方法,所以当教师发现该题最终求解的是速度这一运动学量,且已知条件中呈现的是受力方面的条件(摩擦系数为产等),就可以通过分析物体受力、运用牛顿第二定律求出加速度,再由与加速度联系的运动学规律求解,从而表现出向前推理的特征。

  以上案例说明,在解决问题时,个体总是采用一定方法进行。新手往往采用逆推法、“手段一目标”等方法进行,解决问题的效率相对较低;专家采用的方法,较新手效率更高,该方法是专家在解决一定数量本领域问题的过程中形成的,是用于解决本学科领域特定类型问题的方法。也就是说与新手相比,专家形成针对本领域问题解决的方法。

  专家解决此题运用的方法,针对性强,解决此类问题的效率高,这种方法在认知心理学中称为强方法,新手采用的方法,应用范围广,但解决具体问题的效率相对较低,称为弱方法。

  2.专家能以更深的水平表征本领域的问题。

  专家对问题表征的层次更深,能理解问题的深层含义及蕴涵的原理。Chi、Glaser等人通过研究专家和新手对物理问题分类的行为揭示:新手是根据问题表面的特征进行分类的;专家并不被问题表面的相似结构迷惑,似乎更能从问题中抽取其深层结构,即领悟问题的实质意义,也就是说,专家是基于问题间本质结构相似性对问题进行表征。[2](351)

  3.在解决领域问题时,专家把更多的时间用于分析问题的质的方面;表征问题的时间较长,花费相对较长的时间来思考并计划问题的解答。

  加涅的一项研究显示,新手总是试图直接把给定的信息转变为公式,并且算出题目中所缺的量;而专家则是利用描述要点、画结构图等方法,力图把握题目要素及存在的关系,给问题构造一个新的描述,直到在脑海里有了一些策略,他们才会继续往下做。因此在解决问题初期,专家动手较新手晚,但解决时计算过程快。由此说明专家具有特定问题内在本质结构的表征。

  此外,专家与新手相比还有这样一些特征:拥有更多领域的知识且组织得更符合学科本身特点;学科知识运用的自动化程度高;在解决问题的过程中,表现出较强的自我监控技能;等等。

  (二)问题图式

  专家在解决本领域较为常规的新问题时,表现出以上特征,并能够高效地加以解决。有研究者提出,在经历解决大量本领域问题的过程中,专家形成了针对领域中特定类型问题解决的一种整体性表征方式—问题图式。问题图式是“针对领域中特定类型问题解决的一种整体性的表征方式,它允许问题解决者根据问题解决的方式对问题进行分类,是造成专家和新手问题解决技能差异的根本原因”。因专家的图式中“不仅包括更多某个问题领域的陈述险知识,而且与该领域相关的策略性知识也比新手更多,因为专家更好地掌握了所需的策略,所以他们才能比新手更加准确地预测问题解决的困难,并高效地解决问题”。

  研究提出,问题图式主要包含三方面内容:特定类型问题的内在本质结构特征;解决此类问题必须的专业领域知识;解决此类问题的策略,主要是强方法。如专家在解决一定数量的运动学和动力学结合的问题后,推测专家形成针对此类问题解决的图式:

  由上可以发现,问题图式将一类问题本质结构特征与解决此类问题的强方法联系起来形成整体性表征。具有大量本领域问题图式的专家,在面对不曾求解过的领域新问题时就会花费较多的时间对问题的深层结构进行表征,一旦专家依据识别出该问题符合本领域某个问题图式的特征,就可以启动解决该类问题的强方法,从而高效地挑选出必要的技能解决问题,由此体现出专家解决问题时向前推理的特征。

  二、物理问题解决的教学

  (一)物理问题解决教学的目标

  以上分析得出专家在解决本领域问题时一些典型特征,对物理复杂问题教学的启示如下。

  为了帮助学生解决物理复杂问题,可以从下面几个方面入手:通过练习帮助学生形成基本物理概念和定理的技能化;结合问题的解决,教授学生解决领域问题的策略,主要是强方法;精选本领域具有典型特征的问题,帮助学生对特定类型问题情景中本质结构特征的把握,并进一步与解决问题的方法或者说策略联系,逐渐形成针对特定类型问题解决的图式。因此在问题解决教学中,教学目标一般有三种可能层次:

  1.“知识与技能”目标:学习者能够选择正确的技能,依据正确解决步骤,解决教学中的问题。

  2.“过程与方法”目标:学习者理解解决一类问题的方法,并在新情景下正确运用。

  3.“过程与方法”和“知识与技能”综合性的目标:学习者理解一类问题的本质特征,以及解决此类问题的方法,形成解决此类问题的图式。

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