信息冗余物理習題的實驗研究

劉鴻

摘 要： 信息冗余物理習題是指題目中所包括的信息超出習題解決的必要信息，存在部分信息是有效冗余或無效冗余，有確定答案的物理問題。本研究以信息加工建構主義和信息加工理論為理論基礎，在物理教學中加入信息冗余物理習題進行實驗，為改進習題教學內容提供理論和實踐參考。

關鍵詞： 信息冗余 物理習題 信息加工 實驗研究

一、“信息冗余物理習題”的定義

通過查閱文獻，發現并無學者明確提出“信息冗余習題”的概念，與“信息冗余習題”概念相近的是“條件多余習題”。由于筆者傾向于利用信息加工理論對該類習題進行研究，故仍從信息加工理論的角度對該類習題進行定義。

借鑒信息論中對于信息冗余的定義和分類，信息冗余物理習題是指題目中所包括的信息超出習題解決必需的信息，存在部分信息是有效冗余或無效冗余，有確定答案的物理問題。

二、“信息冗余物理習題”的特點

（一）信息冗余物理習題具有確定性。

“信息冗余”是相對于習題解決必需的信息條件而言的。如果習題中的問題解決，需要題干中所有的條件，缺一不可，則可以認定該類習題是非信息冗余習題，因此很容易區分信息冗余物理習題與一般物理習題。

（二）信息冗余物理習題的解題方案具有多樣性。

由于信息冗余物理習題中除了包含必要解題信息條件外，還包含有效冗余信息的存在，因而使得問題的解決過程和方法具有多樣性。習題解答者具有的知識儲備不同，解答問題的思維方式不同，解題的習慣不同，信息條件的組合不同，會使習題的解決方案具有多種可能性，即方案具有多樣性。

（三）信息冗余物理習題的答案具有唯一性。

由于信息冗余物理習題在問題的設置上是具體的、準確的，雖然信息冗余物理習題的信息條件過量，但所有的有效信息之間并不矛盾，它們指向同一個結果，因此信息冗余物理習題的答案具有唯一性。

（四）信息冗余物理習題具有復雜性。

信息冗余物理習題的復雜性表現在這類習題中，往往涉及大量的有效冗余和無效冗余信息，當習題解答者運用所學知識解答信息冗余物理習題時，面對的第一個困難，并不是如何解答習題，而是如何針對問題從條件信息中提取自己需要的有效信息。

如下圖所示：在摩擦因數為0.1的水平面放一質量為1kg的物塊，在一大小為5N的水平拉力的作用下，由靜止開始做勻加速直線運動，已知前5s的總位移為50m，試求出該物塊的加速度？

該例題給定了摩擦因數的大小，物塊的質量，施加力的大小和方向，初速度，時間和位移共六個信息，要求出物體的加速度。由于題干中給出的條件信息超出了問題解決必需的信息，因此可以判定該習題為信息冗余物理習題。由于既可以利用摩擦因數的大小，物塊的質量，施加力的大小和方向，從受力分析的角度解答，又可以利用初速度、時間和位移等運動學的知識解答，因此解題的方案具有多樣性。盡管解題的方案有多種，但正確結果只有一個，因此信息冗余物理習題的答案具有唯一性。由于習題中包含部分冗余信息，要求學生從大量條件信息中選取自己需要的條件信息，因此學生必須對本部分知識有較為深入的了解，以便排除冗余信息的負面影響，使問題得到解決，因此信息冗余物理習題具有復雜性。

綜上所述，信息冗余物理習題相對于一般物理習題，具有區分標準確定性、解題方案多樣性、習題答案唯一性、解題過程復雜性的特點。

三、實驗步驟

本研究主要包括3次實驗習題訓練，一次實驗習題檢測，共兩個階段。

階段一：在每個教學部分完成后，對實驗組的學生，發放筆者設計的信息冗余物理習題練習卷，及時收集學生完成的習題，積極與教師和學生溝通，仔細分析習題中出現的問題，以便在下次訓練中加以改進。

階段二：三次實驗習題訓練后，在實驗組和對照組同時發放信息冗余物理習題的檢測卷（第四次實驗），收集并分析學生的完成情況，結合學生的期末考試成績，得出實驗結論。

四、研究結論

本研究通過對實驗組和對照組共589名學生長達一個學期的跟蹤實驗研究，發放1480份習題和檢測試題，回收習題和檢測習題1398份及共589名學生的期末考試成績等數據進行統計分析，可以得出以下結論。

（一）當信息冗余物理習題的難度處于學生的學習的最近發展區，學生在解決習題過程中存在一定困難，但經過努力仍可以順利解決時，通過信息冗余物理習題的練習，學生解決信息冗余物理習題的能力確實得到明顯提高，課業成績也得到提高。如果信息冗余物理習題的難度與學生的知識能力和認知水平不能達到基本適應，即習題相對過難或習題相對過于簡單，就會使信息冗余物理習題失去功能，甚至可能產生負面影響。

（二）當信息冗余物理習題中出現超出學生知識范圍的信息條件，即學生平時接觸較少或從為接觸過的新概念，即使在題干中進行了解釋，依然可能造成學生解題出現明顯障礙，造成大多數學生無法順利完成習題的解答。

（三）由于學生的水平層次較低，而信息冗余物理習題普遍較難，且都具有一定的迷惑性，因此在普通中學會造成相當多的學生出現負面效果。

（四）通過實驗發現，盡管學生能通過正確計算完成對習題的解答，但是很多學生不能把物理學科中的信息與現實生活聯系起來，賦予所學物理知識以現實意義。

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