物理學習智慧技能障礙的表現及教學建議

歐穎賢 張軍朋

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006）

1 引言

加涅（R.M.Gagne）的學習結果分類理論將人類習得能力分為五種類型：言語信息、智慧技能、認知策略、態度和動作技能.［1］其中，智慧技能（intelligent skills）是學習者運用概念和規則處理信息或問題的能力.［2］中學物理課程標準要求學生掌握物質、運動和相互作用、能量等內容，懂得運用物理概念和規律解決實際問題.由此可見，學生的智慧技能水平決定了他們對物理知識的習得程度.本文本著提高物理教學質量的目的，試圖分析學生在物理學習中存在的智慧技能障礙，并提出教學建議.

2 智慧技能障礙

現代認識心理學的信息加工理論認為，學生習得知識分陳述性知識和程序性知識.在程序性知識領域中，“對外辦事”的技能就是智慧技能.如果按照習得的程序以及心理運算的復雜程度去劃分，智慧技能存在4個層次：辨別、概念、規則及高級規則.在物理學習情境中，智慧技能表現為對物理概念、規律和方法等知識的理解與運用.［3］例如，學生懂得運用楞次定律判斷感應電流方向.然而我們在教學中卻發現學生在學習物理知識時存在不少智慧技能障礙，主要表現在以下3個方面.

2.1 相異構想干擾知識的習得和運用

物理學的研究對象是自然環境中的物質及其規律，而學生又生活在自然環境中，因此他們能從大量現象中獲得對物理知識的感性認識.所以在學習某一物理知識前，學生已經形成對相關物理事物和現象的理解.但很多情況下這些想法與科學的物理概念大相徑庭，國內外的研究者將此種現象稱為“相異構想”（alternative conceptions）.這就是智慧技能的概念層次出現障礙的表現，它將會干擾學生習得和運用物理知識，使學生的對事物的認識就不能準確反映事物的本質屬性.

首先，相異構想具有頑固性，會妨礙科學物理概念的形成.如果教師沒有及時糾正學生的相異構想，那么相關物理知識的同化和順應將受到干擾，從而導致學生片面甚至錯誤地理解物理知識的科學含義.而且美國學者Docktor和Mestre（2012）在研究概念轉變時發現，學生的部分相異構想存在可觀察的“事實依據”或“個人經驗”作為支持.［4］這些相異構想對物理知識學習的干擾更大，同時它們的糾正也更加艱難.例如，錯誤想法“速度越大慣性越大”與觀察結果“汽車速度越大，剎車時間越長”是一致的，這會干擾學生學習“質量是慣性的唯一量度”這個結論.

其次，相異構想具有隱蔽性，會干擾科學物理概念的運用.相異構想與學生的物理思維活動聯系十分緊密，但它又隱藏于思維活動中，因此教師難以察覺學生的相異構想.而且相異構想還存在“慣性作用”：學生在復述概念或解釋簡單問題時都會應用科學概念，但在解決復雜物理問題，特別是情景豐富性問題時，他們就會不自覺地調用相異構想.［5］因此，學生也很難發現自身存在的相異構想.例如，學生在做選擇題時知道“力是維持物體運動的原因”是錯誤的，但當他們面對具體問題情境，如從斜面下滑的木塊時，他們就認為木塊下滑的原因是受到“下滑力”的作用.

總之，物理概念不僅是物理知識的重要組成部分，也是構成物理規律、完善物理理論的基礎和前提.因此，如果學生在智慧技能的概念層次出現障礙，他們在習得和運用知識的過程中將會受到嚴重干擾.

2.2 零散知識影響思路的形成和發展

DiSessa（2004）的零散知識理論（knowledge in pieces）認為：學習不良學生頭腦中的概念只是一些局部的、零散的知識成分，是一個個缺乏內在邏輯聯系的獨立圖式.［6］學生能逐個回憶零散知識，也能根據特定情境調用這些知識，但他們認為不同情境下的同一知識是不等價的.這就是指學生沒有全面掌握物理概念和規律，沒有系統建立知識之間的邏輯聯系，他們在智慧技能的規則層次存在障礙，具體表現為以下兩個方面：

第一，在新情境中無法根據已有信息調用知識.由于存在智慧技能障礙的學生對知識的記憶往往處于機械記憶水平，沒有形成高效的知識結構，所以他們根據己知信息從記憶中檢索和調用知識都較為困難.例如，學生對運動學公式十分熟悉，但面對計算題卻常常感到無從下手，或者只是套用公式.這就是學生欠缺程序性知識的表現，他們沒有將知識轉化為智慧技能.

第二，相關知識干擾物理問題解決.物理知識是相互聯系的，同時也是有層次的.有些知識適用于一般情況，而有些知識只能用在特定情景.但學生對物理知識的內涵、外延以及適用條件理解不透，因而在解決物理問題時存在偏差.例如，動能定理與動量定理都是依據牛頓第二定律結合運動學公式推導出來的.據此有些學生就錯誤地認為：因為運動學公式只適用于勻變速直線運動，所以兩個導出定理也只適用于勻變速直線運動；牛頓第二定律是矢量式，兩個定律也是矢量式.

2.3 定勢思維影響問題的分析和解決

智慧技能中的高級規則是指綜合運用各種簡單規則解決復雜問題的能力，它是學習者在問題解決過程中的思維產物.如學生沒有形成較高層次的智慧技能，即便他們已經掌握了相關的物理知識，但是在解決復雜問題時擺脫不了原有認知結構的束縛，便形成消極的定勢思維.其影響通常體現在物理規律的運用上，表現為呆板的經驗和僵化的思維限制了問題解決策略的選擇.

例如，相距100km的火車A、B分別以60km／h和40 km／h的速度相對而行.一只鷹以50km／h的速度從A車頭飛到B車頭，再轉頭飛向A車頭，如此往復，直至兩車相遇，求鷹飛過的路程.存在思維定勢的學生在分析此題時，習慣性地想分段求出鷹的路程，卻發現無從下手.但是如果學生摒棄分段求解的常規經驗，抓住運動的全過程，緊緊圍繞s＝vt，就能發現解決問題的關鍵是求鷹的運動時間.即，鷹飛了1h，經過路程是50km.

受定勢思維束縛的學生在思考問題時經常從目標出發，尋找與目標有關的公式，然后觀察公式中的未知量，再列出未知量的數學表達式，如此逐步推演，直至待求量完全由已知量表示為止.這種“鏈式推理”定勢使學生的思維總是沿著單一的常規方法前進，不能發展思維的靈活性，從而導致學生無法形成高水平的智慧技能.因此，教師要注意探尋學生的定勢思維，并運用適當的教學方法培養其思維的發散性.

3 克服智慧技能障礙的教學建議

建構主義認為學習是學生依據已有的知識經驗進行主動建構的過程.所以教師要在了解學生學習情況的基礎上，充分發揮其主導作用，靈活運用教學方式，力求使學生主動將物理知識內化到認知結構中，從而徹底克服智慧技能障礙.下文將就教學中如何克服學生的認知障礙提出教學建議.

3.1 懸疑教學消除相異構想

布魯納說，激起人類探索欲望的主要條件是有適度的不確定性.如果教師能創設出與相異構想有關的懸疑情景，激發學生的疑惑，并加以適當引導，學生就會積極主動地參與學習.因此在物理教學中，設置懸疑是引起學生理性探索欲望，糾正學生相異構想的有效方法.

首先，教師要依據學生存在的相異構想設置問題“誘疑”，讓學生發表看法；然后通過實驗、推理等方式“設疑”，使學生發現當前的實驗現象或推理結果與原有認知存在不可調和的矛盾，從而產生疑惑和探索欲望；接下來，結合實驗現象或邏輯推理開展新課“釋疑”，使學生明白其中的物理知識和思維過程；最后，讓學生利用習得的知識檢驗令他們產生相異構想的情景，［7］達到“消疑”的目的.

例如，受生活經驗“樹葉飄落”的影響，很多學生都存在“重的物體下落快，輕的物體下落慢”這種相異構想.對此，教師可利用硬幣和白紙“誘疑”：“同時釋放硬幣和白紙，誰下落較快？”由于相異構想的影響，學生會認為硬幣下落較快.學生判斷之后，教師開始“設疑”：將白紙揉成團，然后在同一高度同時釋放紙和硬幣，兩者幾乎同時落地.猜想和現實的差異使學生產生疑惑，激發學生主動思考：為什么硬幣重，卻不會先落地？影響物體下落快慢的因素有哪些？由此順利提出研究問題，開始“釋疑”：繼續對比展開的白紙和硬幣、展開的白紙和成團的白紙、硬幣和粘了白紙的硬幣3種情況，使學生明白物體下落的快慢與重力無關，與物體受到的空氣阻力有關.最后，聯系相異構想的源頭“消疑”：讓學生分析為什么石頭下落快，樹葉下落慢.

因為懸疑教學中既有實際的“情節”，又有持續相關的“疑惑”，因此它能吸引學生的注意力.同時，通過對比“誘疑”和“消疑”兩次思考結果，學生會發現隱藏在頭腦中的相異構想.這時他們就會加倍留意相關物理知識，從而達到消除智慧技能障礙的目的.

3.2 變式教學聯系零散知識

存在智慧技能障礙的學生頭腦中存儲著很多零散知識，盡管知識之間缺乏系統的組織，但零散知識理論指出“在相似情景中重復練習零散知識有助于學生形成完整的科學概念”.［8］因此，教師可針對學生理解不深的物理知識開展變式教學，通過創設多種問題情境，讓學生綜合運用知識，從而建立知識之間的邏輯聯系.

在變式教學中，教師可以通過改變關鍵字、無關特征或分析角度等方式不斷刺激學生，促使學生聯系零散知識.其次，教學內容的組織應該考慮新知識與學生原有認知結構的關系，精心設計變式問題，使之符合學生的“最近發展區”.最后，變式教學還應做到“變”中有“同”，教師要及時引導學生“求同存異”.只有這樣，學生才能在解答變式時辨明概念之間的關系，消除知識之間的矛盾.

圖1

從以上描述，我們看到學生每做一道變式，相關知識就會以不同的側重點在頭腦里呈現一次，因而學生對物理知識的內涵和外延將有系統的理解.而且隨著運用次數增加，物理知識會逐漸由陳述性知識轉變為程序性知識，并可以遷移至新情境中，即形成智慧技能.

3.3 外化思維教學突破定勢思維

物理學困生成績無法提高的原因之一是其思維僵化，不能綜合運用簡單物理原理解決復雜問題.為了突破定勢思維，教師應該在顯化自身思維過程的同時，透視學生的解題思路，找到定勢思維的癥結所在，并有針對性地協助學生加工思維.換言之，突破定勢思維的前提是師生之間能感知對方的思維過程，所以我們應該采用外化思維教學法進行授課.

一方面，外化思維教學指教師在課堂上，特別是新課教學時，應該使用科學嚴謹的語言來表征物理問題，并細致分析思維過程，使學生可以借鑒.另一方面，外化思維教學還指學生應該積極表達自己的思維，通過對比自己、同學和老師的思路來探求更多解決問題的方法，防止思維僵化.此外，外化思維能使學生的注意力從問題本身轉移到認知加工過程，使他們更好地監督調節自己的認知過程，進而促進問題解決.

例如，讓學生討論“質量為3kg的小球，從5m高的地方由靜止開始勻加速下落到地面用時2s，求小球落地速度及下落時的受力情況”，并描述各自的思考過程.從學生的出聲思維中，可發現不少學生將此運動理解為自由落體運動.此時，教師可以讓學生回憶自由落體運動的條件.不難發現，如小球做自由落體運動，其下落時間為1s，與題意不符，從而說明小球受到恒定阻力的作用.又因為在突破思維定勢時學生都表達了各自不同的想法，所以應該借此機會鼓勵學生對問題進行發散性的加工，例如這道題目就有10多種解法.這樣，學生在不斷表達自身想法和傾聽別人意見的過程中，就無形中培養了思維的發散性和靈活性.此外，教師還可讓學生討論每種思維方式的特點，讓他們對存在的方法進行輻合性加工，從而篩選出較為理想的方法以及解題時應該注意的要點.

經過持續的外化思維教學，學生將逐漸走出“鏈式推理”的束縛，最終懂得靈活運用物理知識處理問題，形成較高的智慧技能.但在外化思維教學中，教師要充分發揮其主導作用，鼓勵學生描述自己的思維過程，并適時引導學生分析出現思維定勢的原因.

4 結束語

綜上所述，在學生學習物理的過程中，智慧技能障礙的表現多種多樣.教師只有深入研究學生存在的智慧技能障礙，才能有針對性地、有預見性地采取恰當的教學策略克服障礙，切實提高學生學習物理的成效.筆者相信只要教師依據具體的授課內容、學習要求以及學生的認知發展水平來設計和實施教學，使學生積極主動地參與物理學習活動，就能有效地克服智慧技能障礙.

1 皮連生.學與教的心理學［M］.上海：華東師范大學出版社，1997：94-95.

2 R.M.Gagne著.皮連生，王映學，鄭葳等譯.學習的條件和教學論［M］.上海：華東師范大學出版社，1999：110-111.

3 宇文春燕.高中生物理學習困難的成因分析及教學對策［D］.長春：東北師范大學，2007.

4 Susan R S，Natalie R N，Heidi A S.Discipline-Based Education Research：Understanding and Improving Learning in Undergraduate Science and Engineering.Washington，DC：The National Academies Press，2012：4-10.

5 黃華玲.高中物理學習認知障礙成因分析及解決策略［D］.上海：華東師范大學，2008.

6 DiSessa A A，Gillespie N.Coherence versus fragmentation in the development of the concept of force［J］.Cognitive Science，2004（28）：843-900.

7 Susan R S，Natalie R N，Heidi A S.Discipline-Based Education Research：Understanding and Improving Learning in Undergraduate Science and Engineering［M］.Washington，DC：The National Academies Press，2012：4-10.

8 Dufresne R J，Leonard W J，Gerace W J.Making sense of students’answers to multiple choice questions［J］.The Physics Teacher，2002（40）：174-180.