高中生動能定理心智模型的研究

王嬌++李文婷++張紅洋

摘要：心智模型是一種存在潛意識中的思維定勢，對我們的思維和行動有很大影響，了解學生的心智模型可以深入理解隱藏在學生頭腦中的思維結構，在了解學生心理特點和規律的基礎上進行教學可以提高教學效率和教學質量.動能定理是高中物理中一節重要的規律課，應用范圍比較廣，是高考常考的內容之一，具有重要的研究意義.本文采用二段診斷法和非結構訪談法研究了高一年級學生關于動能定理的心智模型.結果表明，學生的心智模型具有多樣性、情境依賴性、不穩定性等特點，并根據研究結果提出了相關教學建議

關鍵詞：動能定理；心智模型；二段診斷法；非結構訪談法

作者簡介：王嬌（1991-），女，研究生，研究方向課程與教學論；李文婷（1991-），女，研究生，研究方向課程與教學論；

張紅洋（1973-），男，副教授，博士，研究方向物理教育研究.

學生的個體差異對學習效果的影響是教育研究中的一個重要的課題.建構主義認為，對事物的理解不是簡單由事物自己決定的，事物信息要被人理解，這依賴于個體原有的知識經驗，不同人的理解常常會因此有所不同.心智模型是外部世界在個體頭腦內部的表征，用來解釋人們在學習過程中對事物和現象的理解.學生受環境、已有知識、思維習慣等的影響，學習過程中構建出不同的心智模型，學生構建的心智模型代表他們如何理解某一知識，不同的心智模型代表了他們不同的理解，學生們表現出來的學習效果也因此而不同.近年來心智模型在各個領域引起了人們的重視，2012年美國頒布的《K-12科學教育的框架：實踐，跨學科概念與核心概念》也將心智模型寫入課程文件，對心智模型的研究具有重大意義.

動能定理是高中物理中一節重要的規律課，是功能關系的重要體現，應用范圍比較廣，是高考常考的內容之一，具有研究意義.本文通過對高一年級學生關于動能定理心智模型的研究主要完成兩個任務：（1）挖掘學生關于動能定理的心智模型；（2）提出相關的教學建議.

1心智模型簡介

心智模型最早是由蘇格蘭心理學家克雷克（Craik）1943年在《The Nature of Explanation》中提出的，他認為心智模型是心智將現實構建成“小型的模型”，并用它來對事件進行預測、歸因以及做出解釋.之后這一術語被認知心理學家和認知科學家所采用，普利斯頓的約翰遜·萊爾德（Johnson·laird）教授認為心智模型是用來解釋人們在學習過程中對事物和現象的理解.美國麻省理工學院心理學家彼得·圣吉在他的著作《第五項修煉》中指出心智模型是一種深植于人們心中對周圍及世界的看法和采取的行動.心智模型就像一個濾鏡一樣會限制我們的注意力，不同的人在觀察同一件事情時關注的細節不一樣，所以對事情的描述也不一樣，正所謂“一千個觀眾眼里就有一千哈姆雷特”.心智模型不僅決定我們看到的東西，還決定我們的行動.本文以高中生關于動能定理的心智模型為例進行研究.

2研究方法

21樣本選取

樣本選自陜西省洛南中學高一年級，在高一年級普通班中隨機抽取兩個班進行調查，普通班的學生學習層次分明，調查更有代表性.樣本總容量是86人，女生40人，男生46人，學生所用物理教材是人教版必修2，動能定理分布在第七章第2節，本研究是在學生學習完動能定理課程并完成課后及配套練習之后開展的.

22研究方法

研究方法采用二段診斷法和非結構訪談法.二段診斷法（Two-stage test）指學生在作答后還要給出作答的解釋和過程，使內隱于學生頭腦內部的心智模型顯化.二段診斷法是通過學生的書面表達形式了解學生的心智模型，用非結構訪談法來補充學生不能用二段診斷法表達清楚的項目，更準確地了解學生的心智模型.試題包括7道選擇題和2道計算題，分為三個主題：（1）功能關系的理解；（2）對動能定理定義的理解；（3）對動能定理的應用.調查結果如表1所示.

3結果分析

3.1功能關系心智模型

動能定理是功能關系的一種具體表現，學生理解功能關系是理解動能定理的基礎，如表2所示，學生功能關系的心智模型主要有4種：（1）功是能量轉化的量度；（2）功是物體能量的量度；（3）功可以轉化為能量；（4）功和能一樣.在調查中發現，學生對于功和能這兩個概念的理解偏差影響了學生對功能關系心智模型的構建，對功和能概念，學生更不容易理解能量，學生對能量的理解僅限于對教材上定義的字面意思，沒有理解其本質.

3.2動能定理定義理解的心智模型

動能定理描述了合外力做的功與動能改變量之間的關系.如表3所示，學生關于動能定理定義理解的心智模型主要有：（1）合力做的功為零，合力一定為零；（2）合外力為做的功為零，動能改變量為零，合力不一定為零；（3）合外力做的功為零，單個力做的功不一定為零，物體的動能可能改變；（4）如果物體做變速運動，物體的動能一定改變，合外力做的功一定不為零.心智模型為（1）、（3）、（4）的學生對動能定理的定義理解錯誤或片面，他們形成這樣的心智模型的主要原因是對功、速度等概念理解片面.對于心智模型為類型（1）的學生，潛意識里“力”是影響做功大小的主要因素，忽略了功的大小還受位移、力和位移所成角度的影響；心智模型為類型（3）的學生認為只要有力做功物體的動能就會改變，這源于教材中對動能定理的定義，且教材是以一個力做功為例來推導動能定理的，學生在學習過程中偏重記憶公式造成了學習的負遷移；心智模型為類型（4）的學生對速度的理解比較片面，潛意識里認為速度的改變只有速度大小的改變，忽略了速度的改變還包括方向的改變.

3.3動能定理應用的心智模型

物理是一門與實踐接觸特別緊密的學科，學生不僅要理解動能定理的定義，還要能夠在具體的情景中應用動能定理，用動能定理解釋生活和生產中的現象.動能定理的適用范圍比較廣，表4統計了學生在運用動能定理解決直線運動問題、曲面問題、圖象問題滑塊滑板模型時的作答情況.表4結果表明，同樣的情景，不同學生有不同的理解，每道題學生都給出多種作答情況，可見學生在運用動能定理時的心智模型具有多樣性.針對學生作答比較多的5題、7題和9題為例對學生動能定理應用的心智模型進行分析.

第5題要求學生運用動能定理解決圖象問題，學生需要正確解讀圖象的物理意義并結合動能定理來解決問題.導致該題作答具有多樣性主要有兩種心智模型：（1）v-t圖象面積表示是合外力做的功；（2）根據圖象判斷物體在整個過程中受恒力作用情況.在訪談過程中，脫離第5題題目情景問學生v-t圖象面積的物理含義時，學生能立刻回答“物體的位移”，可見物理情景對學生的心智模型有較大的影響；第7題是一道滑板滑塊模型的題目，導致第7題作答多樣性的主要心智模型是在求解合外力做功時，學生所用的位移是滑塊和木板之間的相對位移而不是物體的對地位移，學生在解決物理問題時習慣套用做題技巧，分析問題的心智技巧較差，學生對物理規律應用的靈活性較差；第9題是一道綜合計算題問題，在這道題目的作答中，只有10%的人能夠正確作答.在訪談中發現大多數學生能夠以“定義”的形式理解動能定理，但對于具體的、復雜的物理情境卻不知該如何入手，需要在教師的引導和幫助渡過從形象思維到抽象思維過渡的“思維斷乳期”.

4結論與建議

4.1結論

通過對高一年級學生動能定理心智模型的調查和研究發現：（1）學生的心智模型具有多樣性，同一知識在學生頭腦內部的表現存在差異，不同學生構建了不同的心智模型；（2）學生對物理概念的理解是片面的，例如對于速度的改變的理解是速度大小的改變，認為力是影響做功大小的主要因素；（3）學生在學習過程中重結果輕過程，重記憶輕理解，學習態度比較功利；（4）學生的心智模型具有情境依賴性，同樣的概念，學生在不同的情境中構建的心智模型不同.

4.2建議

421引導學生樹立正確的物理學習態度

在應試教育的大環境下，學校僅以學生的考試成績對學生進行評價，學生在學習過程中追求以分數為目標的高效學習，學習態度功利性較強，忽略了對物理概念本質的理解和物理核心能力的提升，將大量的時間花在練習做物理題上.教師在教學過程中起主導作用，在教學過程中引導學生樹立正確的學習態度，在傳授知識的同時提升學生的物理核心能力和物理學科品質.

422教師在教學過程中要挖掘學生的心智模型

傳統的教學中重視宏觀經驗，傳統測驗只能觀察學生宏觀的外部表現，不能挖掘學生微觀的心理特點和規律.心智模型可以反映學生的心理特點和規律，在了解學生心理特點的基礎上進行教學，有利于因材施教的實施，提高教學效率和教學質量.教師在教學過程要多與學生進行交流并結合相關測驗可以很好地了解學生的心智模型.

423教學中引入原始物理問題

原始物理問題是自然界及社會生活生產中客觀存在且尚未加工的問題.原始物理問題只有對物理情境的描述而沒有設置已知量和未知量，可以讓學生感受到物理的實用價值和激發學生的物理學習興趣，培養學生的創造性思維，促進學生構建正確的心智模型.

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