高二學生物理問題解決過程中的批判性思維水平分層研究
——基于SOLO分類評價理論

李晶晶 潘蘇東

(1. 海南師范大學物理與電子工程學院,海南 海口 571158； 2. 華東師范大學物理與材料科學學院,上海 200062；3. 華東師范大學教師教育學院,上海 200062)

1 研究目的

問題解決被列為21世紀學生必須具備的三大能力之一,問題解決的過程受到多方面因素的影響,有研究者把影響問題解決過程的內在因素分為基本能力、批判性思維和過程處理技巧3個部分．基本能力包括解決問題所需的相關領域知識及一般的策略性知識;批判性思維則在界定問題、判斷相關信息、形成問題解決方案及進行反思等各個環節都扮演了重要的角色;過程處理技巧則包含論據的呈現技巧、辯論的技巧等[1]．恩尼斯認為,批判性思維是問題解決過程的一個重要部分,批判性思維的5大類能力(澄清能力、獲得決定所基于的信息和其他出發點相關的能力、與根據這些出發點進行推論的相關能力、元認知能力、附屬能力)[2]都與問題解決有著直接的關系．

根據恩尼斯等人對批判性思維的界定,物理問題解決過程的4個階段都離不開批判性思維的參與,從分析信息階段到自我評價階段,批判性思維都有參與,且對批判性思維的要求越來越高．

研究表明，批判性思維水平不會簡單地隨著年齡的增長而提高,但卻可以通過學習得到提升．[3]如果學生沒有付出努力,他的高階思維水平就不會得到提高,批判性思維作為高階思維的一種,同樣需要經歷一定難度的練習后才能得到提高,在物理教學中可以利用問題解決來提升學生的批判性思維水平．研究中學生在物理問題解決過程中的批判性思維發展水平對于提高學生物理問題解決能力有著特殊的作用．本研究擬基于SOLO分類評價理論對學生在解決物理問題過程中的批判性思維發展水平進行研究．

圖1 物理問題解決過程中批判性思維參與層級表

SOLO是英文“Structure of the Observed Learning Outcome”首字母的縮寫,意為“觀察到的學習結果的結構”,是澳大利亞著名教育心理學家比格斯(Biggs)和他的同事科利斯(Collis)提出的,他們認為，一個人的總體認知結構是不可測量的,但其在解決某個具體問題時所表現出來的思維結構是可測量的,而且表現出的思維水平可以從低到高劃分為5個層次: 前結構(基本無法理解和解決問題)、單點結構(對問題略知一二,但無法解決)、多點結構(對問題有了更多的了解,但不全面)、關聯結構(對問題有整體把握,并能解決問題)和抽象拓展結構(能對問題進行抽象概括,并應用于新的情境)．“我們可以判斷學生在回答某一具體問題時的思維結構處于哪一層次,關注學生在特定任務上的表現．這種分析學生解決一個問題時所達到的思維高度的評價方法就稱為SOLO分類評價”．[4]

2 研究設計

2.1 研究假設

本研究假設高二學生在解決物理問題的過程中表現出的批判性思維能力水平是不同的,并呈現為由低到高的連續體．

2.2 研究方法

研究主要采用質性研究的方法,通過現場采集學生在物理問題解決過程中的解題步驟、想法等相關信息,進行整理,以SOLO分類評價理論為參照,根據不同學生的表現提煉出學生在物理問題解決過程中批判性思維的等級水平．

2.3 選擇被試

在海口市屬重點高中隨機選取一個高二年級普通班,根據皮亞杰的認知發展階段論和對批判性思維的研究,初中生的批判性思維水平尚淺,很難對其進行有效地分層,高一學生剛剛入校,和初中生差異不明顯,選擇高二年級學生進行研究是比較理想的．因為是質性研究,很難進行大樣本調查,選擇市屬重點高中普通班主要考慮到這個樣本群體比較能夠代表普通偏高學生的一般水平．所選班級共53人,其中男生31人,女生22人,平均年齡在18歲左右．

2.4 數據采集

給定測試題目,要求學生作答,在作答的過程保留原始做題痕跡(做錯后用筆在上面輕輕畫線,不要直接涂改),解答完畢后根據學生答題情況對部分學生進行針對性訪談,了解學生做題過程中的真實想法．

測試題目:一列火車由機車牽引沿水平軌道行駛,經過時間t,其速度由0增大到v．已知列車總質量為M,機車功率P保持不變,列車所受阻力f為恒力．求:這段時間內列車通過的路程．

選擇這個題目是因為學生對這類題目并不陌生,任何層次的學生應該都能參與解題,同時,解決問題所需要的公式也比較簡單,避免復雜運算帶來的其他干擾．

3 研究結果

根據SOLO分類評價理論對學生問題解決過程中思維水平的分層及物理問題解決過程中批判性思維參與層級表,經過對學生的答題痕跡和訪談錄音進行分析,我們認為可以把高二學生在物理問題解決過程中的批判性思維表現水平分為4個層次．

3.1 第1層次(LCT-1)

可以看出,這部分學生雖然能夠表述出題目中給出的具體信息,但他們卻無法找到隱藏的關鍵信息,題目中機車在0到t時刻內,功率保持不變,而機車速度在增大,意味著牽引力在減小,因此,機車在這段時間內并非做勻變速運動,勻變速直線運動的公式和高中所學的牛頓第二定律的公式在這里都是不適用的．在交流中發現,這部分學生并沒有能夠分析出機車的運動狀態,他們僅僅是把題目中的表面信息和頭腦中的公式進行了簡單匹配,沒有對信息進行進一步的深入思考,判斷它們之間的物理關系．而且,有學生表示,除了用勻變速運動公式,他們沒有別的方法把題目所求的位移與運動速度及運動時間等聯系起來．這說明,這部分學生缺少解決這個物理問題所需的知識,由于知識儲備不足,導致他們在解決這個問題時無法列舉不同的解決方案,更無從選擇最優方案．訪談結果顯示,這部分學生對自己的解題方案并沒有明確的規劃,能寫多少公式就寫多少,至于對錯,他們并不清楚,完全不具備對解題過程和解題結果的評估能力．

以上分析可知,這部分學生基本不具備物理解題所需的批判性思維能力,我們將這種表現定義為第1層次,用LCT-1(Level of Critical Thinking-1)來表示,對應SOLO分類評價中的前結構層次,這個層次的學生在求解物理問題時主要表現為:無法對題目中給出的信息進行有效的判斷,建立它們之間的物理關系;無法結合已有知識進行解題規劃;對解題過程中需要用到的概念、規律、物理思想等解釋不清楚、不準確,導致在解題過程中遇到困難;缺乏對問題解決方案的評估能力．

3.2 第2層次(LCT-2)

在學生的答卷中,我們發現有兩種錯誤的解法.

錯解1:以列車為研究對象,水平方向受牽引力和阻力f．據P=Fv可知，牽引力為

由F-f=Ma可求得

求得

錯解2:以列車為研究對象,水平方向受牽引力和阻力f．據P=Fv可知，牽引力為

根據動能定理有

求得

這兩種錯解看似不同,但卻有著相似之處,錯誤的根源都是沒能根據題目中告知的機車功率不變,推導出機車牽引力并非恒力．和單點層次結構類似,雖然學生并沒有直接跳到答案,但學生對自己選擇的解決問題方案缺少分析,在不清楚方案對錯的情況下盲目使用,導致答案錯誤．在對使用錯解1學生的訪談中發現,與第1層次的學生不同,這些學生對使用牛頓第二定律解決動力學問題有著一定的經驗,能夠進行解題規劃．“這個題目一看就知道是動力學問題,告訴了時間,速度,受力情況,求位移．……這種題目我們原來做過很多,只要用牛頓第二定律加上勻變速運動公式,肯定就能算出來．”這意味著這部分學生可以快速地找到題目中給出的物體受力、運動時間、速度變化等信息,并能有意識地將這些信息建立起聯系．但他們并沒有對題目中的信息仔細地進行分析和解釋,辨別是否可以使用勻變速運動公式進行求解．當被要求對自己的解題方法和解答過程進行正誤判斷時,只有兩位學生醒悟過來,“好像不對,v增大,F就減小了,不是勻加速,做錯了．”其他同學大多認為“應該沒問題吧!”使用錯解2的學生選擇了用動能定理解題,表現出了更加豐富的知識儲備,在訪談中發現,他們認為這類題目通常有兩種解法,一種是用動力學公式求解,一種就是用動能定理求解．至于為什么選擇動能定理,我們得到了不同的回答,有學生認為動能定理計算簡單,省掉了中間過程;有學生表示沒有多想,因為老師強調過能用動能定理就不用動力學方程．可以看出,這部分學生對動力學和動能定理都有一定的理解,能夠將頭腦題目中的信息和這些知識進行鏈接,但由于對學科知識缺少深層次的理解,他們往往不能在各種解決問題的方案中進行正確的選擇,同樣,也無法對自己選擇方案的正誤進行判斷．

與第1層次的學生相比,這部分學生具備一點物理解題所需的批判性思維能力,我們將這種表現定義為第2層次,用LCT-2來表示,對應SOLO分類評價中的單點結構層次．他們能夠對題目中給出的信息進行判斷,并找到各類信息之間的物理關系;具有一定的物理知識儲備,并能提取相關的解題經驗,但缺乏對學科知識的深層次理解和對隱含信息的提取和分析能力,導致無法進行正確的解題規劃;很難對解題步驟和結果進行正確評價．

3.3 第3層次(LCT-3)

我們發現使用錯解2(19人)的學生比使用錯解1的學生(3人)要多,在對使用錯解2的部分學生進行訪談時,有3個學生比較典型,他們對選擇使用動能定理的理由是“機車功率不變,但是速度變大了,所以F就變小了,所以機車不是做勻變速直線運動,……那就只能用動能定理了．”當我們試圖提醒“你已經知道了機車所受的牽引力并非恒力,那你覺得你的解題過程有問題嗎?”學生很肯定地告知“沒有問題,因為動能定理在任何條件下都適用,不是恒力做功也可以用．”顯然,這幾名學生已經掌握了動力學解決物理問題的方法,甚至對動力學解決問題的局限性也有所了解,對動能定理的內涵也有一定的理解,但卻在在求解做功的問題上未曾考慮到變力做功的求法．表面來看,學生只是一時大意,但根據其對解題過程的評價可以看出,學生缺乏對整個問題解決過程的邏輯思考,選擇解題策略時關注到的隱藏信息在進行具體解題方法選擇時被徹底拋棄了,這意味著學生尚沒有能力對問題進行全面的分析．而在對自己的解題過程進行審查時,學生并沒有意識到自己的錯誤,說明他尚未掌握自我檢查的方法,僅僅對部分關鍵條件進行了反思,而忽略了對解題整體規劃合理性的檢查．

與處于LCT-2階段的學生相比,這幾名學生對學科知識的理解顯然更加深刻一些,他們很清楚地知道利用動力學公式和動能定理可以解決哪些類型的問題,并能根據題目信息判斷出機車所做的是非勻變速直線運動,從而選擇用動能定理解題．但由于缺乏對問題的整體把控,他們最終并沒能夠選擇正確的解題方案．我們將其表現定義為第3層次,用LCT-3來表示,對應SOLO分類評價中的多點結構層次．這個層次學生的表現是:能夠分清題目給出的各種信息,并能夠利用已有的解決問題經驗對問題進行歸類;學生在表達可以用于解決問題的前提知識(定義/定理/數據)時,精確而清晰,能夠制定解決問題的方案;但缺乏對解決問題的整體規劃,缺乏對前后關系的邏輯判斷,從而導致無法找到問題的最佳解決方案;在對解題步驟和結果進行評價時缺乏判斷．

3.4 第4層次(LCT-4)

全班大概有二分之一的學生給出了正確的解答過程,在和這部分學生交流的過程中我們發現,他們讀取信息和進行解題計劃的能力都比前幾個層次的學生更勝一籌．這部分學生能夠很快地將題目中給出的信息進行整理,結合原有解題經驗進行分析,判斷出此題只能用動能定理求解．“題目中說明了機車功率不變,但是速度在變大,所以F會變小．這類變力做功問題通常會用到動能定理,題目求的是位移,那就更是用動能定理了——合外力做功等于動能的改變量,位移和做功有關．”學生對選擇用動能定理解題并不是盲目的,他們是在將題目所給信息和所求物理量進行了認真分析之后做出的決定．在分析的過程中,學生發現此題中的機車并非做勻變速運動,因此他們在求做功的問題上并沒有使用W=Fs這個常見公式,而是選擇了W=Pt．

這種表現與SOLO模型中定義的第4層次關聯結構層次對應,我們將其定義為第4層次,用LCT-4來表示．這部分學生的表現是:能夠分清題目給出的各種信息,并能夠利用已有的解決問題經驗對問題進行歸類;學生在表達可以用于解決問題的前提知識(定義/定理/數據)時,精確而清晰,最終能夠根據所提供的事實,前提知識,明確的程序,制定解決問題的方案,并且邏輯非常清晰;對解題過程中的每一步都能非常清楚和詳細地進行描述,并能建立起相應的物理模型;以清晰、精確、相關和深刻的方式解決問題;在對解題步驟和結果進行評價時能夠做到有根有據,邏輯清楚．

SOLO模型中定義的最高思維層次是抽象拓展層次,表現為能對問題進行抽象概括,從而做到舉一反三．這種應用遷移能力無法從答卷中看出,但在隨后的訪談中我們發現,能夠給出此題正確解答的學生基本都能對這類問題的解決過程進行總結和反思,明確這類問題的解決方案．當然,這和任課教師曾經在課堂上強調過此類問題的解決方法有很大關聯．單從學生在解決此問題的表現上看,基本能夠達到關聯結構層次的學生也都達到了抽象拓展層次．

4 結論

調查結果說明高二學生在解決物理問題中的批判性思維水平是不一致的,可以根據他們的不同表現分為由低到高的4個層次,這和我們的研究假設基本吻合．

關于學生解決物理問題過程中的批判性思維分層結果可概括如下: (1) 無法在解決問題時使用批判性思維的學生(LCTA-1):只能識別給定的事實和問題,但不能和頭腦中已有信息發生聯系以進行更深層次的分析; (2) 在解決問題過程中批判性思維技能較弱的學生(LCTA-2):可以識別事實和問題,能夠和已有知識(概念/定理/數據)進行聯系,但在制定問題解決方案的過程中缺乏對相關信息的判斷和思考,缺乏自我反思的能力; (3) 在解決問題過程中具有一定批判性思維技能的學生(LCTA-3):可以識別事實和問題,可以根據給定信息激活頭腦中已有的相關圖式,進行解題規劃,并能對自己解決問題的過程有一個大致的判斷; (4) 在解決問題過程中批判性思維技能較強的學生(LCTA-4):可以清楚地識別提供的各種信息,迅速激活相關圖式,進行正確的解題規劃,對自己的解題步驟和結果能進行有根據的判斷和評價．

由于樣本和所選題目的限制,在此次研究中發現處于第1層級和第3層級的學生人數都非常有限,學生基本集中在第2層級和第4層級,這個結論是否可以推廣還有待進一步的研究．

參考文獻：

1 Cindy L. Lynch and Susan K. Wolcott WolcottLynch Associates. Helping Your Students Develop Critical Thinking Skills[J]. Journal of College Teaching & Learning,2015(2):101-108.

2 武宏志,張志敏,武曉蓓. 批判性思維初探[M]. 北京:中國社會科學出版社,2015:61.

3 戴維·希契柯克, 張亦凡, 周文慧. 批判性思維教育理念[J]. 高等教育研究, 2012(11):54-63.

4 Biggs J,Collis K. Evaluating the Quality of Learning——SOLO Taxonomy.New york:Academic Press,1982:13-15.