師范生原始物理問題表征能力的現狀研究

郭芳俠 薛雅文

(陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西 西安 710119)

長期的物理習題式教學模式，使得學生在面對實際物理問題時往往束手無策，無法完整解決物理問題。這種現象嚴重影響了解決問題能力和創新能力的發展。究其根本原因是物理教學與實際物理問題解決能力間無法形成正確的對應關系。通常物理教學以物理習題為主，習題往往是人為地將物理現象高度抽象后的公式演算，它將物理學習與物理現象割裂開來，使得學生實際物理問題解決能力得不到充分的鍛煉。楊振寧教授提出：“物理學的根源是物理現象”[1]，提高學生實際問題解決能力對應的教學方式應該是原始物理問題教學，而提高學生的演算能力對應的教學方式才是物理習題教學[2]。師范生作為未來基礎教育教師的主力軍，對學生實際物理問題解決能力的培養至關重要，因此，師范生原始物理問題解決能力水平對基礎教育影響深遠，同時在全球科技高度競爭的環境下，迫切需要大力提升師范生的問題解決能力，才能為國家強盛培養更強更優的人才。本研究基于自組織表征理論，編制原始物理問題測量問卷對師范生表征能力現狀進行研究，并在此基礎上為物理教學提出教學建議。

1 原始物理問題的概念界定

早在1983年趙凱華先生已經將物理問題與物理習題區別開來[3]，后來于克明將兩者的關系用圖1區別[4]。

圖1 原始物理問題與物理習題的區別

從圖1中看到，物理習題的解決只是物理問題解決的一部分，將物理現象人為地進行抽象、設置物理量形成習題，學生只需要進行演算推導即可得出結論，但是物理教學的主要目的在于讓學生學會分析物理現象，再建立物理模型，演算推導并不是主體部分[5]。

對于原始物理問題概念的界定，邢紅軍教授給出了合理規范的解釋：其本質仍然是物理問題，是來源于物理現象，是自然界中存在的典型的物理現象，問題來源于對未被抽象加工過的物理現象的客觀描述[6]。原始物理問題與純粹的物理習題相比較而言，不能提供詳細的數據，提供真實的問題情境，由被試者自行設置物理量，構造出理想的模型進行解答。

2 測量工具的編制及評分標準

2.1 原始物理問題測量問卷的編制

為深入研究師范生原始物理問題的表征能力，在編制測量問卷時我們基于自組織表征理論[7]，涵蓋了力學、電學、光學、電磁學和運動學,共5道題目。內容的來源主要是生活現象、歷史事件和物理教材中的素材。同時需要體現出編制的5大原則：理論性原則；生態性原則；開放性原則；趣味性原則和探索性原則。

2.2 測試工具的可靠性分析

為了檢驗測量工具的可靠性，初測時選擇樣本50人進行測量，回收問卷后對問卷進行信效度檢驗，結果如表1所示。

表1 測量工具可靠性檢驗

經測量，原始物理問題測量問卷的難度為H=0.59。一般情況下我們認為難度在0.3～0.7之間為適中，本測量工具的難度為0.59，說明問卷的難度適中。問卷信度系數為0.827，表明原始物理問題測量問卷具有較高的內部一致性。效度系數為0.842，表明問卷可以較為準確地測量學生真實水平。整體平均區分度D=0.732，均大于0.4，說明是一個較好的測量工具。可以進行正式施測。

2.3 測量問卷的評分標準

依據自組織理論，原始物理問題表征水平包含7個層次：定向表征、抽象表征、賦值表征、圖像表征、方法表征、物理表征和數學表征。對選取的被測對象進行測試,根據學生作答情況將其每個層次的表征水平劃為3個等級，選取“原始物理問題測量問卷”一題說明評分細則，如表2所示。

表2 表征能力評分標準

題目：在十字路口行駛的車輛，駛進交叉路口的駕駛員在看到黃色信號燈后要立即做出決定：停車還是通過路口。若司機選擇停車，求汽車到達停止線的安全距離；如司機選擇通過路口，求汽車安全通過路口所需時間(即黃燈時間間隔)。

根據表2標準對被測者的每一個表征層次水平進行賦值并相加，得到其原始物理問題測量問卷的總得分。問卷總計5道題，每道題含7個表征層次，每個層次賦值2分，問卷滿分70分。得分越高代表該被試者原始物理問題表征水平整體層次較高；相反得分越低則代表被試者整體表征水平層次較低。其分數段劃分依據轉化為百分制評定，評定等級如表3所示。

表3 分數段劃分及評價等級

3 原始物理問題表征能力具體分析

3.1 研究對象選取

選取某校在校1～3年級的物理師范生為研究對象，采用現場答題并回收的方式，施測時間50分鐘。正式施測時總共發放420份問卷，剔除無效問卷后，有效問卷數為346份。問卷有效率為82.38%。其中卓越班共計71人，平行班共計275人。男生114人，女生232人。問卷回收后使用Excel、SPSS 19.0對數據進行分析和統計。

3.2 問卷總體情況分析

被試者在面對原始物理問題解答時，會經歷7個表征層次——定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征、數學表征。完整地解答一個原始物理問題，這7個表征層次貫穿解題的整個過程，是隨著問題解答的進程而動態變化的，并不是按順序依次出現的。總體均值和男女生表征層次的得分情況如表4所示。

各層次得分的折線圖如圖2所示，表4及圖2表明總體來看學生原始物理問題表征水平處于低水平狀態；從表征層次來看其圖像表征、抽象表征及數學表征水平與其他表征層次比較相對較低。

表4 各表征層次平均得分情況

圖2 各表征層次得分折線圖

這一結論與黃銘舜[8]研究的高三學生的原始物理表征能力有相似的地方。

抽象表征是被試者將原始物理問題抽象成物理模型進行解答的過程，這是解決問題的關鍵，要求學生應用所學知識和模型從原始問題中抽取主要信息進行抽象加工；而圖像表征是學生經過抽象表征后將物理模型通過圖像或數形結合的方式進行更深入的解答，如果第一層次的抽象加工失敗，那么圖像表征也就談不上了。表明學生在進行問題解答時表現出的抽象和圖像表征能力欠缺。

另外卓越班的表征能力得分平均值為38.11，而普通班平均值為24.61，存在較大差異。這也在意料之中。卓越班學生是在新生入學后通過筆試和面試選拔出來的，綜合素質普遍優于其他班級，其原始物理問題的表征能力也自然比較強。

3.3 原始物理問題測量問卷的差異性分析

1) 表征能力的性別差異

從圖2可以看出，女生總體表征水平比男生的總體表征水平低，但差異不顯著。同時還顯示女生各層次的表征水平由低到高排前三位的分別是抽象表征、圖像表征和方法表征。而男生的是圖像表征、數學表征和抽象表征。說明男女生在圖像表征方面差別不大，但在抽象表征、物理表征、方法表征方面差別相對大一些。

各分數段男女生人數分布和占比統計如表5

表5 表征能力各分數段男女生的分布

所示。表中我們可以看到得分在0～41(不及格)分和42～55分(及格)的兩個分數段的女生占比比男生高，而56～62分數段(良好)，男生的占比相較于女生占比高出3.1個百分點。在63～70分數段(優秀)上，男生的占比1.8%，女生占比0.0%。這說明在解答原始物理問題時，高分段男生的比例大于該段女生的比例。

2) 表征能力的生源地差異

同時，我們對學生的表征能力水平與其所在生源地進行差異分析，生源地劃分為以下4種：農村或鄉鎮(編號1)、縣城(編號2)、中小城市(編號3)、省城或直轄市(編號4)。統計被試的生源地分布與原始物理問題表征水平情況，如表6和圖3所示。

圖3 表征水平按生源地人數分布

數據顯示，表征能力最低是生源地為縣城的學生，不及格率最高，及格率最低；同時也顯示表征能力較高的是來自省城或直轄市的學生。得分0～42分之間的比例相比較最小；得分大于42分的百分比最大，高出3-1類生源地的百分比分別為：2.3%、8.41%和3.43%。這就在一定程度上說明，當面對實際物理問題解決時，來自省城或直轄市的學生其物理問題表征水平要稍高一些，說明教育生態環境會對學生的原始物理問題表征能力產生一定影響。教育資源、教育理念、家庭和社會環境都會潛移默化地影響學生解決問題的能力。

3.4 原始物理問題表征能力的相關性分析

前面，我們分析了各表征層次中抽象表征的能力處于較低的水平，而抽象表征能力的高低與邏輯思維能力和非邏輯思維能力密切相關。抽象表征這個過程需要學生使用理想化方法，抓住主要因素、忽略次要因素，將物理現象轉變為物理模型的過程。這一表征過程往往表現出邏輯性思維和非邏輯性思維的協同與競爭。

邏輯思維能力是學生澄清概念的能力、準確判斷的能力、嚴密推理的能力、合理論證能力及辨識謬誤能力的總和。科技發展和社會進步對其都有著必要的需求。我們利用杜國平[8]編寫的邏輯思維能力測量問卷測量學生邏輯思維能力，該問卷滿分100分。

非邏輯性思維能力通常指學生的創造性思維能力，我們將栗玉波[9]修訂的TCI以及威廉斯創造力傾向問卷整合在一起測量學生的創造性思維能力，該問卷滿分140分，測量維度包括學生的挑戰性、冒險性、好奇性和想象力、變通性和流暢性。問卷均在測量學生原始物理問題表征能力的同時進行測量,采用現場答卷并回收的方式進行，樣本與原始物理問題表征能力測試相同。意在分別進行兩者的相關性分析，統計結果如表7所示。

其中，創造性思維能力6個維度的得分情況和Pearson相關系數如表8所示。

表6 被試的生源地分布與原始物理問題表征水平情況

表7 原始物理問題表征能力與思維能力的相關性

注：*表示在0.05水平上顯著相關；**表示在0.01水平上顯著相關。

表8 原始物理問題表征能力與創造性思維

注：*表示在0.05水平上顯著相關；**表示在0.01水平上顯著相關。

結果顯示，學生在解決原始物理時，總體上看表征能力與邏輯性思維能力的相關系數為0.707，與創造性思維能力相關系數為0.624；從具體維度看，與創造性思維能力相關系數較大的是挑戰性、變通性、流暢性，均大于0.7，且在0.01水平上顯著相關。這表明學生在進行原始物理問題的解決過程中，表現出的挑戰性、變通性和流暢性的品質越高，邏輯思維能力越強，其解決原始物理問題的能力就會更高。同時顯示創造性思維、邏輯思維測試平均得分處于較低水平，這一結果對我們的物理教學有重要的啟示。

4 研究結論

本研究對師范生的原始物理問題的表征能力進行了現狀研究。研究表明:(1)師范生的原始物理問題表征能力水平整體處于較低的水平，從表征的7個層次看抽象表征和圖像表征的得分最低。(2)總體來看男生表征水平略高于女生，但差異并不顯著；男女生在抽象表征、物理表征、方法表征方面差異較大。(3)教育的地域會影響學生的表征能力。來自省城或直轄市的學生相比中小城市、縣城的學生表征能力更好一些。(4)學生表征水平與邏輯思維能力、創造性思維能與均在0.01水平上顯著相關，尤其是創造性思維能力中挑戰性、變通性和流暢性，相關性更高。

5 教學建議

樣本學生在此次研究中表現出的原始物理問題表征能力水平不容樂觀，反映出應用所學知識建立模型，對問題進行抽象解決的能力亟待加強，也說明以往傳統的的物理教學模式急需要改變。從注重知識的傳授要向注重能力的培養轉變；從關注教師的教要向關注學生的學轉變；從學生的被動學習向主動學習轉變。因此我們提出以下基于原始物理問題教學的建議：

(1) 在物理教學中，逐步將原始物理問題與物理教學相結合，相互滲透，創設問題情境，培養學生關注物理現象，發現物理問題、解決問題的科學素養。

(2) 改變傳統的以物理習題為主的作業形式，適當加入原始物理問題，同時通過改變學習任務的類型和作業的評價方式，引入競爭機制，激發興趣，培養挑戰性。評價時不僅要關注對錯，還應關注表征的完整性以及思維的流暢性和變通性，鼓勵學生的奇思妙想。

(3) 改變高校的單一課程評價方式，同時在考試中適當融入原始物理問題，引導學生更加關注原始物理問題，學以致用。

(4) 教師引導學生通過專項訓練，逐步培養、提高學生邏輯思維能力和創造性思維能力，打破學科壁壘，學科之間建立橋梁，切實提高學生實際物理問題解決能力。