鄭朝陽 郭玉英

（1.中國人民大學(xué)附屬中學(xué)朝陽學(xué)校，北京 100029；2.北京師范大學(xué)物理系，北京 100875）

問題解決者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)無疑對(duì)問題解決的過程會(huì)產(chǎn)生重要影響.各類評(píng)價(jià)考試中，大多都利用測(cè)試題來檢測(cè)被試者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)情況.測(cè)試結(jié)果外顯了被試“腦黑箱”中的部分認(rèn)知結(jié)構(gòu).在高中力學(xué)問題解決的過程中，哪些認(rèn)知因素會(huì)對(duì)力學(xué)問題解決產(chǎn)生影響呢？

1 問題解決的認(rèn)知因素分析和界定

通過對(duì)受試者問題解決過程的研究，認(rèn)知心理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，問題解決專家的知識(shí)具有層級(jí)結(jié)構(gòu).他們的認(rèn)知圖式不僅有清晰的結(jié)構(gòu)層次，且其樹形圖的低層分枝與問題細(xì)節(jié)直接相連，這為專家解決問題提供了心理捷徑.問題解決新手的陳述性知識(shí)之間聯(lián)系往往不強(qiáng)，沒有形成有效的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，很多是一些“知識(shí)孤島”.當(dāng)面對(duì)復(fù)雜問題時(shí)，新手往往很難綜合應(yīng)用這些陳述性知識(shí)一起解決問題.

進(jìn)一步研究表明，問題解決專家利用了有組織的、層次結(jié)構(gòu)分明、且能夠與問題細(xì)節(jié)相聯(lián)系的問題圖式來解決問題.問題圖式是一類能通過對(duì)即將呈現(xiàn)的刺激形成某種預(yù)期，進(jìn)而引導(dǎo)相應(yīng)知覺過程的積極的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

問題圖式是由與問題類型有關(guān)的原理、概念、關(guān)系、程序、規(guī)則、操作等構(gòu)成的有機(jī)綜合體.它包括多方面的含義：（1）它是與問題解決有關(guān)的有組織的知識(shí)組塊；（2）它是對(duì)已有問題解決成功樣例的概括和抽象；（3）它可以被當(dāng)前問題情景的某些線索激活，進(jìn)而預(yù)測(cè)或猜測(cè)某些未知覺到的線索，有助于問題解決；（4）它結(jié)合了問題解決的策略、方法和程序，甚至自動(dòng)化的操作程序，它會(huì)引導(dǎo)問題的解決過程.由于各種不同類型的知識(shí)都能夠壓縮在圖式之中，所以問題圖式包含從具體到抽象的各種特征和結(jié)構(gòu)的知識(shí).

研究者們發(fā)現(xiàn)，問題圖式對(duì)問題解決的作用主要表現(xiàn)在：影響對(duì)問題情境的知覺、影響對(duì)問題的理解、影響問題解決方法的獲得、影響對(duì)情境信息的預(yù)測(cè)等.正確有效的問題圖式能夠迅速使問題解決者理解問題、知覺問題信息、理解并建立問題情境、獲取有效的方法等.另外，問題圖式對(duì)問題解決也有負(fù)面影響.這是因?yàn)椋簡栴}圖式的過濾作用可能造成大量信息的喪失、圖式常常難于改變?cè)斐啥▌?shì)效應(yīng)、錯(cuò)誤圖式會(huì)誤導(dǎo)問題的解決.

綜合以上觀點(diǎn)可知，陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、元認(rèn)知等共同形成問題圖式后對(duì)問題解決產(chǎn)生了重要影響.為了便于進(jìn)行實(shí)證研究，本文把構(gòu)成問題圖式的主要成分定義為影響高中力學(xué)問題解決的認(rèn)知因素，包括陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和元認(rèn)知.陳述性知識(shí)是認(rèn)知主體能夠有意識(shí)地提取并且能夠用口頭語言或文字來表達(dá)的知識(shí)，主要包括概念、規(guī)律和事實(shí)性知識(shí).程序性知識(shí)是指人在肢體或腦力活動(dòng)過程中，無意識(shí)地表現(xiàn)出來的一序列操作和程序.元認(rèn)知是認(rèn)知主體對(duì)自己認(rèn)知過程的知識(shí)，以及積極主動(dòng)管理和控制認(rèn)知過程的能力，還包括對(duì)認(rèn)知過程的情感體驗(yàn).元認(rèn)知知識(shí)包括對(duì)認(rèn)知主體自己認(rèn)知特征的認(rèn)識(shí)、對(duì)要完成的認(rèn)知任務(wù)的知識(shí)、學(xué)習(xí)策略和使用方法的知識(shí).元認(rèn)知監(jiān)控是認(rèn)知主體積極主動(dòng)地利用元認(rèn)知知識(shí)對(duì)認(rèn)知過程進(jìn)行管理和控制的能力.元認(rèn)知體驗(yàn)是對(duì)認(rèn)知過程形成的認(rèn)知情感體驗(yàn).

2 研究過程和方法

通過研究以往全國物理高考試題，發(fā)現(xiàn)有大約52種力學(xué)問題的類型，進(jìn)一步從中發(fā)現(xiàn)約有19種中學(xué)力學(xué)問題基本類型，根據(jù)高中物理核心知識(shí)找出對(duì)應(yīng)的力學(xué)問題基本類型有11種.在此基礎(chǔ)上，考慮到測(cè)試時(shí)間1h左右，本研究從中找出5個(gè)包含高中重要力學(xué)規(guī)律和概念的典型問題，從實(shí)證的角度研究了陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、元認(rèn)知和問題解決能力相互之間的相關(guān)性.

2.1 確定高中力學(xué)問題解決的有關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)

陳述性知識(shí)指標(biāo).根據(jù)每個(gè)測(cè)試題所涉及的具體力學(xué)內(nèi)容，本研究設(shè)計(jì)了以一系列概念、規(guī)律和事實(shí)性知識(shí)等為內(nèi)容的訪談問題.在被試做完測(cè)試題后，馬上用這些陳述性知識(shí)問題對(duì)被試進(jìn)行提問訪談，對(duì)訪談結(jié)果設(shè)計(jì)了被試的陳述性知識(shí)指標(biāo).

程序性知識(shí)指標(biāo).通過對(duì)這5個(gè)力學(xué)問題解決過程模型的詳細(xì)分析，按照力學(xué)問題解決的相關(guān)程序和步驟，對(duì)每一個(gè)測(cè)試題設(shè)計(jì)了相應(yīng)的程序性知識(shí)指標(biāo).

元認(rèn)知語句指標(biāo).通過被試的口語報(bào)告和解題過程的書寫來確定被試的元認(rèn)知水平.研究中采取抽取口語報(bào)告中的“元認(rèn)知語句數(shù)量”和“有效元認(rèn)知監(jiān)控語句數(shù)量”來統(tǒng)計(jì)被試元認(rèn)知監(jiān)控的情況.“有效元認(rèn)知監(jiān)控語句”是指該元認(rèn)知監(jiān)控語句能夠有利于被試朝著正確方向解決問題，而沒有把被試引向不利于解決問題的方向.

問題解決能力指標(biāo).本研究中的問題解決能力是指應(yīng)用陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和元認(rèn)知知識(shí)等解決物理問題的實(shí)際能力，其指標(biāo)包括：是否正確地確定了研究對(duì)象、是否正確對(duì)物體進(jìn)行了受力分析、是否正確畫出了受力分析圖、是否正確應(yīng)用了問題情境及其條件、是否明確解決問題的路徑、邏輯推理語句的多少、邏輯推理的嚴(yán)密程度、是否正確應(yīng)用了相應(yīng)的策略、是否正確進(jìn)行了分析、判斷和推理、是否對(duì)應(yīng)用概念和規(guī)律的條件進(jìn)行了正確判斷和推理、解決問題中錯(cuò)誤概念的多少、是否正確應(yīng)用了概念、是否正確應(yīng)用了力學(xué)規(guī)律、是否正確地應(yīng)用相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識(shí)、是否得出了正確的結(jié)論等.

與傳統(tǒng)的閱卷記分方法相比，用以上指標(biāo)來確定被試的力學(xué)問題解決能力，能夠從認(rèn)知過程和認(rèn)知結(jié)果2個(gè)方面的信息來反映被試的知識(shí)應(yīng)用能力.因此，用這些指標(biāo)體系能夠比分?jǐn)?shù)更準(zhǔn)確全面地反映問題解決者的力學(xué)問題解決能力，其效度更高.

2.2 測(cè)試與訪談

本研究對(duì)32名高中學(xué)生和9名高中物理教師進(jìn)行了測(cè)試.在測(cè)試完后，馬上對(duì)被試進(jìn)行了訪談錄音.為了保證測(cè)試質(zhì)量，每次施測(cè)時(shí)都只測(cè)試一名被試，研究者一直都在現(xiàn)場(chǎng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)錄音.

為了保證口語報(bào)告的質(zhì)量，在正式測(cè)試之前，測(cè)試者對(duì)每位被試都進(jìn)行簡單的口語報(bào)告培訓(xùn).測(cè)試者先用一個(gè)示范試題，通過大聲說出思考的內(nèi)容向被試展示解題的思維過程和書寫過程.接著，要求被試模仿示范者的方式進(jìn)行解題，并把思考的內(nèi)容大聲說出來.在測(cè)試者感到滿意后，被試開始解題，并大聲說出思考內(nèi)容.測(cè)試者此時(shí)開始錄音直到被試解題過程結(jié)束.被試解題過程平均大約1.5h.在被試解題完成后，按照問題順序，測(cè)試者馬上對(duì)被試進(jìn)行訪談.平均每個(gè)被試訪談時(shí)間大約40min左右.

在對(duì)每個(gè)被試的書面解題材料、口語報(bào)告錄音和訪談錄音進(jìn)行編號(hào)后，按照編號(hào)把被試錄音轉(zhuǎn)換成文字形式，利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系從這些材料中獲取相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

由于樣本總?cè)藬?shù)僅為41人，數(shù)量比較少，也很難滿足參數(shù)相關(guān)性檢驗(yàn)的正態(tài)分布條件，因此，對(duì)全體被試的陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、元認(rèn)知語句和問題解決能力之間相關(guān)性檢驗(yàn)用了參數(shù)檢驗(yàn)和非參數(shù)檢驗(yàn)兩種方法，兩種相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果完全一致，相關(guān)系數(shù)差異很小.這也說明總體樣本近似正態(tài)分布.

2.3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表1、表2分別為全體被試的積差相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果和全體被試非參數(shù)相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果，有效樣本人數(shù)為40人.

根據(jù)以上2種檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果：全體被試的陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、問題解決能力兩兩之間存在極顯著的高度正相關(guān)性.全體被試的陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、問題解決能力分別與元認(rèn)知監(jiān)控語句存在顯著的中等正相關(guān)性.

表1

表2

3 研究結(jié)論

根據(jù)相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果，分析得到以下結(jié)論.

結(jié)論1：對(duì)于本研究的全體被試，他們的問題解決能力與其陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、元認(rèn)知有密切聯(lián)系.被試的陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、元認(rèn)知3個(gè)方面共同正向影響他們的力學(xué)問題解決能力和水平，其中問題解決能力與程序性知識(shí)的相關(guān)性最高，陳述性知識(shí)次之.

結(jié)論2：對(duì)于本研究的全體被試，他們的中學(xué)力學(xué)陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和元認(rèn)知在實(shí)際解決問題的過程中緊密聯(lián)系在一起.其中陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)之間存在極顯著的高度正相關(guān)，陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)分別與元認(rèn)知監(jiān)控語句存在顯著的中度正相關(guān).

通過對(duì)問題解決能力與陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、元認(rèn)知的相關(guān)性進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：

結(jié)論3：在問題解決的過程中，問題解決者的陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)、元認(rèn)知監(jiān)控3方面發(fā)展存在不同步的現(xiàn)象.或者在不同的發(fā)展階段上，3種認(rèn)知成份可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)展不同步的現(xiàn)象.

通過進(jìn)一步對(duì)被試的問題解決過程的定性分析研究后發(fā)現(xiàn)：

結(jié)論4：程序性知識(shí)具有引導(dǎo)思維和啟動(dòng)應(yīng)用陳述性知識(shí)的作用.

在高中力學(xué)問題解決中，如果沒有程序性地應(yīng)用陳述知識(shí)，就容易導(dǎo)致受力分析不全面、得出錯(cuò)誤的隱含信息、對(duì)規(guī)律應(yīng)用條件的錯(cuò)誤判斷、直覺的錯(cuò)誤判斷、直覺遷移結(jié)論.在以上基礎(chǔ)上進(jìn)一步導(dǎo)致問題圖式不豐富，對(duì)問題情境中隱含的信息預(yù)測(cè)性不強(qiáng)，因而也就導(dǎo)致出現(xiàn)很多錯(cuò)誤.凡是錯(cuò)誤較多的被試，元認(rèn)知監(jiān)控語句很少，其元認(rèn)知監(jiān)控水平較低.

通過進(jìn)一步對(duì)被試問題解決典型錯(cuò)誤的定性分析研究后，還得到如下結(jié)論.

結(jié)論5：導(dǎo)致解題錯(cuò)誤有以下4種類型.

（1）提取錯(cuò)誤情境信息＋正確應(yīng)用物理知識(shí)→正確邏輯推理→錯(cuò)誤結(jié)論；

（2）提取正確情境信息＋錯(cuò)誤應(yīng)用物理知識(shí)→正確邏輯推理→錯(cuò)誤結(jié)論；

（3）提取正確情境信息＋錯(cuò)誤理解物理知識(shí)→正確邏輯推理→錯(cuò)誤結(jié)論；

（4）提取正確情境信息＋特殊具體正確結(jié)論→錯(cuò)誤直覺推理→錯(cuò)誤結(jié)論；

其中第（4）種錯(cuò)誤結(jié)論形成是由于把特殊條件下的二級(jí)結(jié)論擴(kuò)大到適用范圍外造成的.

4 討論

由以上研究結(jié)論可以看出，在高中力學(xué)問題解決中，陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和元認(rèn)知緊密聯(lián)系在一起，構(gòu)成了問題圖式，完善的問題圖式有助于迅速解決問題.

以上研究還說明，程序性知識(shí)技能在問題解決過程中起到了非常重要的作用.這是由于程序性知識(shí)具有引導(dǎo)思維、啟動(dòng)應(yīng)用陳述性知識(shí)和方法等的作用，潛在地為問題解決者指引問題解決的方向，但程序性知識(shí)技能的獲得不能夠用學(xué)習(xí)陳述性知識(shí)的方法獲得，只能通過問題解決過程習(xí)得.

除了陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和元認(rèn)知對(duì)問題解決產(chǎn)生影響外，推理能力對(duì)問題解決過程也會(huì)產(chǎn)生重要影響，但本研究沒有進(jìn)行此方面的實(shí)證研究.另外，根據(jù)皮亞杰的觀點(diǎn)，已有圖式是過去圖式與推理能力等認(rèn)知因素共同作用的結(jié)果，而新圖式的形成則依賴于過去圖式和推理能力等認(rèn)知因素.所以推理能力直接影響到個(gè)體圖式的形成，也就是推理能力直接影響著個(gè)體認(rèn)知結(jié)構(gòu)的變化和發(fā)展.

5 教學(xué)建議

根據(jù)以上研究結(jié)論，本文提出如下教學(xué)建議.

（1）從多個(gè)方面讓學(xué)生參與陳述性知識(shí)的建構(gòu).從多方面讓學(xué)生建立對(duì)陳述性知識(shí)的理解，包括概念規(guī)律背景知識(shí)、概念規(guī)律的物理思想、并且還要盡可能讓學(xué)生參與動(dòng)手操作和觀察一些現(xiàn)象等，以便學(xué)生形成有效的陳述性知識(shí)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

（2）要特別關(guān)注學(xué)生程序性知識(shí)技能的培養(yǎng).由于程序性知識(shí)技能在問題解決中非常重要，要求教師在問題解決的教學(xué)過程中，首先要根據(jù)概念和規(guī)律的應(yīng)用過程，總結(jié)這些概念和規(guī)律應(yīng)用的程序性方法和步驟等，其次通過必要和有效的適量變式練習(xí)，把這些方法和步驟轉(zhuǎn)化為學(xué)生的程序性知識(shí)技能.

（3）注重元認(rèn)知的培養(yǎng).在進(jìn)行概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)及其應(yīng)用的過程中，都要注重對(duì)學(xué)生元認(rèn)知方面的培養(yǎng).要聯(lián)系概念規(guī)律建構(gòu)和問題解決過程，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生在元認(rèn)知各個(gè)方面的知識(shí)和元認(rèn)知監(jiān)控能力等.

（4）對(duì)學(xué)生在問題解決過程中出現(xiàn)的直覺推理錯(cuò)誤進(jìn)行深刻剖析，轉(zhuǎn)化其相異構(gòu)想.學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生了大量的不科學(xué)觀念——相異構(gòu)想.這些相異構(gòu)想是學(xué)生進(jìn)行直覺錯(cuò)誤推理后形成的.通過對(duì)這些相異構(gòu)想的深刻剖析，一方面可以糾正學(xué)生的錯(cuò)誤觀念，另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生形成符合物理學(xué)科特點(diǎn)的思維方法和習(xí)慣.

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