郭芳俠 薛雅文

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119)

長(zhǎng)期的物理習(xí)題式教學(xué)模式，使得學(xué)生在面對(duì)實(shí)際物理問(wèn)題時(shí)往往束手無(wú)策，無(wú)法完整解決物理問(wèn)題。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。究其根本原因是物理教學(xué)與實(shí)際物理問(wèn)題解決能力間無(wú)法形成正確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常物理教學(xué)以物理習(xí)題為主，習(xí)題往往是人為地將物理現(xiàn)象高度抽象后的公式演算，它將物理學(xué)習(xí)與物理現(xiàn)象割裂開(kāi)來(lái)，使得學(xué)生實(shí)際物理問(wèn)題解決能力得不到充分的鍛煉。楊振寧教授提出：“物理學(xué)的根源是物理現(xiàn)象”[1]，提高學(xué)生實(shí)際問(wèn)題解決能力對(duì)應(yīng)的教學(xué)方式應(yīng)該是原始物理問(wèn)題教學(xué)，而提高學(xué)生的演算能力對(duì)應(yīng)的教學(xué)方式才是物理習(xí)題教學(xué)[2]。師范生作為未來(lái)基礎(chǔ)教育教師的主力軍，對(duì)學(xué)生實(shí)際物理問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，因此，師范生原始物理問(wèn)題解決能力水平對(duì)基礎(chǔ)教育影響深遠(yuǎn)，同時(shí)在全球科技高度競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境下，迫切需要大力提升師范生的問(wèn)題解決能力，才能為國(guó)家強(qiáng)盛培養(yǎng)更強(qiáng)更優(yōu)的人才。本研究基于自組織表征理論，編制原始物理問(wèn)題測(cè)量問(wèn)卷對(duì)師范生表征能力現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上為物理教學(xué)提出教學(xué)建議。

1 原始物理問(wèn)題的概念界定

早在1983年趙凱華先生已經(jīng)將物理問(wèn)題與物理習(xí)題區(qū)別開(kāi)來(lái)[3]，后來(lái)于克明將兩者的關(guān)系用圖1區(qū)別[4]。

圖1 原始物理問(wèn)題與物理習(xí)題的區(qū)別

從圖1中看到，物理習(xí)題的解決只是物理問(wèn)題解決的一部分，將物理現(xiàn)象人為地進(jìn)行抽象、設(shè)置物理量形成習(xí)題，學(xué)生只需要進(jìn)行演算推導(dǎo)即可得出結(jié)論，但是物理教學(xué)的主要目的在于讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析物理現(xiàn)象，再建立物理模型，演算推導(dǎo)并不是主體部分[5]。

對(duì)于原始物理問(wèn)題概念的界定，邢紅軍教授給出了合理規(guī)范的解釋?zhuān)浩浔举|(zhì)仍然是物理問(wèn)題，是來(lái)源于物理現(xiàn)象，是自然界中存在的典型的物理現(xiàn)象，問(wèn)題來(lái)源于對(duì)未被抽象加工過(guò)的物理現(xiàn)象的客觀描述[6]。原始物理問(wèn)題與純粹的物理習(xí)題相比較而言，不能提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)，提供真實(shí)的問(wèn)題情境，由被試者自行設(shè)置物理量，構(gòu)造出理想的模型進(jìn)行解答。

2 測(cè)量工具的編制及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2.1 原始物理問(wèn)題測(cè)量問(wèn)卷的編制

為深入研究師范生原始物理問(wèn)題的表征能力，在編制測(cè)量問(wèn)卷時(shí)我們基于自組織表征理論[7]，涵蓋了力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué),共5道題目。內(nèi)容的來(lái)源主要是生活現(xiàn)象、歷史事件和物理教材中的素材。同時(shí)需要體現(xiàn)出編制的5大原則：理論性原則；生態(tài)性原則；開(kāi)放性原則；趣味性原則和探索性原則。

2.2 測(cè)試工具的可靠性分析

為了檢驗(yàn)測(cè)量工具的可靠性，初測(cè)時(shí)選擇樣本50人進(jìn)行測(cè)量，回收問(wèn)卷后對(duì)問(wèn)卷進(jìn)行信效度檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量工具可靠性檢驗(yàn)

經(jīng)測(cè)量，原始物理問(wèn)題測(cè)量問(wèn)卷的難度為H=0.59。一般情況下我們認(rèn)為難度在0.3～0.7之間為適中，本測(cè)量工具的難度為0.59，說(shuō)明問(wèn)卷的難度適中。問(wèn)卷信度系數(shù)為0.827，表明原始物理問(wèn)題測(cè)量問(wèn)卷具有較高的內(nèi)部一致性。效度系數(shù)為0.842，表明問(wèn)卷可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量學(xué)生真實(shí)水平。整體平均區(qū)分度D=0.732，均大于0.4，說(shuō)明是一個(gè)較好的測(cè)量工具?？梢赃M(jìn)行正式施測(cè)。

2.3 測(cè)量問(wèn)卷的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)自組織理論，原始物理問(wèn)題表征水平包含7個(gè)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(shù)學(xué)表征。對(duì)選取的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)學(xué)生作答情況將其每個(gè)層次的表征水平劃為3個(gè)等級(jí)，選取“原始物理問(wèn)題測(cè)量問(wèn)卷”一題說(shuō)明評(píng)分細(xì)則，如表2所示。

表2 表征能力評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

題目：在十字路口行駛的車(chē)輛，駛進(jìn)交叉路口的駕駛員在看到黃色信號(hào)燈后要立即做出決定：停車(chē)還是通過(guò)路口。若司機(jī)選擇停車(chē)，求汽車(chē)到達(dá)停止線(xiàn)的安全距離；如司機(jī)選擇通過(guò)路口，求汽車(chē)安全通過(guò)路口所需時(shí)間(即黃燈時(shí)間間隔)。

根據(jù)表2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)者的每一個(gè)表征層次水平進(jìn)行賦值并相加，得到其原始物理問(wèn)題測(cè)量問(wèn)卷的總得分。問(wèn)卷總計(jì)5道題，每道題含7個(gè)表征層次，每個(gè)層次賦值2分，問(wèn)卷滿(mǎn)分70分。得分越高代表該被試者原始物理問(wèn)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?jǐn)?shù)段劃分依據(jù)轉(zhuǎn)化為百分制評(píng)定，評(píng)定等級(jí)如表3所示。

表3 分?jǐn)?shù)段劃分及評(píng)價(jià)等級(jí)

3 原始物理問(wèn)題表征能力具體分析

3.1 研究對(duì)象選取

選取某校在校1～3年級(jí)的物理師范生為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)答題并回收的方式，施測(cè)時(shí)間50分鐘。正式施測(cè)時(shí)總共發(fā)放420份問(wèn)卷，剔除無(wú)效問(wèn)卷后，有效問(wèn)卷數(shù)為346份。問(wèn)卷有效率為82.38%。其中卓越班共計(jì)71人，平行班共計(jì)275人。男生114人，女生232人。問(wèn)卷回收后使用Excel、SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。

3.2 問(wèn)卷總體情況分析

被試者在面對(duì)原始物理問(wèn)題解答時(shí)，會(huì)經(jīng)歷7個(gè)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(shù)學(xué)表征。完整地解答一個(gè)原始物理問(wèn)題，這7個(gè)表征層次貫穿解題的整個(gè)過(guò)程，是隨著問(wèn)題解答的進(jìn)程而動(dòng)態(tài)變化的，并不是按順序依次出現(xiàn)的?？傮w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(xiàn)圖如圖2所示，表4及圖2表明總體來(lái)看學(xué)生原始物理問(wèn)題表征水平處于低水平狀態(tài)；從表征層次來(lái)看其圖像表征、抽象表征及數(shù)學(xué)表征水平與其他表征層次比較相對(duì)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(xiàn)圖

這一結(jié)論與黃銘舜[8]研究的高三學(xué)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(wèn)題抽象成物理模型進(jìn)行解答的過(guò)程，這是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，要求學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和模型從原始問(wèn)題中抽取主要信息進(jìn)行抽象加工；而圖像表征是學(xué)生經(jīng)過(guò)抽象表征后將物理模型通過(guò)圖像或數(shù)形結(jié)合的方式進(jìn)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(xué)生在進(jìn)行問(wèn)題解答時(shí)表現(xiàn)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(xué)生是在新生入學(xué)后通過(guò)筆試和面試選拔出來(lái)的，綜合素質(zhì)普遍優(yōu)于其他班級(jí)，其原始物理問(wèn)題的表征能力也自然比較強(qiáng)。

3.3 原始物理問(wèn)題測(cè)量問(wèn)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(shí)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(shù)學(xué)表征和抽象表征。說(shuō)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(duì)大一些。

各分?jǐn)?shù)段男女生人數(shù)分布和占比統(tǒng)計(jì)如表5

表5 表征能力各分?jǐn)?shù)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(gè)分?jǐn)?shù)段的女生占比比男生高，而56～62分?jǐn)?shù)段(良好)，男生的占比相較于女生占比高出3.1個(gè)百分點(diǎn)。在63～70分?jǐn)?shù)段(優(yōu)秀)上，男生的占比1.8%，女生占比0.0%。這說(shuō)明在解答原始物理問(wèn)題時(shí)，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(shí)，我們對(duì)學(xué)生的表征能力水平與其所在生源地進(jìn)行差異分析，生源地劃分為以下4種：農(nóng)村或鄉(xiāng)鎮(zhèn)(編號(hào)1)、縣城(編號(hào)2)、中小城市(編號(hào)3)、省城或直轄市(編號(hào)4)。統(tǒng)計(jì)被試的生源地分布與原始物理問(wèn)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(shù)分布

數(shù)據(jù)顯示，表征能力最低是生源地為縣城的學(xué)生，不及格率最高，及格率最低；同時(shí)也顯示表征能力較高的是來(lái)自省城或直轄市的學(xué)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(lèi)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(shuō)明，當(dāng)面對(duì)實(shí)際物理問(wèn)題解決時(shí)，來(lái)自省城或直轄市的學(xué)生其物理問(wèn)題表征水平要稍高一些，說(shuō)明教育生態(tài)環(huán)境會(huì)對(duì)學(xué)生的原始物理問(wèn)題表征能力產(chǎn)生一定影響。教育資源、教育理念、家庭和社會(huì)環(huán)境都會(huì)潛移默化地影響學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

3.4 原始物理問(wèn)題表征能力的相關(guān)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(guān)。抽象表征這個(gè)過(guò)程需要學(xué)生使用理想化方法，抓住主要因素、忽略次要因素，將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ偷倪^(guò)程。這一表征過(guò)程往往表現(xiàn)出邏輯性思維和非邏輯性思維的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)。

邏輯思維能力是學(xué)生澄清概念的能力、準(zhǔn)確判斷的能力、嚴(yán)密推理的能力、合理論證能力及辨識(shí)謬誤能力的總和。科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步對(duì)其都有著必要的需求。我們利用杜國(guó)平[8]編寫(xiě)的邏輯思維能力測(cè)量問(wèn)卷測(cè)量學(xué)生邏輯思維能力，該問(wèn)卷滿(mǎn)分100分。

非邏輯性思維能力通常指學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，我們將栗玉波[9]修訂的TCI以及威廉斯創(chuàng)造力傾向問(wèn)卷整合在一起測(cè)量學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，該問(wèn)卷滿(mǎn)分140分，測(cè)量維度包括學(xué)生的挑戰(zhàn)性、冒險(xiǎn)性、好奇性和想象力、變通性和流暢性。問(wèn)卷均在測(cè)量學(xué)生原始物理問(wèn)題表征能力的同時(shí)進(jìn)行測(cè)量,采用現(xiàn)場(chǎng)答卷并回收的方式進(jìn)行，樣本與原始物理問(wèn)題表征能力測(cè)試相同。意在分別進(jìn)行兩者的相關(guān)性分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示。

其中，創(chuàng)造性思維能力6個(gè)維度的得分情況和Pearson相關(guān)系數(shù)如表8所示。

表6 被試的生源地分布與原始物理問(wèn)題表征水平情況

表7 原始物理問(wèn)題表征能力與思維能力的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

表8 原始物理問(wèn)題表征能力與創(chuàng)造性思維

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

結(jié)果顯示，學(xué)生在解決原始物理時(shí)，總體上看表征能力與邏輯性思維能力的相關(guān)系數(shù)為0.707，與創(chuàng)造性思維能力相關(guān)系數(shù)為0.624；從具體維度看，與創(chuàng)造性思維能力相關(guān)系數(shù)較大的是挑戰(zhàn)性、變通性、流暢性，均大于0.7，且在0.01水平上顯著相關(guān)。這表明學(xué)生在進(jìn)行原始物理問(wèn)題的解決過(guò)程中，表現(xiàn)出的挑戰(zhàn)性、變通性和流暢性的品質(zhì)越高，邏輯思維能力越強(qiáng)，其解決原始物理問(wèn)題的能力就會(huì)更高。同時(shí)顯示創(chuàng)造性思維、邏輯思維測(cè)試平均得分處于較低水平，這一結(jié)果對(duì)我們的物理教學(xué)有重要的啟示。

4 研究結(jié)論

本研究對(duì)師范生的原始物理問(wèn)題的表征能力進(jìn)行了現(xiàn)狀研究。研究表明:(1)師范生的原始物理問(wèn)題表征能力水平整體處于較低的水平，從表征的7個(gè)層次看抽象表征和圖像表征的得分最低。(2)總體來(lái)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(huì)影響學(xué)生的表征能力。來(lái)自省城或直轄市的學(xué)生相比中小城市、縣城的學(xué)生表征能力更好一些。(4)學(xué)生表征水平與邏輯思維能力、創(chuàng)造性思維能與均在0.01水平上顯著相關(guān)，尤其是創(chuàng)造性思維能力中挑戰(zhàn)性、變通性和流暢性，相關(guān)性更高。

5 教學(xué)建議

樣本學(xué)生在此次研究中表現(xiàn)出的原始物理問(wèn)題表征能力水平不容樂(lè)觀，反映出應(yīng)用所學(xué)知識(shí)建立模型，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象解決的能力亟待加強(qiáng)，也說(shuō)明以往傳統(tǒng)的的物理教學(xué)模式急需要改變。從注重知識(shí)的傳授要向注重能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)變；從關(guān)注教師的教要向關(guān)注學(xué)生的學(xué)轉(zhuǎn)變；從學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。因此我們提出以下基于原始物理問(wèn)題教學(xué)的建議：

(1) 在物理教學(xué)中，逐步將原始物理問(wèn)題與物理教學(xué)相結(jié)合，相互滲透，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)物理問(wèn)題、解決問(wèn)題的科學(xué)素養(yǎng)。

(2) 改變傳統(tǒng)的以物理習(xí)題為主的作業(yè)形式，適當(dāng)加入原始物理問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)改變學(xué)習(xí)任務(wù)的類(lèi)型和作業(yè)的評(píng)價(jià)方式，引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，激發(fā)興趣，培養(yǎng)挑戰(zhàn)性。評(píng)價(jià)時(shí)不僅要關(guān)注對(duì)錯(cuò)，還應(yīng)關(guān)注表征的完整性以及思維的流暢性和變通性，鼓勵(lì)學(xué)生的奇思妙想。

(3) 改變高校的單一課程評(píng)價(jià)方式，同時(shí)在考試中適當(dāng)融入原始物理問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生更加關(guān)注原始物理問(wèn)題，學(xué)以致用。

(4) 教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練，逐步培養(yǎng)、提高學(xué)生邏輯思維能力和創(chuàng)造性思維能力，打破學(xué)科壁壘，學(xué)科之間建立橋梁，切實(shí)提高學(xué)生實(shí)際物理問(wèn)題解決能力。