罗 成
(内蒙古自治区乌拉特前旗第一中学,内蒙古 巴彦淖尔 014400)
①本文为内蒙古自治区基础教育科学“十二五”规划课题“高中生建立与使用物理错题本的实效性研究”(批准号:2014JGH073)的阶段性成果.
高中物理习题中的信息处理策略初探①
——基于信息加工心理学的视角
罗成
(内蒙古自治区乌拉特前旗第一中学,内蒙古巴彦淖尔014400)
①本文为内蒙古自治区基础教育科学“十二五”规划课题“高中生建立与使用物理错题本的实效性研究”(批准号:2014JGH073)的阶段性成果.
摘要:培养学生辨别、获取和处理信息的能力是高中物理课程教学目标之一.现代认知心理学认为解题过程本质上是“信息的输入—加工—输出”的过程.解答物理习题,正确处理习题信息是核心环节,它不仅能使学生突破思维障碍,提高解题速度,而且能够培养学生对信息识别、判断和处理的基本能力.
关键词:物理习题教学;信息处理;策略
《国家基础教育课程改革纲要(试行)》提出了课程改革目标,倡导学生主动参与,乐于探究,勤于动手,培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力.《普通高中物理课程标准(实验)》提出:使学生“具有一定的质疑能力,信息收集和处理能力,分析、解决问题能力和交流、合作能力”,“具有判断大众传媒有关信息是否科学的意识”[1].综上所述,培养学生辨别、获取和处理信息的能力是高中物理课程教学目标之一.
信息加工理论的基本观点是“人类是信息加工者,心理是一个信息加工系统,认知是一系列心理加工过程,学习就是心理表征”,无论是有生命的(人)还是人工的(计算机)信息加工系统都是操纵符号的,符号是模式,如语言、标记、记号等[2].因此,信息加工理论认为学习就是习得和使用信息.有鉴于此,物理学习在一定程度上也可认为是物理知识的习得和使用,物理习题对此具有良好的反馈、评价功能,习题教学是高中物理教学的重要环节之一.通过物理习题解答,能帮助学生从不同的角度完善对概念、规律的理解,更能帮助学生提高识别、获取和处理信息的基本能力[3].
挖掘和处理高中物理习题中的核心信息在解决物理习题时就显得尤为重要,本文从信息加工心理学的视角,分析学生在处理高中物理习题中信息处理的困难及其对策.
1学生对物理习题中信息处理的错因分析
1.1不能提取关键信息,造成建模困难
图1
米勒提出短时记忆容量为7±2个组块,通过实验发现:当用不熟悉材料做实验时,测量出的记忆容量明显减少,大约为4~5个信息单元.一些物理试题呈现的信息量过多,超出学生的短时记忆容量时,信息中的一些关键信息就很可能会被遗漏,从而影响学生对核心信息的提取与加工,将核心信息转化为物理情景,准确建立物理模型则无从谈起,以致于发生错误.
例1(2014年新课标Ⅱ卷第23题):某实验小组探究弹簧的劲度系数k与其长度(圈数)的关系,实验装置如图1所示,一均匀长弹簧竖直悬挂,7个指针P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分别固定在弹簧上距悬点0、10、20、30、40、50、60圈处;通过旁边竖直放置的刻度尺,可以读出指针的位置,P0指向0刻度;设弹簧下端未挂重物时,各指针的位置记为x0;挂有质量为0.100kg砝码时,各指针的位置记为x;测量结果及部分计算结果如下表所示(n为弹簧的圈数,取重力加速度为9.80m/s2).已知实验所用弹簧的总圈数为60,整个弹簧的自由长度为11.88cm.
P1P2P3P4P5P6x0(cm)2.044.066.068.0510.0312.01x(cm)2.645.267.8110.3012.9315.41n102030405060k(N/m)163①56.043.633.828.81k(m/N)0.0061②0.01790.02290.02960.0347
(1) 将表中数据补充完整:①,②;
以2014年甘肃参加新课标Ⅱ理综卷考试的144467名考生为样本量,本题总体得分情况如下表.
得分0123456789平均百分比15.71.13.743.412.716.22.44.5900.23.19
通过学生的得分情况可以看出学生答题出现的主要问题有:(1) 最高分为9分,大部分学生分数在3~4分,得分较低,还有15.7%的考生得0分;(2) 根据得分情况反映出学生利用函数图像归纳规律的能力较差;(3) 有一半学生回答第一问时,没能正确运用胡克定律计算,而在求k的倒数是运算能力差,导致小数点位置错误;(4) 考题最后一问,劲度系数k与其自由长度l0的关系式的表达几乎无人问津.
本题中呈现的信息量较多(题目总字数达215字),一部分学生看到题目很长,直接选择放弃.有一大部分学生求解时,没有发现问题中的隐性信息,漏掉隐性信息会使问题得不到解决,这就要求在解题过程中要思维宽广,注意联系基本原理和基本规律.
题目所呈现的文本信息其实是一种外界刺激物,认知水平不同的学生对同样题目的理解、核心信息的甄别有明显的差异.实践证明,学生对单纯文字的信息识别能力明显强于图、表信息,不少学生很难从图、表中提取有效信息,更难以抽象出关键信息.
1.2不按序列加工信息,引起思维混乱
要解决一个具体的物理习题一般要经历若干个信息加工过程,该过程环环相扣,如果学生不能对信息进行序列化加工,出现遗漏某些信息加工过程,则会影响下一步的逻辑加工,引发思维混乱.
例2(2014年新课标Ⅱ卷第16题):一物体静止在粗糙水平地面上,现用F1的水平拉力拉动物体,经过一段时间后其速度变为v,若将水平拉力的大小改为F2,物体从静止开始经过同样的时间后速度变为2v,对于上述两个过程,用WF1、WF2分别表示拉力F1、F2所做的功,Wf1、Wf2分别表示前后两次克服摩擦力所做的功,则().
A.WF2>4WF1,Wf2>2Wf1
B.WF2>4WF1,Wf2=2Wf1
C.WF2<4WF1,Wf2=2Wf1
D.WF2<4WF1,Wf2<2Wf1
笔者在教学实践中发现此题的错误率很高,与学生交流后得知:学生一般先求WF1与WF2的关系,通常选择公式W=Fl计算,而位移关系则能用匀变速直线运动公式求出l2=2l1,但是却不知WF1与WF2的定量关系,从而陷入困境,没能够转换思路先去求Wf1与Wf2的关系.究其原因是没有按照对信息的有序加工所造成的,正确的信息加工思路如图2所示.
图2
学生不按序列进行信息加工主要原因有:(1) 学生知识基础不牢靠,对基本规律或公式未储存在长时记忆中,或者记忆模糊,不易提取;(2) 公式记忆虽准确,但是没有按照如图2的过程进行信息加工,导致求解错误.
1.3不按逻辑加工信息,使得迁移不畅
例3(2014年新课标Ⅱ卷第25题):半径分别为r和2r的同心圆形导轨固定在同一水平面内,一长为r,质量为m且质量分布均匀的直导体棒AB置于圆导轨上面,BA的延长线通过圆导轨中心O,装置的俯视图如图3所示,整个装置位于一匀强磁场中,磁感应强度的大小为B,方向竖直向下,在内圆导轨的C点和外圆导轨的D点之间接有一阻值为R的电阻(图中未画出).直导体棒在水平外力作用下以角速度ω绕O逆时针匀速转动,在转动过程中始终与导轨保持良好接触.设导体棒与导轨之间的动摩擦因数为μ,导体棒和导轨的电阻均可忽略.重力加速度大小为g.求:
(1) 通过电阻R的感应电流的方向和大小;
(2) 外力的功率.
图3
以甘肃2014年参加新课标卷Ⅱ理综考试的144467名考生为样本量,本题总体得分情况如下表.
得分0123456789百分比5.095.091.23.792.897.16.597.195.43.7平均分101112131415161718195.583.592.83.093.90.80.890.890.61.22.8
学生在解答本题时出现的主要问题是:(1) 对转动切割磁感线运动的AB棒各点的速度不同认识不到位,没有想到用平均速度计算感应电动势;(2) 用法拉第电磁感应定律计算感应电动势时,出现了面积计算错误;(3) 不能根据平衡条件写出外力的表达式,想不到导体棒两端所受压力、摩擦力相等;(4) 写不出克服摩擦力做功的表达式(与时间t有关);(5) 写不出能量守恒的表达式,想不到用公式P=Fv求各力的功率.
本题在常规的基础题上做了创新,学生比较熟悉导体棒在平行直导轨上运动的情况,而对导体棒放在两个圆形导轨上旋转切割不熟悉.部分同学知道导体棒绕O点旋转产生感应电动势的求解方法,但对导体棒的一部分绕O点旋转切割很陌生.究其原因,学生对电磁感应规律掌握的不熟练,不能将导体棒在平行导轨上的运动正迁移到部分导体棒旋转切割所造成问题,导致求解困难.
2信息加工理论在高中物理习题教学中的应用策略
2.1重组策略
高中物理习题所提供的信息往往是几种现象或过程的组合,每一种现象或某一段过程都需要用文本形式表征,如例1文字表述多、信息量大.要想求解好此类问题,关键在于能否识别出题目所述的是哪些具体物理现象,并判明这些物理现象之间是怎样联系的.常用的思维方法是先分割,再重组,最后对现象与规律进行匹配.在平常的教学中应该指导学生采用摘要、提纲或画思维导图等方式总结课本的内容,用黑体字、色彩对比或圈定关键词等手段来突出关键属性,锻炼提取核心信息的能力.在习题教学中,使学生参与其中,简化复杂物理情境,展示一步一步的操作程序,将复杂问题组块化、简单化.
2.2有序化策略
信息加工学习理论汲取了系统论的有序性原理,认为任何系统都是由若干相互联系、相互作用的要素所构成的.系统的结构界定系统的功能,若能使各要素排列有序,组合最佳,结构严密,就能获取系统的最佳效果.在物理教学中,要帮助学生按照物理学科知识的内在联系,对概念和规律进行有序化处理,形成知识体系.如学生对静电场部分习题的学习比较困难,原因在于概念抽象、规律较多,这时教师引导学生要尽可能地将知识按一定线索进行归类、整理,使零散的、孤立的知识变为彼此间相互联系的整体,形成一个系统化、结构化的知识网络.笔者在教学过程中与学生一起总结了一个“静电场”公式(如图4),实践后学生反馈效果比较好.
图4
2.3迁移策略
笔者认为美国心理学家Judd提出的“类化说”学习迁移理论对习题教学有很大的指导意义.Judd认为在先期学习A中获得的东西之所以能迁移到后期学习B中,是因为在学习A时获得了一般原理,这种原理可以部分或全部运用于A、B之中[4].把该原则运用到物理习题教学上,两个习题之间存在的共同要素(知识或方法),是产生迁移的必要前提.要完成好信息的“迁移”,就要在平时的学习中多注意加强思维训练,特别是发散思维,多问几个为什么,寻找不同的途径解答问题等.针对某些问题解决类型,教师要强调产生式学习,让学生掌握解决问题是应该遵循一定的程序、步骤及策略或者借助图表压缩信息,构建起知识网络,形成一定的“思维定式”,优化头脑中的知识结构,减少认知负荷,提高解题效率.知识概括化的水平越高,迁移的范围和可能性就更大.
3结束语
发现信息在科学探究的过程中占有很重要的地位,科学史上的每一项重大发现,都是从发现信息开始的[5].物理习题教学中所蕴含的创造性思维是无限的,在习题教学中不能就题论题,解题时应该多培养学生发现信息、处理信息的能力,不仅能提高学生解题能力,更能提高学生科学的素养,特别是对学生的创新意识和实践能力的培养具有重要作用,这对学生将来的发展具有不可估量的促进作用.在评价方面,作为中学阶段终结性评价的高考也越来越重视学生从图表、图像、大量的数据材料中获取和处理信息的能力,提高学生提取、处理和运用有效信息的能力符合新课程高考改革的方向.
参考文献:
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(实验)[M].北京:人民教育出版社,2003.
[2] 方晓平.摭谈物理习题教学中学生过程分析能力的培养途径[J].物理教师,2014,(10):35.
[3] 陈刚.物理教学设计[M].上海:华东师范大学出版社,2009.
[4] 庄福振,等.迁移学习研究进展[J].软件学报,2015,(1):26-39.
[5] 游绍冬.浅谈物理习题教学中的信息处理[J]宁德师专学报(自然科学版),2007,(8):3.