师范生原始物理问题表征能力的现状研究

郭芳侠 薛雅文

(陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西 西安 710119)

长期的物理习题式教学模式，使得学生在面对实际物理问题时往往束手无策，无法完整解决物理问题。这种现象严重影响了解决问题能力和创新能力的发展。究其根本原因是物理教学与实际物理问题解决能力间无法形成正确的对应关系。通常物理教学以物理习题为主，习题往往是人为地将物理现象高度抽象后的公式演算，它将物理学习与物理现象割裂开来，使得学生实际物理问题解决能力得不到充分的锻炼。杨振宁教授提出：“物理学的根源是物理现象”[1]，提高学生实际问题解决能力对应的教学方式应该是原始物理问题教学，而提高学生的演算能力对应的教学方式才是物理习题教学[2]。师范生作为未来基础教育教师的主力军，对学生实际物理问题解决能力的培养至关重要，因此，师范生原始物理问题解决能力水平对基础教育影响深远，同时在全球科技高度竞争的环境下，迫切需要大力提升师范生的问题解决能力，才能为国家强盛培养更强更优的人才。本研究基于自组织表征理论，编制原始物理问题测量问卷对师范生表征能力现状进行研究，并在此基础上为物理教学提出教学建议。

1 原始物理问题的概念界定

早在1983年赵凯华先生已经将物理问题与物理习题区别开来[3]，后来于克明将两者的关系用图1区别[4]。

图1 原始物理问题与物理习题的区别

从图1中看到，物理习题的解决只是物理问题解决的一部分，将物理现象人为地进行抽象、设置物理量形成习题，学生只需要进行演算推导即可得出结论，但是物理教学的主要目的在于让学生学会分析物理现象，再建立物理模型，演算推导并不是主体部分[5]。

对于原始物理问题概念的界定，邢红军教授给出了合理规范的解释：其本质仍然是物理问题，是来源于物理现象，是自然界中存在的典型的物理现象，问题来源于对未被抽象加工过的物理现象的客观描述[6]。原始物理问题与纯粹的物理习题相比较而言，不能提供详细的数据，提供真实的问题情境，由被试者自行设置物理量，构造出理想的模型进行解答。

2 测量工具的编制及评分标准

2.1 原始物理问题测量问卷的编制

为深入研究师范生原始物理问题的表征能力，在编制测量问卷时我们基于自组织表征理论[7]，涵盖了力学、电学、光学、电磁学和运动学,共5道题目。内容的来源主要是生活现象、历史事件和物理教材中的素材。同时需要体现出编制的5大原则：理论性原则；生态性原则；开放性原则；趣味性原则和探索性原则。

2.2 测试工具的可靠性分析

为了检验测量工具的可靠性，初测时选择样本50人进行测量，回收问卷后对问卷进行信效度检验，结果如表1所示。

表1 测量工具可靠性检验

经测量，原始物理问题测量问卷的难度为H=0.59。一般情况下我们认为难度在0.3～0.7之间为适中，本测量工具的难度为0.59，说明问卷的难度适中。问卷信度系数为0.827，表明原始物理问题测量问卷具有较高的内部一致性。效度系数为0.842，表明问卷可以较为准确地测量学生真实水平。整体平均区分度D=0.732，均大于0.4，说明是一个较好的测量工具。可以进行正式施测。

2.3 测量问卷的评分标准

依据自组织理论，原始物理问题表征水平包含7个层次：定向表征、抽象表征、赋值表征、图像表征、方法表征、物理表征和数学表征。对选取的被测对象进行测试,根据学生作答情况将其每个层次的表征水平划为3个等级，选取“原始物理问题测量问卷”一题说明评分细则，如表2所示。

表2 表征能力评分标准

题目：在十字路口行驶的车辆，驶进交叉路口的驾驶员在看到黄色信号灯后要立即做出决定：停车还是通过路口。若司机选择停车，求汽车到达停止线的安全距离；如司机选择通过路口，求汽车安全通过路口所需时间(即黄灯时间间隔)。

根据表2标准对被测者的每一个表征层次水平进行赋值并相加，得到其原始物理问题测量问卷的总得分。问卷总计5道题，每道题含7个表征层次，每个层次赋值2分，问卷满分70分。得分越高代表该被试者原始物理问题表征水平整体层次较高；相反得分越低则代表被试者整体表征水平层次较低。其分数段划分依据转化为百分制评定，评定等级如表3所示。

表3 分数段划分及评价等级

3 原始物理问题表征能力具体分析

3.1 研究对象选取

选取某校在校1～3年级的物理师范生为研究对象，采用现场答题并回收的方式，施测时间50分钟。正式施测时总共发放420份问卷，剔除无效问卷后，有效问卷数为346份。问卷有效率为82.38%。其中卓越班共计71人，平行班共计275人。男生114人，女生232人。问卷回收后使用Excel、SPSS 19.0对数据进行分析和统计。

3.2 问卷总体情况分析

被试者在面对原始物理问题解答时，会经历7个表征层次——定向表征、抽象表征、图像表征、赋值表征、物理表征、方法表征、数学表征。完整地解答一个原始物理问题，这7个表征层次贯穿解题的整个过程，是随着问题解答的进程而动态变化的，并不是按顺序依次出现的。总体均值和男女生表征层次的得分情况如表4所示。

各层次得分的折线图如图2所示，表4及图2表明总体来看学生原始物理问题表征水平处于低水平状态；从表征层次来看其图像表征、抽象表征及数学表征水平与其他表征层次比较相对较低。

表4 各表征层次平均得分情况

图2 各表征层次得分折线图

这一结论与黄铭舜[8]研究的高三学生的原始物理表征能力有相似的地方。

抽象表征是被试者将原始物理问题抽象成物理模型进行解答的过程，这是解决问题的关键，要求学生应用所学知识和模型从原始问题中抽取主要信息进行抽象加工；而图像表征是学生经过抽象表征后将物理模型通过图像或数形结合的方式进行更深入的解答，如果第一层次的抽象加工失败，那么图像表征也就谈不上了。表明学生在进行问题解答时表现出的抽象和图像表征能力欠缺。

另外卓越班的表征能力得分平均值为38.11，而普通班平均值为24.61，存在较大差异。这也在意料之中。卓越班学生是在新生入学后通过笔试和面试选拔出来的，综合素质普遍优于其他班级，其原始物理问题的表征能力也自然比较强。

3.3 原始物理问题测量问卷的差异性分析

1) 表征能力的性别差异

从图2可以看出，女生总体表征水平比男生的总体表征水平低，但差异不显著。同时还显示女生各层次的表征水平由低到高排前三位的分别是抽象表征、图像表征和方法表征。而男生的是图像表征、数学表征和抽象表征。说明男女生在图像表征方面差别不大，但在抽象表征、物理表征、方法表征方面差别相对大一些。

各分数段男女生人数分布和占比统计如表5

表5 表征能力各分数段男女生的分布

所示。表中我们可以看到得分在0～41(不及格)分和42～55分(及格)的两个分数段的女生占比比男生高，而56～62分数段(良好)，男生的占比相较于女生占比高出3.1个百分点。在63～70分数段(优秀)上，男生的占比1.8%，女生占比0.0%。这说明在解答原始物理问题时，高分段男生的比例大于该段女生的比例。

2) 表征能力的生源地差异

同时，我们对学生的表征能力水平与其所在生源地进行差异分析，生源地划分为以下4种：农村或乡镇(编号1)、县城(编号2)、中小城市(编号3)、省城或直辖市(编号4)。统计被试的生源地分布与原始物理问题表征水平情况，如表6和图3所示。

图3 表征水平按生源地人数分布

数据显示，表征能力最低是生源地为县城的学生，不及格率最高，及格率最低；同时也显示表征能力较高的是来自省城或直辖市的学生。得分0～42分之间的比例相比较最小；得分大于42分的百分比最大，高出3-1类生源地的百分比分别为：2.3%、8.41%和3.43%。这就在一定程度上说明，当面对实际物理问题解决时，来自省城或直辖市的学生其物理问题表征水平要稍高一些，说明教育生态环境会对学生的原始物理问题表征能力产生一定影响。教育资源、教育理念、家庭和社会环境都会潜移默化地影响学生解决问题的能力。

3.4 原始物理问题表征能力的相关性分析

前面，我们分析了各表征层次中抽象表征的能力处于较低的水平，而抽象表征能力的高低与逻辑思维能力和非逻辑思维能力密切相关。抽象表征这个过程需要学生使用理想化方法，抓住主要因素、忽略次要因素，将物理现象转变为物理模型的过程。这一表征过程往往表现出逻辑性思维和非逻辑性思维的协同与竞争。

逻辑思维能力是学生澄清概念的能力、准确判断的能力、严密推理的能力、合理论证能力及辨识谬误能力的总和。科技发展和社会进步对其都有着必要的需求。我们利用杜国平[8]编写的逻辑思维能力测量问卷测量学生逻辑思维能力，该问卷满分100分。

非逻辑性思维能力通常指学生的创造性思维能力，我们将栗玉波[9]修订的TCI以及威廉斯创造力倾向问卷整合在一起测量学生的创造性思维能力，该问卷满分140分，测量维度包括学生的挑战性、冒险性、好奇性和想象力、变通性和流畅性。问卷均在测量学生原始物理问题表征能力的同时进行测量,采用现场答卷并回收的方式进行，样本与原始物理问题表征能力测试相同。意在分别进行两者的相关性分析，统计结果如表7所示。

其中，创造性思维能力6个维度的得分情况和Pearson相关系数如表8所示。

表6 被试的生源地分布与原始物理问题表征水平情况

表7 原始物理问题表征能力与思维能力的相关性

注：*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上显著相关。

表8 原始物理问题表征能力与创造性思维

注：*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上显著相关。

结果显示，学生在解决原始物理时，总体上看表征能力与逻辑性思维能力的相关系数为0.707，与创造性思维能力相关系数为0.624；从具体维度看，与创造性思维能力相关系数较大的是挑战性、变通性、流畅性，均大于0.7，且在0.01水平上显著相关。这表明学生在进行原始物理问题的解决过程中，表现出的挑战性、变通性和流畅性的品质越高，逻辑思维能力越强，其解决原始物理问题的能力就会更高。同时显示创造性思维、逻辑思维测试平均得分处于较低水平，这一结果对我们的物理教学有重要的启示。

4 研究结论

本研究对师范生的原始物理问题的表征能力进行了现状研究。研究表明:(1)师范生的原始物理问题表征能力水平整体处于较低的水平，从表征的7个层次看抽象表征和图像表征的得分最低。(2)总体来看男生表征水平略高于女生，但差异并不显著；男女生在抽象表征、物理表征、方法表征方面差异较大。(3)教育的地域会影响学生的表征能力。来自省城或直辖市的学生相比中小城市、县城的学生表征能力更好一些。(4)学生表征水平与逻辑思维能力、创造性思维能与均在0.01水平上显著相关，尤其是创造性思维能力中挑战性、变通性和流畅性，相关性更高。

5 教学建议

样本学生在此次研究中表现出的原始物理问题表征能力水平不容乐观，反映出应用所学知识建立模型，对问题进行抽象解决的能力亟待加强，也说明以往传统的的物理教学模式急需要改变。从注重知识的传授要向注重能力的培养转变；从关注教师的教要向关注学生的学转变；从学生的被动学习向主动学习转变。因此我们提出以下基于原始物理问题教学的建议：

(1) 在物理教学中，逐步将原始物理问题与物理教学相结合，相互渗透，创设问题情境，培养学生关注物理现象，发现物理问题、解决问题的科学素养。

(2) 改变传统的以物理习题为主的作业形式，适当加入原始物理问题，同时通过改变学习任务的类型和作业的评价方式，引入竞争机制，激发兴趣，培养挑战性。评价时不仅要关注对错，还应关注表征的完整性以及思维的流畅性和变通性，鼓励学生的奇思妙想。

(3) 改变高校的单一课程评价方式，同时在考试中适当融入原始物理问题，引导学生更加关注原始物理问题，学以致用。

(4) 教师引导学生通过专项训练，逐步培养、提高学生逻辑思维能力和创造性思维能力，打破学科壁垒，学科之间建立桥梁，切实提高学生实际物理问题解决能力。