中學物理學習思維障礙的成因和對策

摘要：現代教育心理學揭示的新素質觀、新知識觀、新教學觀為探討物理學習思維障礙的成因打開了一扇新的窗口，這對提高物理課堂教學效率、采取積極教學策略是一種新的理論支持。本文旨在據此探討物理學習思維障礙的成因及相應對策。

關鍵詞：物理學習；思維障礙；成因；對策

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)3(S)-0003-4

現代教育心理學的研究成果不僅為提高課堂教學效率提供了新的教育科學的支持，也為物理教學的實踐與研究打開了一扇新的窗口。本文以現代教育心理學揭示的新素質觀、新知識觀、新教學觀為指導，探討物理學習思維障礙的成因及其對策。

1 現代教育心理學揭示的“新三觀”

1.1 新的素質觀

當代美國著名教育心理學家羅伯特·加涅把學生素質的形成分為三類：先天的、后天習得和自然發展中形成的。先天的素質主要指大腦接受信息、提取信息的快慢及信息短時記憶的容量大小，它不受教育的影響。自然發展中形成的素質包括“差別能力”和“人格特質”。“差別能力”是指“言語流利、數理推理、視覺形象記憶等”，即通常所說的智力；“人格特質”是指“焦慮性、成就動機、性格傾向性、謹慎性、沖動性、自我滿足性等”。這兩方面素質是先天和后天相互作用的產物，表現出長期穩定、不易受教學影響的特點。

加涅認為，后天習得的素質，表現為五種學習結果，即：言語信息、智慧技能、認知策略、態度（含品德）和動作技能。這五種學習結果也稱為“五種習得的性能”，它是學校教學的目標，并構成新的學習的“內部條件”。由此可知，學習結果表現出學生后天習得的素質，也就是后天習得的知識（廣義的）。

1.2 新的知識觀

現代認知心理學把知識分為廣義和狹義兩種，狹義的知識概念僅指陳述性知識；廣義的知識概念包含兩類知識，即陳述性知識和程序性知識。本文結合物理學知識對知識觀的內涵作適當闡述。

陳述性知識是指能用言語陳述信息，信息包括符號、事實和有組織的整體知識。這類知識的作用是回答“世界是什么”和“為什么“的問題，是個人有意識地提取線索，是能直接陳述的知識，相當于我國“雙基”教學中的基礎知識。如“力是物體對物體的作用”；“因為地球繞太陽運轉，所以地球上的物體都繞太陽運轉”等等都屬陳述性知識。程序性知識包括對外辦事的程序性知識和對內調控的程序性知識。這類知識的作用是用來回答“怎么辦”的知識。如“能通過常見力的現象歸納出力是物體對物體的作用”；“能用示意圖描述力”；“會測量力的大小”等等都是陳述性知識。

對外辦事的程序性知識包括智慧技能和動作技能，是處理外部世界的能力。其中智慧技能是人們應用符號辦事的能力，相當于我國“雙基”教學中的基本技能。加涅認為，智慧技能由高到低分為四個層次，即辨別、概念、規則、高級規則，分別指對相似事物進行區分的能力、對同類事物進行歸類的能力（形成概念）、聯系幾個概念建立規則并運用規則辦事的能力、將簡單規則重新組合成新的規則并解決復雜問題的能力。如能了解生活中常見的各種力并能區分（辨別）；能根據力的性質將力分類，形成重力、彈力、摩擦力等定義（概念）；能通過實驗得出動摩擦定律并運用它求出不同情形下的摩擦力（規則）、能將各種力（運用重力公式、胡克定律、摩擦定律等規則及平行四邊形法則）進行力的合成（高級規則）。動作技能是運用規則（操作規則）支配自身肌肉協調的能力，如按操作程序做共點力合成的實驗。

對內調控的程序性知識又稱為認知策略，是處理內部世界的能力，指運用習得的概念和規則來調節、控制自己的認知加工活動，有些類似于學習方法，但內涵要豐富得多。如用肢體（手）感覺的辦法體驗力的大小、用觀察實驗的辦法得出胡克定律、用平行四邊形法則求合力的大小、用類比的方法建立電勢差的概念。

心理學家認為，人們不僅通過后天習得的知識得到提升，同時“態度”也會發生變化，態度是指習得對人對事的反應傾向（情感領域的學習結果，不屬于知識范疇）。

奧蘇伯爾提出有意義的學習必須具備三個條件：第一，要求學習的材料本身具有邏輯意義；第二，學生原有認知結構中具有同化新材料的知識，即新材料能在學生原有認知結構中找到固定點；第三，學生具有意義學習的心向，即學生在新的學習任務面前能主動激活自己的原有知識，使新舊知識發生相互作用。而加涅提出學習條件分為必要條件和支持性條件，他認為智慧技能從辨別到概念，再到規則與高級規則，是一個遞進的層次關系：高級規則學習以規則學習為必要條件；規則學習以概念學習為必要條件；概念學習以辨別學習為必要條件。言語信息和認知策略是智慧技能學習的支持性條件。認知策略以認知的基本功能，如注意、感覺、思維和想象等為必要條件；言語信息和智慧技能則是認知策略的支持性條件。言語信息本身又是以其它信息的學習為必要條件，以智慧技能和認知策略的學習為支持性條件。動作技能學習以部分動作技能的掌握為必要條件；言語信息則是動作技能學習的支持性條件。學習態度對任何類型的學習都是重要的支持性條件。

1.3 新的教學觀

20世紀我國的基礎教育課程改革，各科的課程標準是從知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個維度來制定課程目標。用現代心理學的知識觀相比照，課程標準的“知識”與言語信息相對應；“技能”與智慧技能和動作技能相對應；“方法”與認知策略相對應；“情感態度與價值觀”與態度相對應，唯獨“過程”找不到對應的知識塊。現代心理學家對學生素質內涵的要求和知識的定義都把知識構建、發展的過程包含在內，如前述加涅把智慧技能由高到低分為辨別、概念、規則、高級規則，顯現“過程”已貫穿其中。這里的“過程”應就是教學過程，它不僅是一個接受知識的學習過程，而且是一個探究知識的過程，是一個發現問題、分析問題、解決問題的過程。新的課程標準強調“過程”的重要性，以改變過于強調接受學習、死記硬背、機械訓練的現狀，倡導學生要主動參與教學過程，樂于探究、勤于動手，培養學生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析解決問題的能力以及交流合作的能力。

魯塞特指出：教師完成一知識塊、一節或一單元教學任務后，要注意收集信息，并藉此澄清以下五個方面的問題：

（1）實際的行為表現：當前學生的行為表現怎樣？在學習中表現出的知識、技能是什么樣的狀況？

（2）理想的行為表現：應該發生哪些改變？這需要描述預想的行為表現以及所需要相應的知識、技能等。

（3）感受：學生對教學有什么樣的感受？這需要關注與教學有關的問題。

（4）原因：為什么教學或學生的學習中存在問題？這些問題是由什么原因造成的？這需要關注問題的各種根源。

（5）解決辦法：有哪些方法可以解決或者緩解當前的問題？解決問題的辦法應該是基于對問題產生的原因所做的分析而提出。

結合物理學知識介紹現代教育心理學中知識觀和學生習得知識的條件和過程，力圖明了學生習得知識的一般心理過程，了解學生物理學習思維障礙的心理成因，從而尋求幫助教師提高教學效果的策略，這就是本文在上述現代教育心理學揭示的“新三觀” 指導下所要探討的問題。

2 物理學習思維障礙的成因分析

中學生物理學習思維障礙的成因一般有下述幾方面的表現：

2.1 先入為主的生活觀念形成的思維障礙

先入為主的生活觀念形成的思維障礙，即為物理學習中的前概念（preconception），曾是國際物理教學研究中的一個熱點問題。前概念是學生對物理現象的直觀認識，在他們接受正規的物理課程學習之前就已經存在，并在這些認識的基礎上形成了自己的思維體系。這里所說的“概念”和心理學中的一般狹義理解不同，它是指關于某一對象的觀點或看法。比如“地球繞著太陽轉”便是一個概念。前概念中，有些與科學概念有相通之處，但是學生對這種概念的理解大多還是相當膚淺的，停留在表面上而不能深入到概念的本質，更多的則是與科學的概念相悖的，因此前概念又常常被稱為“錯誤概念”（misconception）或者“相異構想”（alternative framework）。芬德等（Pfundt Duit，1991）的文獻目錄中列出了1100多個這類研究，其中物理學方面的錯誤概念占總數的70%。例如，在學習力和運動的關系這部分知識之前，許多學生都有這種看法，認為靜止的物體，用力推動它時，它才會運動，力停止作用時，它就會停下來；推物體的力越大，物體運動的就越快，速度就越大。實際上，這種生活中形成的觀念是片面的，結論是錯誤的。

2.2 對物理概念、物理規律和物理公式缺乏全面、正確的理解

掌握物理概念最根本的是理解它所反映的物理事物、現象的本質屬性，弄清其物理含義。可是不少學生習慣于從字面上去理解，以致出現錯誤。如將失重、完全失重誤解為重力減小或不受到重力作用，從而誤以為放在人造地球衛星內的儀器所受的重力為零等；又如斷言環繞地球作勻速圓周運動的衛星速度一定等于或大于第一宇宙速度等。而物理規律的運用一般是有其適用條件的，這一點往往為一些學生所忽視。如問將一物體放在地球球心其重為多少，相當一部分學生不知道正確的答案是零，有的甚至得出無窮大的結論。此外，沒有弄清物理公式中各物理量的含義便亂套公式的現象更為普遍，恕不一一枚舉。

2.3 物理學習過程中的負遷移

有經驗的教師在講解物理問題時，往往喜歡引用相似的問題來協助討論和幫助學生理解與記憶，講授新知識引入新概念時，往往借助類比來促進遷移。如講了力的合成和分解后，舉一反三，速度、場強及一切矢量的合成與分解就迎刃而解，因為力、速度、場強的合成與分解所運用的法則完全相同。而彼此類似的知識和技能之間還有一種負遷移，盡管表面上類似，本質上卻存在著差異。而這種表面類似的東西常常阻礙和干擾新知識、新技能的學習。如振動圖形和波動圖形對學生就很容易產生干擾，因為從外觀上看，兩者都是正弦或余弦曲線，盡管坐標軸代表的意義不同，但有的學生還是把它們混為一談。

2.4 對研究對象及其物理過程不能建立物理模型

如質量為m的木塊沿呈半球形的光滑碗邊滑下，讓學生判斷木塊在下滑過程中加速度和力的一些說法是否正確，有人認為木塊的加速度方向始終指向球心；有人認為它所受的合力數值不斷改變，但方向始終指向球心。究其原因，或者是把木塊的運動誤判為勻速圓周運動；或者沒有從受力分析出發判斷木塊受重力和碗的彈力作用，其加速度方向始終應與合外力方向一致，錯以為無論勻速圓周運動還是變速圓周運動，其加速度方向都指向圓心。再有就是不能通過對題意的分析建立起清晰的物理圖景。如在討論由于地球自轉，靜止在地面上的物體的向心加速度的大小和方向時，一些學生斷定向心加速度的大小不會隨緯度的增加而減小；有的學生認為向心加速度的大小隨高度增加而減小；有的學生則認為向心加速度的方向總是指向地心。這主要是由于這些學生頭腦中未能對物體作圓周運動形成清晰的圖景，也未通過畫示意圖來幫助自己分析，所以不能正確判斷物體作圓周運動的平面，確定圓周運動的圓心。

2.5 受心理定勢影響和思維膚淺性所產生的錯誤

在初中物理教學中，學生出現的一些錯誤往往與受心理定勢的影響有關。如“一個人立在平面鏡前，然后慢慢后退，則其像如何變化？”不少學生都選擇“他在平面鏡中的像越來越小，離平面鏡越來越遠”這個答案。問出錯的學生為何作此選擇，回答說：“離得遠就小。”這是來源于視覺的通常經驗所產生的心理定勢，然而卻是兩種絕然不同的問題情景。

又如“熱水和冷水混合，冷水升高的溫度等于熱水降低的溫度，這是因為它們具有相同的（ ）。”常常有學生在括號中填寫“熱量”。但是這一答案只有表面的正確性。這種表面性是由于溫度與熱量具有某種類似造成的。它對于思維膚淺的學生有著極大的迷惑作用，這種認為“溫度是熱，熱量也是熱”的物理概念泛化，容易導致更多的錯誤聯想：溫度越高，熱量越多；溫度變化，熱量變化；溫度變化相同，熱量就相同，等等。

3 消除物理學習思維障礙的對策

3.1 注意清除物理學習中的前概念

在教授新知識之前，教師只有充分了解學生已有的認知情況，尤其是與新概念有密切關系的已有概念和原理的認識，才能選擇有效的教學策略進行有的放矢的教學。因為學生頭腦中的圖式是在潛移默化中形成的，具有隱蔽性，平時一般不會清晰地呈現在腦海里。奧蘇伯爾曾有一句名言：“如果我不得不把全部教育心理學還原為一條原理的話，我將會說，影響學習的唯一的最重要的因素是了解學習者已經知道了什么。”教師應事先采用診斷性測試等方式，了解學生的原認知結構。這樣通過教學前測或者提問，激活學生的經驗圖式，讓它從隱蔽之處呈現出來，為學生的重新建構提供基礎框架，學生可以根據自己原有的認知結構進行同化和順應來獲得新概念的學習，避免在大腦一片空白的情況下進行無意義的接受學習。同時教師還可以設置教學情境，讓學生在與實際情況相類似的教學情境中修正錯誤想法。因為學生頭腦中的前概念大多是在生活的具體情境中建立起來的，用他們獲得前概念的真實問題作為實例，會產生真實感和親切感。其做法是：選擇真實性任務或創設類似的情境；讓學生根據自己的理解，預測實驗或問題的結果；讓他們用自己的前概念對現象進行解釋，并為自己的前概念進行辯護，從而引起思維結構發生沖突，并強烈意識到前概念的存在；教師在適當時機進行指導，并步步引導他們用正確的物理概念來解釋問題。

3.2 建立理想模型和設計理想實驗

所謂理想模型，就是利用理論的方法抓住事物的主要特征和性質，舍去特定條件下無關緊要的因素而建立的抽象模型。例如質點、剛體、彈簧振子、理想氣體、點電荷、無限長導體、純電阻、薄透鏡、盧瑟福模型等等。又如研究地球繞太陽運動，由于地球的線度遠遠小于到太陽的距離，地球的形狀成為次要矛盾，所以可以忽略；沒有形狀的物體談自轉無意義，自轉也可以忽略。這樣建立的簡化模型就很容易計算出地球繞太陽轉動的周期、角速度等。理想實驗與真實實驗不同，它是人為構造的理想過程，是一種邏輯推理的有效方法。

關于理想實驗，牛頓曾經有過這樣精彩的描述：“一個拋射體，如果不是由于重力的作用就不會回到地面，而會沿著直線飛出去；并且如果把空氣阻力消除掉，它就會以等速飛出去。如果從山頂用彈藥以一定的速度把一個鉛球平射出去，那么它將沿著一條曲線射到兩里外才落到地面；如果能消除空氣阻力，而且發射速度加到兩倍或十倍，那么鉛球的射程也可以增加到兩倍或十倍。而且用增加發射速度的辦法，我們可以隨意增加其射程，并同時減少它所畫曲線的曲率，使它終于在十倍、三十倍或九十倍遠的距離處落到地面，或者在落地之前繞地球一轉。”200多年后，用火箭發射衛星，牛頓的理想也就變成了現實。

3.3 如何防止學習中的負遷移

新知識講解之前應注意分析當前課題有可能與哪些已有的知識容易混淆，對相似的問題定性區分，找出相同和相異之處，要從形式表象的相似中發現本質的區別。學生解答物理問題中的普遍思維習慣是，從短期記憶的目標題中，來提取在長時記憶中以前經歷過的基題進行類化，即根據待解的內容、形式、特點找出相應的已解過的習題之間的聯系，從而把待解題納入已有解題類型中去，應用已有的經驗來解決新的問題。這就要注意區分新題和基題本質的差異，不同的條件會產生新的因果關系。

3.4 如何防止心理定勢的影響

站在平面鏡前的人直接觀察自己的像確實看起來變小了，這是視角變化所致，但不能將這種視覺的通常經驗簡單地套在平面鏡成像問題上。學生在回答這樣的問題時，頭腦中往往呈現出通常照鏡子的靜態表像，這時錯誤注定發生。為了防止這種心理定勢的影響，教師在進行平面鏡成像的教學過程中，應該引導學生操作表象：“畫畫平面鏡成像圖看看！”畫通常是先在頭腦中畫，在頭腦中浮現，再動筆簡單勾畫，正確答案就出來了。通過實驗和作圖比較物與像的大小，有意識地讓學生建立起運動的表象和變形的表象，尤其是培養學生操作表象的能力，再回答此類問題就會得心應手。

參考文獻：

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(欄目編輯趙保鋼)