學生課堂思維活動的研究對醫學物理教學改革的啟示

樊祥民

(菏澤醫學專科學校物理教研室，山東 菏澤 274000)

大學物理學是我國高等院校理、工、醫科等專業重要的必修基礎課程。大學物理的教學，不但要幫助學生積累物理學知識，更要注重培養學生思維能力和利用物理知識分析解決問題能力[1,2]。縱觀我國大學物理的教學研究，主要集中在從教師“如何教”的角度所進行的大班課堂教學方法的研究[3,4]。大學物理課堂教學過程中，常常遇到的一種現象是：盡管教師通過一系列的教學研究，想方設法詳盡地進行物理知識的解釋，學生當時也能聽得舒服和聽得懂，但是學生在利用所聽所學的物理知識進行解決實際問題的時候，卻遇到了很大的困難。由于我國的大學物理教學研究缺乏從學生角度的研究[4]，所以不清楚學生在運用知識解決問題的時候為什么會遇到困難。本文從學生運用物理知識解決問題時遇到的困難入手，通過具體的教學實驗，定性研究了在醫學物理課堂教學過程中學生運用物理知識分析解決問題時的思維活動，并對學生的思維活動進行了分析和總結。希望本研究能為我國的物理教育教學研究和提高物理教學質量提供有益的參考。

1 研究方法

現象學研究方法是一種心理學研究思維過程的方法，強調在一定的條件下對研究對象進行自然而然的實驗觀察，記錄研究對象正在進行的想法或者做法；對觀察到的經驗進行如實的描述，不做任何的推測和解釋[5]。格式塔心理學認為，經驗很難用數量來統計，所以先通過觀察，然后再進一步分析[5]。本研究就是采用現象學實驗觀察的方法，在實際的醫學物理課堂教學過程中，選擇了4個重要的物理概念和原理，通過設置一些問題，觀察學生對問題的解答情況。觀察的內容有：(1)學生回答問題的快慢；(2)不同回答結果的學生人數比例；(3)學生對各自回答結果的解釋；(4)學生的表情。

2 研究過程與結果

2.1 教學實驗1

該教學實驗涉及的物理知識主要是理想液體的概念。理想液體是一個物理模型，其概念為絕對不可壓縮，完全沒有黏性的液體。理想液體的概念是推導連續性方程的理論基礎。連續性方程的意義是理想液體在穩定流動時，流過同一流管各截面的流量保持不變，流管截面積大的地方流速小，流管截面積小的地方流速大。其數學公式為S1v1=S2v2，S表示流管橫截面面積，v表示通過截面的液體的流速。

教學實驗1的題目是利用理想液體的基本概念來推導連續性方程。如果學生能夠對理想液體的概念有實質性的理解，抓住“絕對不可壓縮”這一關鍵點，就很容易做出正確的判斷：在相同時間內，從一個截面流進去的液體的體積必然等于從另一個截面流出去的液體的體積。

如圖1所示，經過時間Δt，流經截面1(截面積為S1)的液體體積為S1v1Δt，流經截面2(截面積為S2)的液體體積為S2v2Δt。

圖1 經Δt時間通過兩截面的液體體積示意圖

當問及S1v1Δt與S2v2Δt是否相等的時候，沒有學生肯定地回答相等，超過一半以上的同學回答“不相等”或者“不相等吧？”(雖然回答了不相等，但是很猶豫)。在沒有給學生任何提示和反饋的前提下，更換了一種形式來提問：如圖2所示，經過時間Δt，流經截面1的液體體積為V1，流經截面2的液體體積為V2，問兩者是否相等。有超過1/3的學生回答相等，同時學生能給出“因為理想液體的體積絕對不可壓縮，所以兩者相等”這一正確的解釋。

圖2 經Δt時間通過兩截面的液體體積示意圖

2.2 教學實驗2

該教學實驗涉及的物理知識主要是連續性方程。通過連續性方程，可以幫助學生認識和解釋人體血液循環中一些生理和病理現象，有助于醫學生對某些疾病的診斷和治療。比如運用連續性方程“截面積大的地方流速小，截面積小的地方流速大”這一物理意義，可以定性地解釋患者動脈狹窄處的血液流速為何比正常動脈處的流速快的原因。

教學實驗2的題目是利用連續性方程解釋人體動脈內血液流速快，毛細血管內血液流速慢。從解剖關系上看，人體主動脈通過各分支小動脈最后與數量眾多的毛細血管相連通。如果學生能夠把動脈和毛細血管抽象成同一個流管中的不同截面，然后運用連續性方程的物理意義，就能順理成章地得出人體動脈中血液流速比毛細血管中的血液流速快得多的結論。

請同學們迅速回答，是動脈內血液流速快，還是毛細血管內血液流速快？幾乎所有同學說毛細血管內的血液流速快。不過，有近1/2的同學回答后又接著否定了之前的觀點，認為動脈內的血液流速快。問其理由，不能給予正確的解釋。

2.3 教學實驗3

教學實驗3的題目是利用彎曲液面附加壓強的基本概念和公式，分析一個大的肥皂泡和一個小的肥皂泡，用玻璃管連通后，兩肥皂泡各自有什么樣變化。因為大肥皂泡的曲率半徑比小肥皂泡的曲率半徑大，所以大肥皂泡內的壓強小于小肥皂泡內的壓強，氣體從小肥皂流向大肥皂泡，導致大肥皂泡越來越大、小肥皂泡越來越小；當二者的曲率半徑相等時，二者的形狀不再發生變化，此時小肥皂變成冒頂形狀。

如圖3所示，問當一個大的肥皂泡A(半徑為RA)和一個小的肥皂泡B(半徑為RB)，用玻璃管連通后，是大肥皂泡變大、小肥皂泡變小，還是大肥皂泡變小、小肥皂泡變大？

圖3 玻璃管連通肥皂泡A、B(RA>RB)示意圖

幾乎所有的學生的回答是大肥皂泡變小、小肥皂泡變大。反復詢問有沒有不同意見的同學，沒一人舉手或者回應。沒有給學生任何的反饋和暗示，我們給學生提供一個和這個問題很相似的一個問題：如圖4所示，當一個大的肥皂泡A(半徑為RA)和一個小的肥皂泡B(半徑為RB)，用玻璃管連通后，是A中的氣體流向B，還是B中的氣體流向A？

圖4 玻璃管連通肥皂泡A、B(RA>RB)示意圖( 表示氣體可能的流動方向)

接近一半的學生馬上說出正確的答案：氣體從B流向A(也就是大肥皂泡變大，小肥皂泡變小)。另一半的同學仍堅持大肥皂泡變小，小肥皂泡變大。經過解釋后，全部學生能明白。接著提出新問題，B中的氣體什么時候停止向A流動呢？學生全部能夠正確回答出“兩邊壓強相等的時候”。即ps′A=ps′B。滿足什么條件兩邊壓強才相等呢？學生無應答。給予提示，當R′A=R′B的時候，是不是兩個肥皂泡內的壓強就相等了呢。但學生表情顯得很困惑，將信將疑。

2.4 教學實驗4

問題1.擴血管藥物能否治療冠心病？

全部學生能立刻回答并正確解釋擴血管藥物可以治療冠心病，因為血管增粗可以增加血流量，從而避免心肌缺血。

問題2.降低血液黏度的藥物，如活血化瘀的藥物，能否治療冠心病？學生也都能立刻給出正確的解釋。

3 分析

針對每一個教學實驗學生解答情況，我們隨后跟學生做了深入訪談，根據訪談的結果，進行分類分析。

(1) 在教學實驗1的訪談中，當問到在圖1情形下，為什么不能得出流過兩截面液體的體積相等呢？多數學生回答：根據圖1提供的信息，注意力集中在如何證明S1v1Δt=S2v2Δt上，但是一時又找不到合適的數學公式，壓根沒有想到從理想液體的概念著手來思考，只好等待老師的解釋。當問到在圖2情形下，為什么同學們又能夠發現兩者相等呢？學生比較一致的反饋是：圖2提供的流經截面的液體體積不是數學表達式，造成的干擾少，比較容易聯想到剛才學過的理想液體的概念。

在教學實驗3的訪談中，當問到“大肥皂泡變大、小肥皂泡變小，還是大肥皂泡變小、小肥皂泡變大”與“是大肥皂泡中的氣體流向小肥皂泡，還是小肥皂泡中的氣體流向大肥皂泡”這兩個問題有本質的區別嗎？學生都回答沒有區別。當問到為什么對這兩個問題的解答出現截然不同的結果呢？學生一致的反饋是：大肥皂泡里的氣體多、小肥皂泡里的氣體少，主觀上自然就認為大肥皂泡會越來越小、小肥皂泡會越來越大，沒有想到從物理規律上來做進一步的思考；圖4是一個物體運動方面的問題，我們比較擅長做這方面的題目，所以想著用附加壓強的公式來判斷。

通過以上的訪談結果，我們作進一步分析。教學實驗1中圖1給出的流經兩截面的液體體積用S1v1Δt、S2v2Δt表示，這種表達方式讓學生誤以為這是個數學問題，引發了學生集中從數學的角度來證明二者是否相等，忽略了剛才學過的理想液體的概念。圖2給出的流經兩截面的液體體積用V1、V2表示，即兩段液柱的體積，沒有了數學表達式的干擾，從而讓一些學生開始想到用理想液體的概念來推理。可見，比較兩段液柱體積V1、V2是否相等，要比較S1v1Δt與S2v2Δt是否相等使得學生更容易想到理想液體的概念，也就是說問題表征為液柱，使得問題與所需知識(理想液體的概念)之間的關系更為親密，更容易讓學生聯想到理想液體的基本概念中的關鍵點“絕對不可壓縮”來快速準確地解決問題。

在教學實驗3中，“大肥皂泡變大、小肥皂泡變小，還是大肥皂泡變小、小肥皂泡變大”這種提問形式讓學生僅憑“大肥皂泡里的氣體多、小肥皂泡里的氣體少”，就從主觀上作出了草率的判斷；而“是大肥皂泡中的氣體流向小肥皂泡，還是小肥皂泡中的氣體流向大肥皂泡”的提問形式才驅使學生通過尋求相關物理規律來解決這個問題。肥皂泡變大或者變小側重的是物體形狀的改變，氣體流動側重的是物體運動現象。物理學上，解決運動問題比解決形變問題對學生來說更有規律可循。解決氣體如何流動，學生較容易想到比較兩個肥皂泡里氣體壓強，氣體從壓強大的地方流向壓強小的地方，從而順理成章地運用附加壓強的公式來解決問題。如果從形變的角度，使得學生不容易想到附加壓強就是解決問題的關鍵點，導致學生主觀猜測，不能正確解決問題。

因此，教學實驗1、實驗3中，對同一個問題的表述不同，學生解決問題的效果也不同。問題的不同表述可以讓學生較容易地正確解決問題，也可以使得學生一時無法利用所學的知識來恰當的解決問題。對于這種現象，格式塔心理學認為，人們在頭腦中表征問題的方式會影響問題解決的效果[6]，對問題如何表征，直接影響到問題解決的難易與快慢[7]。正確地表征問題是非常重要的，其作用就在于有助于人們理解問題與所需知識之間的關系，使得人們有可能去運用關鍵的或者恰當的知識來解決問題[8]。

(2) 在教學實驗2的訪談中，當問到為什么大家迅速做出毛細血管內的血液比動脈中的流速快呢？學生的回答是：因為都知道動脈血管的管半徑大于毛細血管的管半徑，根據連續性方程S1v1=S2v2，所以很容易發現毛細血管內的血液流速快。當問到為什么有許多學生又改變觀點了呢？學生的反饋是：根據常識知道動脈內血液流速比毛細血管內血液流速快得多，這與根據連續性方程得出的結論矛盾，但是不知道錯誤出現在什么地方，等待老師的解釋。

結合學生反饋的情況，作進一步分析。教學實驗2中，一段動脈血管的管半徑要大于一段毛細血管的管半徑，這是人們的常識，根據連續性方程流管截面面積與流速成反比的規律，所以學生很快得出毛細血管內的血液流速快的結論。有學生在得出毛細血管內的血液流速較快的結論之后，卻迅速改變觀點，認為動脈內的血液流速比毛細血管的血液流速快，通過前面的訪談可知，原因來自學生的經驗和常識，此時學生明明知道了矛盾的出現，但學生無法給出正確解釋。可以說這種思維定勢阻礙了學生知識的遷移和運用能力。

格式塔心理學認為，思維定式阻礙了人們對問題的解決，影響了人們在解決問題時對問題的恰當表征。思維定式(也叫心理定式)是一種事先形成的、關于如何著手處理問題的觀念，受人們的經驗或過去的經歷影響[6]。由于思維定勢，致使學生不能主動運用恰當的物理知識來解釋動脈中血液流速比毛細血管中血液流速快的現象。換句話說，思維定勢阻礙了學生進一步聯系連續性方程，從截面積的角度，重新考慮動脈的截面積與數量眾多的毛細血管的截面積之間的關系，導致學生即便靠經驗推斷出了正確的結論，但是找不到合適的知識來解釋。同理，學生“既然大肥皂泡變大，小肥皂泡變小，那么無論什么時候，也不可能出現二者半徑一樣的情況”的心理定勢，阻滯了學生對附加壓強公式中的R進行實質性理解，將理論與實踐割裂開來，不能或者不會學以致用。

4 結論

通過以上的教學實驗及分析，可以發現學生無論是在學習醫學物理知識的過程中還是在運用已學的知識解決實際問題的過程中遇到了幾乎相同的困難。學生在學習與運用物理知識分析問題和解決問題的時候，其思維活動所表現出的特點具有共性：問題的表征方式、思維定勢以及固著造成了學生在概念與原理的理解和運用推理上的困難，這些因素影響了學生對問題的分析解決能力。

當前教育部提出“新醫科”建設，傳統的醫學教育模式向“以醫文、醫工、醫理、醫X交叉學科”為支撐的醫學教育模式轉變，通過多學科交叉融合，培養卓越科技型醫學人才[9]。醫學物理不但可以幫助醫學生認識人體生理和病理的現象，而且物理學的原理、方法和技術已廣泛應用于人類疾病的預防、診斷和治療。“新醫科”建設有力地回答了“醫學生為什么要學物理學”，同時對教師的教學也提出了更高的要求。

因此對于醫學物理來說，教師不應當只從教師的角度來思考教學和進行教學改革，還應當從學生自身的角度來研究。“知己”更要“知彼”，教師應當根據學生這些思維活動的特點和其導致的學習困難來反思自己的教學與教學改革，以便采用合適的教學方法和教學模式，精準引導學生正確地表征概念、原理和問題，幫助學生克服心理定勢和固著在理解和運用知識時候的副作用，使學生能夠實質性理解物理基本知識；避免學生通過死記硬背的方式學習醫學物理或者被動地學習醫學物理，激發學生進行積極的思考，幫助學生反思自己的思維活動；培養學生對醫學物理知識的理解與運用它們進行邏輯推理能力，培養學生科學的思維技能。

總之，通過對課堂教學中學生思維活動的研究，清楚了學生在分析解決相同問題的時候遇到了幾乎相同困難和障礙的因素。希望通過精準的教學研究和教學改革，找到行之有效的解決策略，使醫學生學好、用好物理知識，以便為醫學生學好后續課程打下牢固的物理基礎，實現“新醫科”對醫學人才的培養目標。