中學生物理意義理解水平的調查研究
——以“密度”為例

劉忠旭 陳飛飛 黃 蕾

(1. 西南大學教師教育學院,重慶 400715;2. 四川省遵義市第四中學校，四川 遵義 563000；3. 四川省自貢市富順第二中學校,四川 自貢 643200)

1 引言

從知識的結構來看,知識是由符號表征、邏輯形式和價值意義三個內在的要素相互關聯構成的整體。教育學家杜威說過：“所有的知識,所有的科學都試圖掌握萬事萬物的意義。”在學習過程中,學生如果沒有深刻理解概念的物理意義,那就無法利用它來解決實際問題。

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出：物理學科核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等四個方面。其中物理觀念是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，物理概念是物理觀念的基本要素之一,而深刻理解其物理意義又是掌握物理概念的基礎。

概念的物理意義是指這個概念的內涵與外延及其關系，包含在物理量的定義、性質、作用、功能、與之相關的物理現象和過程的聯系之中。學生在物理學習過程中,往往難以理解精煉化的物理概念,總是采取機械記憶的方式,在解決實際物理問題時,學生便難以靈活應對。本研究采用自制問卷,調查中學生對密度的物理意義的理解水平,并試圖從學生認知和教師教學兩方面分析調查結果。

2 調查分析

2.1 問卷設計

筆者通過教學實踐,發現剛接觸物理的八年級學生對單一維度的物理概念容易掌握,而對多維度復合的物理概念不易理解。本研究選擇調查八年級學生對密度物理意義的理解水平，由于文章篇幅的限制,本文只呈現問卷的部分內容。

題4：一個容器最多可裝下1kg的水,一定能裝下1kg的( )。

A. 鹽水 B. 酒精

題5：烏鴉喝水的故事為大家所熟知，如圖1所示,一個容積為3×10-4m3瓶內裝有0.1kg的水,聰明的烏鴉將一塊質量為0.02kg的小石塊投入瓶中,當烏鴉投了25塊相同的石塊時,水面升到了瓶口，求小石塊的密度。

圖1

2.2 樣本選擇及測試過程

為了客觀反映中學生對物理意義的理解水平,本研究選擇了遵義市某重點中學作為樣本。選擇八年級學生主要是因為這個階段的學生處于形式運算階段,已具有一定的抽象思維能力和邏輯推理能力,能夠獨立完成本次問卷測試；此外,在八年級上學期學生剛開始進行系統的物理學習,調查這個階段的學生對物理意義的理解水平,能夠有效地反映出學生的認知差異和教師教學中存在的不足。

本研究采用隨機抽樣的方法,抽取了遵義市某重點中學的4個班作為被試,由專業測試人員在課堂上監督完成測試,測試時間為20分鐘。共回收測試問卷126份,有效問卷為126份。

3 數據分析

3.1 信度檢驗

本研究采用獨立計分法，將測試總分設定為5分,每題答對計1分,答錯計0分。基于克隆巴赫α因子法進行信度檢驗,如表1所示,班級甲、乙、丙、丁的α系數均在0.7以上,表明該測試問卷對所選樣本有較好的一致性；將4個班所有樣本數據匯總分析,克隆巴赫系數達到0.776,表明量表對所選樣本有較好的一致性和可靠性。

表1 樣本信度檢驗

3.2 測試成績分析

對4個班每道題的平均得分情況進行統計,如表2所示,不同班級每題得分情況有所不同,4個班級的學生在第4題和第5題上得分均較低。第4題和第5題主要考查學生對密度的物理意義的理解,學生需深刻理解物體的體積、質量的概念,才能得出正確答案。4個班的學生在這兩題得分率不高,表明學生對密度物理意義的理解水平較低。

表2 班級各題平均得分

4 訪談分析

根據學生的平時成績和測試問卷的得分情況,將學生分為優等生、中等生和學困生三個層次。為了了解學生在答題時的思維過程,筆者采用分層抽樣的方法,選擇了7位不同層次的學生作為訪談對象。此次訪談在被試完成測試問卷后的2小時內進行,盡可能降低學生的遺忘程度，訪談內容整理如下。

問題1：你認為密度的物理意義是什么呢？

學生a、e：呃,不太清楚,不記得了……

學生d：單位體積物質的質量。

問題2：做第4題時,你是怎樣思考的？

學生a、b、c、e：鹽水的密度比水的密度大,而酒精的密度比水的密度小,因此,這個水杯既然能裝下1kg的水,就一定能裝下密度比水小的酒精,所以這個題選B。

學生f、g：之前做過相似的題,都是選的酒精(密度小的),就選了B。

問題3：做第5題時,你是怎樣思考的？

學生b、f：要求得石塊的密度,應先求出石塊的總質量,大小為0.5kg。然后求出體積,體積為3×10-4m3,呃,不對,這個體積是瓶子的容積,石塊的體積是……不太清楚,不知道怎樣求。

學生c、g：根據題意,求出石塊的質量是0.5kg，瓶內水的質量是0.1kg,總質量就是0.6kg,再用0.6kg除以3×10-4m3,就可以求出石塊的密度了。

問題4：上課時,老師有沒有講過質量、體積、密度的物理意義？如果有,老師是如何講解的？

學生a、b、d、e：講過,就是講它們的概念，教材上也有，還有講它們的應用。

學生c、f：應該講過吧,好像就是講了概念和公式,有沒有講物理意義,記不得了,應該講過,反正都差不多,都是教材上的那些話。

學生g：物理意義？可能講過吧,我也不清楚,忘了。

問題5：老師在講這些物理意義的時候,你是怎么理解的？

學生d：結合應用、生活實際理解吧,還有就是注意密度公式中各物理量的單位、所指的對象等。

學生g：就幾句話嘛,直接背下來就可以了,沒怎么理解。

根據以上訪談記錄,不難看出：大部分學生對密度物理意義的理解水平較低,與測試問卷的分析結果一致，可能與學生的認知方式和教師的教學有關,下面筆者就這兩方面提出建議。

5 討論

5.1 學生認知

認知心理學認為：學生在學習的過程中,會形成知識表征和圖示表征。其中知識表征又可分為程序性知識表征和非程序性知識表征，圖示是指為表征知識而建立的心理框架,包括對一些相關概念進行排列,使其成為一個有意義的組織體，可見物理意義是在建立圖示表征的過程中產生的。大部分學生在學習物理概念、規律時,并未建立有效的圖示表征,即學生并未將教材上給出的物理意義與生活實際相聯系,將其內化為有意義的知識,形成科學的物理概念。學生大多采用死記硬背的方式學習物理概念及其意義,他們的學習目標是“記住”,而不是“理解”。在這樣的認知目標下,學生對物理意義的理解水平很難得到提高,問題解決能力也難有質的提升。

此外,從訪談中發現,部分學生存在思維定勢,當面對類似的問題時,會受到做過的練習題的影響,產生負向的學習遷移。可見,在物理學習的過程中,海量練題是不可取的。海量練題容易使學生形成思維定勢,問題解決能力或許能夠得到短暫的提升,但難以深刻理解物理概念及其物理意義,缺乏感性認識,也就難以形成正確的物理觀念。

通過問卷調查和訪談,筆者發現：部分學生習慣用數學方法去解決物理問題,認為“物理學習=物理知識=物理公式=數學運算”。他們偏愛數學公式的記憶,將物理現象和過程數字化,忽視物理規律表達的物理含義,把解決物理問題的過程看作是在思維體系中檢索數學公式的過程，這一現象在問卷第5題的作答中最為突出。這表明：僅僅機械記憶物理概念及其物理意義,是無法提升問題解決能力的,更不可能形成正確的物理觀念，同時這也反映了學生物理意義的理解水平對問題解決有一定的影響。

5.2 教師教學

學習心理學揭示了學習的內部機制,符合學生學習機制的教學才是有效的教學。物理概念和規律的意義等都是通過與其他概念意義間的關系而界定的,而概念意義之間的聯系是學習者通過內部的邏輯加工機制而建立的。換句話說,教師教學應遵循學生的認知發展規律,符合其內部的邏輯加工機制。從訪談結果來看,大部分教師根據課程標準的要求,對物理概念的意義進行了一定的講解,但對物理意義的重視程度以及其教學方法是否有效,還有待進一步調查研究。從問卷的數據分析來看,教師對物理意義的教學效果并不樂觀。此外,根據學生的反饋,部分教師存在灌輸教學的現象,在講解物理意義時,只是將教材上給出的物理意義給學生念一遍或讓學生自己看一遍,并讓他們記住。物理意義本身是為了比較通俗明白地直接表示物理量而產生的說法,這種通俗明白的直接表示不僅僅包括定性描述和說明,也包括定量推導、圖形描述、對比說明等多種表述形式,但教學的關鍵是所使用的方法及內容必須是學生認知結構中存在的、學生熟悉的或者是容易理解的。如何將物理概念及其意義更加形象、具體地展現在學生面前,使其對物理概念具有感性認知,從而幫助學生正確建立物理觀念,這是物理教師值得注意和思考的重要問題。