中學(xué)生物理認(rèn)知水平的模糊判別及其教育價(jià)值

1、.中學(xué)生物理認(rèn)知程度的模糊判別及其教育價(jià)值物理教育作為一種促進(jìn)學(xué)生科學(xué)化的科學(xué)教育活動，應(yīng)當(dāng)研究學(xué)生的認(rèn)知程度與心理開展。這既是物理教育自身規(guī)律性的要求，又是90年代我國物理教育開展的迫切需要。教學(xué)要符合兒童的開展階段。皮亞杰認(rèn)為，教育是附屬于受教育者開展程度的。1959年在美國伍茲霍爾召開的中小學(xué)理科教改會議上，日內(nèi)瓦學(xué)派的代表英海爾德強(qiáng)調(diào)的也正是：“教學(xué)一定要考慮到當(dāng)時(shí)學(xué)生所處的開展階段。當(dāng)教材的性質(zhì)和難度合適兒童的認(rèn)知構(gòu)造程度時(shí)，學(xué)習(xí)才有最正確效果。在不同開展階段，知識是以不同性質(zhì)的方式獲得的，教學(xué)方法必須與開展程度相匹配。早在1982年7月的全國中學(xué)特級物理老師會議上，雷樹人同志就發(fā)表

2、了?試論我國中學(xué)物理教學(xué)的傳統(tǒng)?的講話。他指出：“要根據(jù)學(xué)生的智力開展程度來考慮教學(xué)內(nèi)容的深廣度。怎樣恰如其分地估計(jì)學(xué)生的智力開展程度，這是一個(gè)相當(dāng)困難的問題。我們的經(jīng)歷是：在強(qiáng)調(diào)可承受性的時(shí)候，往往把學(xué)生估計(jì)得過低，在強(qiáng)調(diào)發(fā)揮學(xué)生的潛力時(shí)，又往往把他們估計(jì)得過高。要較好地解決這個(gè)問題，還需要對我們的學(xué)生有更多的理解，并進(jìn)展理論的討論。我們在這方面開展的研究工作不多，實(shí)際問題往往還是靠經(jīng)歷探究著去解決。十多年來，從我國中學(xué)物理教學(xué)開展的情況來看中學(xué)生物理認(rèn)知程度的研究工作，被人們有意無意地忽略了。這種情況到目前為止，可以說根本上沒有什么改變。許多物理教育工作者在教材的知識構(gòu)造、教學(xué)的方式方法等

3、方面作了很好的工作，推進(jìn)了物理教學(xué)研究的開展。然而，還應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，整個(gè)中學(xué)物理教育的根底之一，即學(xué)生物理認(rèn)知程度的判別問題，至今還未能得到很好的解決。我們這項(xiàng)研究工作，一方面從中西方比較教育的角度去闡述中學(xué)生物理認(rèn)知程度研究和開展的歷史與現(xiàn)狀，另一方面，嘗試從物理教育量化方法已有的成果出發(fā)，用模糊數(shù)學(xué)的方法去認(rèn)識學(xué)生的物理認(rèn)知程度。這項(xiàng)工作分為四個(gè)部分。一、國內(nèi)外中學(xué)生物理認(rèn)知程度的研究方法及現(xiàn)狀在國外，1965年開場出現(xiàn)了用集體筆試學(xué)生運(yùn)算形式的方法。這種測驗(yàn)要求的不是測驗(yàn)知識，而是測驗(yàn)學(xué)生的運(yùn)算形式。這種方法不用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所需時(shí)間短，但效果不太理想。1975年，羅厄爾JARowed和

4、霍夫曼PJHoffman提出了另一種集體測試形式。他們給每個(gè)被試者準(zhǔn)備一份測試小冊子、一套有關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說明。這種方法有實(shí)驗(yàn)，是個(gè)改進(jìn)，但需要大量的儀器設(shè)備，老師準(zhǔn)備很費(fèi)時(shí)間；學(xué)生對實(shí)驗(yàn)說明的理解有困難，有不按要務(wù)實(shí)驗(yàn)和操作的情形；測試時(shí)課堂秩序很亂，管理困難，效果也不很好。1978年，美國著名理科教育家安東·勞森AntonElawson選擇了一套較完好的、能測試各種根本運(yùn)算形式的測試題，并進(jìn)展了規(guī)模較大的比照實(shí)驗(yàn)。勞森將被試者分為三種類型：形式運(yùn)算型、過渡或中間運(yùn)算型和詳細(xì)運(yùn)算型。他發(fā)現(xiàn)，在513名被試者的集體測試中，大多數(shù)形式運(yùn)算型可答對全部15道測試題中的1215

5、題。大多數(shù)過渡型可答對611題，而大多數(shù)詳細(xì)運(yùn)算型只答對15題。處于不同思維開展階段的學(xué)生，在物理學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)有何不同呢？美國的理科教育家發(fā)現(xiàn)，不同類型的學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)有明顯的區(qū)別，包括以下幾個(gè)方面：1用概念、規(guī)律解釋現(xiàn)象的才能不同；2設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的才能不同；3簡化假設(shè)的才能不同；4用數(shù)學(xué)分析物理現(xiàn)象的才能不同。在國內(nèi)，1989年和1990年，首都師范大學(xué)的喬際平等人采用知識優(yōu)等價(jià)排除法，用開底型試題對269名學(xué)生進(jìn)展了才能測試，才能級別分布如圖一所示。北京師范大學(xué)的段金梅等人那么利用教材對學(xué)生思維程度的要求與學(xué)生成績相比較，以教材對學(xué)生的要求當(dāng)做評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，把教材的要求用五個(gè)思維等級表示

6、，如圖二。圖二中實(shí)線表示教材要求，虛線表示學(xué)生成績。由圖二可以看出，我國中學(xué)生的物理思維程度與教材要求相比較，是普遍偏低的。綜觀國內(nèi)外中學(xué)生物理認(rèn)知程度的研究，我們發(fā)現(xiàn)，國外的研究不僅起步較早，而且研究方法與程度也比較高。因此，目前在國內(nèi)物理教學(xué)中，加強(qiáng)這方面的研究就顯得異常緊迫。二、中學(xué)生物理認(rèn)知程度判別的理論根據(jù)判別中學(xué)生的物理認(rèn)知程度，皮亞杰的認(rèn)知開展階段理論，可以為我們提供一個(gè)較好的理論解釋模型。皮亞杰的認(rèn)知開展階段理論，把兒童從出生到大約15歲劃分為互相銜接的、順序不變的但特征各異的四個(gè)心理開展階段。即感知運(yùn)算階段02歲、前運(yùn)算階段27歲、詳細(xì)運(yùn)算階段712歲和形式運(yùn)算階段1215歲

7、。這四個(gè)階段的主要標(biāo)志是運(yùn)算的思維程度不同。中學(xué)生的認(rèn)知程度集中在詳細(xì)運(yùn)算和形式運(yùn)算階段。因此，我們將重點(diǎn)研究這兩個(gè)運(yùn)算階段。一詳細(xì)運(yùn)算詳細(xì)運(yùn)算的特點(diǎn)是：一般離不開詳細(xì)事物的支持，運(yùn)算主要依靠實(shí)物和能觀察到的實(shí)際事物等來支持，不能依靠詞語、假設(shè)來進(jìn)展。只要問題是詳細(xì)的，兒童可以完成相當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)算。所以這一階段稱為詳細(xì)運(yùn)算階段。詳細(xì)運(yùn)算包括四種類型：1分類根據(jù)觀察到的事物的性質(zhì)進(jìn)展分類和概括。例如，學(xué)生知道安培表、毫安表和微安表都是用來測量電路中電流大小的儀器。2守恒。知道一個(gè)量假如沒有增加或減小，即使物體外形變化了，該量也保持不變。例如，同一支密度計(jì)放在水中與酒精中露出的長度不同，但所受浮力一

8、樣，都等于密度計(jì)的重量。3順序排列排列一組可觀察的物體，在較復(fù)雜的情況下，能在兩種可觀察的物體間建立可能一一對應(yīng)關(guān)系。例如，知道單擺的擺長越長周期越大，擺長越短周期越小。4可逆性能在心理上反轉(zhuǎn)考慮一系列步驟，即從某一步驟的終狀態(tài)返回到初狀態(tài)。例如，使用天平時(shí)，既可以按照操作步驟對天平進(jìn)展調(diào)節(jié)，對物體進(jìn)展稱量，又可以在頭腦中想象出整理物體、天平的一系列步驟。二形式運(yùn)算形式運(yùn)算的特點(diǎn)是：思維已能擺脫詳細(xì)事物的束縛，把內(nèi)容與形式區(qū)分開來，能進(jìn)展假設(shè)、演繹推理。這種假設(shè)、演繹推理，不僅是邏輯和數(shù)學(xué)思維的憑借，也是一切科學(xué)思維活動的根底。處于這個(gè)階段的兒童可以根據(jù)理論或假設(shè)推出結(jié)論，并以結(jié)論檢驗(yàn)假說或理

9、論，解釋有關(guān)現(xiàn)象或預(yù)言新的事實(shí)，發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象。形式運(yùn)算包括五種類型：1理論思維能應(yīng)用多重分類、守恒邏輯、順序排列和其它運(yùn)算形式、理論或理想模型于不能直接觀察到的事物間的關(guān)系和性質(zhì)。例如，高中學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)苡脠D解外推法推得電源電動勢的大小。2組合思維能考慮一切可以想象的詳細(xì)的或抽象的工程的組合。例如，把幾種電學(xué)儀器組合起來進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，測量電動勢和內(nèi)電阻。3函數(shù)觀念和比例思維可以用數(shù)學(xué)形式表達(dá)和解釋函數(shù)關(guān)系。例如，通過比例法確定液體內(nèi)部的壓強(qiáng)與深度的關(guān)系。4別離和控制變量認(rèn)清實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)除了一個(gè)被研究的變量之外，控制一切其它變量是必要的。例如，單擺實(shí)驗(yàn)中，控制擺錘質(zhì)量與重力加速度的大小，只研究擺長與周期

10、的關(guān)系就可以了。5概率與相關(guān)思維能理解概率的本質(zhì)，能解釋一些不可預(yù)言的、不可確定的觀察事實(shí)，并能識別變量之間的關(guān)系。例如，高中物理對大氣壓強(qiáng)的解釋是：在單位時(shí)間內(nèi)分子給器壁的總沖量就等于氣體的壓強(qiáng)。三、中學(xué)生物理認(rèn)知程度的模糊判別皮亞杰的認(rèn)知開展階段理論在國際上獲得了廣泛的成認(rèn)與贊同。但是，從連續(xù)性上考慮，四階段劃分又粗糙了一些。因?yàn)殡A段不是臺階式的，而是連續(xù)的，這樣就使該理論在教學(xué)中的應(yīng)用產(chǎn)生了一定的困難。近年來在國際上出現(xiàn)了一批新皮亞杰學(xué)派的心理學(xué)家。例如，胡安·帕斯奎爾·萊昂Juanpascualleone等人，他們用“中心計(jì)算空間M來解釋認(rèn)知開展，認(rèn)為“M空間在個(gè)體

11、正常開展中以定量增加。M空間被理解為ek。e是指貯存有關(guān)如何解決問題的一般知識的加工才能，k是指貯存有關(guān)在解決問題及詳細(xì)步驟的知識的才能。e是不變的，而k隨著兒童年齡的增長而有所增加。如表一所示。表一 不同開展程度人體的M空間年齡歲皮亞杰的開展階段M空間e+k34前運(yùn)算早期e+156前運(yùn)算晚期e+278詳細(xì)運(yùn)算早期e+3910詳細(xì)運(yùn)算晚期e+41112形式運(yùn)算早期e+51314形式運(yùn)算中期e+61516開式運(yùn)算晚期e+7可見，新皮亞杰學(xué)派關(guān)于兒童認(rèn)知階段劃分的研究，使皮亞杰的認(rèn)知程度開展理論更加完善，更利于該理論在教學(xué)中的應(yīng)用。在第七屆全國中學(xué)生物理競賽江西賽區(qū)實(shí)驗(yàn)中，我們運(yùn)用皮亞杰的認(rèn)知程度

12、開展理論和新皮亞杰學(xué)派的研究成果進(jìn)展命題，檢驗(yàn)參賽學(xué)生的認(rèn)知開展程度。如表二。題目層次名稱難度1形式運(yùn)算說明試管在水中處于穩(wěn)定平衡的條件0.442詳細(xì)運(yùn)算測量砝碼高度與重心位置0.373形式運(yùn)算找出試管重心的最低位置0.504形式運(yùn)算用數(shù)學(xué)式表達(dá)出物體重心變化規(guī)律0.705形式運(yùn)算尋求浮力中心隨砝碼高度變化的數(shù)據(jù)0.516形式運(yùn)算尋找試管處于臨界位置的砝碼高度0.68被試者共49名，試題總分值為30分，測試分?jǐn)?shù)如下：28，27，26，25，24，24，23，22，21，21，20，20，20，19，19，19，18，18，18，18，17，16，16，16，15，15，14，14，14，14，

13、13，12，12，11，1I，11，10，9，9，8，7，6，6，4，3，2，2，2，1。49名被試者物理認(rèn)知程度的模糊判別：取論域U0，1，形式運(yùn)算晚、中、早三個(gè)階段與詳細(xì)運(yùn)算晚、早兩個(gè)階段共五個(gè)階段分別表示為U上的五個(gè)模糊集合A、B、C、D、E：它們的隸屬函數(shù)分別為：這幾個(gè)函數(shù)可以用圖三表示出來：任取一個(gè)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成百分制分別代入上述五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)形式，可以求出其認(rèn)知程度。比方，26分轉(zhuǎn)換成百分制為866分。根據(jù)最大隸屬原那么，可知U26分屬于A的程度最大，所以該學(xué)生的認(rèn)知程度應(yīng)定為形式運(yùn)算晚期。根據(jù)同樣的方法，可以求出25分的隸屬度。可知U25分屬于B的程度最大，所以認(rèn)知程度應(yīng)定為形式運(yùn)算中期

14、。這樣，可以分別對49名被試者的認(rèn)知程度進(jìn)展模糊判別。如表三運(yùn)算階段分?jǐn)?shù)人數(shù)百分比形式運(yùn)算晚期28,27,2636.1%形式運(yùn)算中期25,24,24,23,22,21,21,20,20,20918.36%形式運(yùn)算早期19,19,19.18,18,18,18,17,16,16,16,15,15,14,14,141734.69%形式運(yùn)算晚期13,12,12,11,11,11,10,9,9,8918.36%形式運(yùn)算早期7,6,6,4,3,2,2,2,1918.36%統(tǒng)計(jì)結(jié)果說明，49名被試者有5918到達(dá)了形式運(yùn)算階段，有3673到達(dá)了詳細(xì)運(yùn)算階段。當(dāng)然，這并不代表中學(xué)生認(rèn)知開展的普遍程度。因?yàn)?9

15、名被試者是從全江西省選拔出來的。四、中學(xué)生物理認(rèn)知程度判別的教育價(jià)值與意義長期以來，在中學(xué)物理教學(xué)中，斷定學(xué)生的思維程度，一直存在著以經(jīng)歷代替科學(xué)的傾向。例如，許多學(xué)校、老師常常用優(yōu)等生、中等生和差生等術(shù)語來描繪不同的學(xué)生。這不僅存在著相當(dāng)大的主觀性，而且也缺乏相應(yīng)的理論根據(jù)。運(yùn)用皮亞杰的認(rèn)知開展階段理論來判斷學(xué)生的物理認(rèn)知程度，就有助于解決這一問題，同時(shí)在中學(xué)物理教學(xué)中還有以下獨(dú)特的教育價(jià)值與作用。一有利于因材施教“因材施教，一般是指老師要從學(xué)生的實(shí)際情況、個(gè)別差異出發(fā)，有的放矢地進(jìn)展有差異的教學(xué)，使每個(gè)學(xué)生都能揚(yáng)長避短、獲得最正確的開展。因此，在物理教學(xué)中貫徹因材施教原那么，首先應(yīng)當(dāng)理解和

16、鑒別學(xué)生的認(rèn)知程度，廢除那種不理解學(xué)生心理才能的教學(xué)。有研究指出：“在美國的學(xué)校中，只有132的初中生、15的高中生和22的大學(xué)生到達(dá)了形式運(yùn)算階段。美國的許多理科教育家近期的研究也強(qiáng)有力地說明了這種情況。我國的一些調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，“年齡在20歲左右的大學(xué)低年級學(xué)生，尚有半數(shù)左右的物理思維仍處于詳細(xì)運(yùn)算階段。顯然，高中學(xué)生中多數(shù)物理思維沒有進(jìn)入到形式運(yùn)算階段，初中學(xué)生的物理思維根本上還處在詳細(xì)運(yùn)算階段和前運(yùn)算階段。當(dāng)然，學(xué)生個(gè)體之間是有差異的，個(gè)別智力較好的學(xué)生可能在中學(xué)低年級就已經(jīng)進(jìn)入了形式運(yùn)算階段“比方江西賽區(qū)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論就說明了這一點(diǎn)?？梢姡谥袑W(xué)物理教學(xué)中，只有判明了學(xué)生的物理認(rèn)知程度，才

17、可以使教學(xué)真正可以做到因材施教。二有助于組織教學(xué)運(yùn)用皮亞杰的理論不僅可以對學(xué)生的認(rèn)知程度進(jìn)展判別，同時(shí)還可以對教材進(jìn)展深化地研究，以便更好地組織教學(xué)。老師在備課時(shí)，常常要備知識包括根本理論知論、實(shí)際知識和技能，掌握教材的重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵。這是必要和正確的，但是不夠的。老師還應(yīng)當(dāng)知道，學(xué)生需要掌握的知識和概念哪些應(yīng)屬于詳細(xì)運(yùn)算，哪些應(yīng)屬于形式運(yùn)算。這就是說，要研究和掌握各階段教學(xué)內(nèi)容的知識構(gòu)造和才能構(gòu)造。比方，初中物理壓強(qiáng)的概念與表達(dá)式PFS，屬于形式運(yùn)算階段教學(xué)內(nèi)容，在這個(gè)階段學(xué)生可以運(yùn)用數(shù)學(xué)形式表達(dá)和解釋函數(shù)關(guān)系。明白了這一點(diǎn)，老師就可結(jié)合學(xué)生的物理認(rèn)知程度，采取相應(yīng)的教學(xué)對策，從而使教學(xué)走上有序開展的安康軌道。三有助于施行教學(xué)評價(jià)近