中学生物理认知水平的模糊判别及其教育价值

1、.中学生物理认知程度的模糊判别及其教育价值物理教育作为一种促进学生科学化的科学教育活动，应当研究学生的认知程度与心理开展。这既是物理教育自身规律性的要求，又是90年代我国物理教育开展的迫切需要。教学要符合儿童的开展阶段。皮亚杰认为，教育是附属于受教育者开展程度的。1959年在美国伍兹霍尔召开的中小学理科教改会议上，日内瓦学派的代表英海尔德强调的也正是：“教学一定要考虑到当时学生所处的开展阶段。当教材的性质和难度合适儿童的认知构造程度时，学习才有最正确效果。在不同开展阶段，知识是以不同性质的方式获得的，教学方法必须与开展程度相匹配。早在1982年7月的全国中学特级物理老师会议上，雷树人同志就发表

2、了?试论我国中学物理教学的传统?的讲话。他指出：“要根据学生的智力开展程度来考虑教学内容的深广度。怎样恰如其分地估计学生的智力开展程度，这是一个相当困难的问题。我们的经历是：在强调可承受性的时候，往往把学生估计得过低，在强调发挥学生的潜力时，又往往把他们估计得过高。要较好地解决这个问题，还需要对我们的学生有更多的理解，并进展理论的讨论。我们在这方面开展的研究工作不多，实际问题往往还是靠经历探究着去解决。十多年来，从我国中学物理教学开展的情况来看中学生物理认知程度的研究工作，被人们有意无意地忽略了。这种情况到目前为止，可以说根本上没有什么改变。许多物理教育工作者在教材的知识构造、教学的方式方法等

3、方面作了很好的工作，推进了物理教学研究的开展。然而，还应该清楚地认识到，整个中学物理教育的根底之一，即学生物理认知程度的判别问题，至今还未能得到很好的解决。我们这项研究工作，一方面从中西方比较教育的角度去阐述中学生物理认知程度研究和开展的历史与现状，另一方面，尝试从物理教育量化方法已有的成果出发，用模糊数学的方法去认识学生的物理认知程度。这项工作分为四个部分。一、国内外中学生物理认知程度的研究方法及现状在国外，1965年开场出现了用集体笔试学生运算形式的方法。这种测验要求的不是测验知识，而是测验学生的运算形式。这种方法不用实验设备，所需时间短，但效果不太理想。1975年，罗厄尔JARowed和

4、霍夫曼PJHoffman提出了另一种集体测试形式。他们给每个被试者准备一份测试小册子、一套有关的实验仪器设备和实验指导说明。这种方法有实验，是个改进，但需要大量的仪器设备，老师准备很费时间；学生对实验说明的理解有困难，有不按要务实验和操作的情形；测试时课堂秩序很乱，管理困难，效果也不很好。1978年，美国著名理科教育家安东·劳森AntonElawson选择了一套较完好的、能测试各种根本运算形式的测试题，并进展了规模较大的比照实验。劳森将被试者分为三种类型：形式运算型、过渡或中间运算型和详细运算型。他发现，在513名被试者的集体测试中，大多数形式运算型可答对全部15道测试题中的1215

5、题。大多数过渡型可答对611题，而大多数详细运算型只答对15题。处于不同思维开展阶段的学生，在物理学习中的表现有何不同呢？美国的理科教育家发现，不同类型的学生在物理学习中的表现有明显的区别，包括以下几个方面：1用概念、规律解释现象的才能不同；2设计实验的才能不同；3简化假设的才能不同；4用数学分析物理现象的才能不同。在国内，1989年和1990年，首都师范大学的乔际平等人采用知识优等价排除法，用开底型试题对269名学生进展了才能测试，才能级别分布如图一所示。北京师范大学的段金梅等人那么利用教材对学生思维程度的要求与学生成绩相比较，以教材对学生的要求当做评价的标准，把教材的要求用五个思维等级表示

6、，如图二。图二中实线表示教材要求，虚线表示学生成绩。由图二可以看出，我国中学生的物理思维程度与教材要求相比较，是普遍偏低的。综观国内外中学生物理认知程度的研究，我们发现，国外的研究不仅起步较早，而且研究方法与程度也比较高。因此，目前在国内物理教学中，加强这方面的研究就显得异常紧迫。二、中学生物理认知程度判别的理论根据判别中学生的物理认知程度，皮亚杰的认知开展阶段理论，可以为我们提供一个较好的理论解释模型。皮亚杰的认知开展阶段理论，把儿童从出生到大约15岁划分为互相衔接的、顺序不变的但特征各异的四个心理开展阶段。即感知运算阶段02岁、前运算阶段27岁、详细运算阶段712岁和形式运算阶段1215岁

7、。这四个阶段的主要标志是运算的思维程度不同。中学生的认知程度集中在详细运算和形式运算阶段。因此，我们将重点研究这两个运算阶段。一详细运算详细运算的特点是：一般离不开详细事物的支持，运算主要依靠实物和能观察到的实际事物等来支持，不能依靠词语、假设来进展。只要问题是详细的，儿童可以完成相当复杂的运算。所以这一阶段称为详细运算阶段。详细运算包括四种类型：1分类根据观察到的事物的性质进展分类和概括。例如，学生知道安培表、毫安表和微安表都是用来测量电路中电流大小的仪器。2守恒。知道一个量假如没有增加或减小，即使物体外形变化了，该量也保持不变。例如，同一支密度计放在水中与酒精中露出的长度不同，但所受浮力一

8、样，都等于密度计的重量。3顺序排列排列一组可观察的物体，在较复杂的情况下，能在两种可观察的物体间建立可能一一对应关系。例如，知道单摆的摆长越长周期越大，摆长越短周期越小。4可逆性能在心理上反转考虑一系列步骤，即从某一步骤的终状态返回到初状态。例如，使用天平时，既可以按照操作步骤对天平进展调节，对物体进展称量，又可以在头脑中想象出整理物体、天平的一系列步骤。二形式运算形式运算的特点是：思维已能摆脱详细事物的束缚，把内容与形式区分开来，能进展假设、演绎推理。这种假设、演绎推理，不仅是逻辑和数学思维的凭借，也是一切科学思维活动的根底。处于这个阶段的儿童可以根据理论或假设推出结论，并以结论检验假说或理

9、论，解释有关现象或预言新的事实，发现新的现象。形式运算包括五种类型：1理论思维能应用多重分类、守恒逻辑、顺序排列和其它运算形式、理论或理想模型于不能直接观察到的事物间的关系和性质。例如，高中学生通过实验能用图解外推法推得电源电动势的大小。2组合思维能考虑一切可以想象的详细的或抽象的工程的组合。例如，把几种电学仪器组合起来进展实验，测量电动势和内电阻。3函数观念和比例思维可以用数学形式表达和解释函数关系。例如，通过比例法确定液体内部的压强与深度的关系。4别离和控制变量认清实验设计除了一个被研究的变量之外，控制一切其它变量是必要的。例如，单摆实验中，控制摆锤质量与重力加速度的大小，只研究摆长与周期

10、的关系就可以了。5概率与相关思维能理解概率的本质，能解释一些不可预言的、不可确定的观察事实，并能识别变量之间的关系。例如，高中物理对大气压强的解释是：在单位时间内分子给器壁的总冲量就等于气体的压强。三、中学生物理认知程度的模糊判别皮亚杰的认知开展阶段理论在国际上获得了广泛的成认与赞同。但是，从连续性上考虑，四阶段划分又粗糙了一些。因为阶段不是台阶式的，而是连续的，这样就使该理论在教学中的应用产生了一定的困难。近年来在国际上出现了一批新皮亚杰学派的心理学家。例如，胡安·帕斯奎尔·莱昂Juanpascualleone等人，他们用“中心计算空间M来解释认知开展，认为“M空间在个体

11、正常开展中以定量增加。M空间被理解为ek。e是指贮存有关如何解决问题的一般知识的加工才能，k是指贮存有关在解决问题及详细步骤的知识的才能。e是不变的，而k随着儿童年龄的增长而有所增加。如表一所示。表一 不同开展程度人体的M空间年龄岁皮亚杰的开展阶段M空间e+k34前运算早期e+156前运算晚期e+278详细运算早期e+3910详细运算晚期e+41112形式运算早期e+51314形式运算中期e+61516开式运算晚期e+7可见，新皮亚杰学派关于儿童认知阶段划分的研究，使皮亚杰的认知程度开展理论更加完善，更利于该理论在教学中的应用。在第七届全国中学生物理竞赛江西赛区实验中，我们运用皮亚杰的认知程度

12、开展理论和新皮亚杰学派的研究成果进展命题，检验参赛学生的认知开展程度。如表二。题目层次名称难度1形式运算说明试管在水中处于稳定平衡的条件0.442详细运算测量砝码高度与重心位置0.373形式运算找出试管重心的最低位置0.504形式运算用数学式表达出物体重心变化规律0.705形式运算寻求浮力中心随砝码高度变化的数据0.516形式运算寻找试管处于临界位置的砝码高度0.68被试者共49名，试题总分值为30分，测试分数如下：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名被试者物理认知程度的模糊判别：取论域U0，1，形式运算晚、中、早三个阶段与详细运算晚、早两个阶段共五个阶段分别表示为U上的五个模糊集合A、B、C、D、E：它们的隶属函数分别为：这几个函数可以用图三表示出来：任取一个数据并转换成百分制分别代入上述五个标准形式，可以求出其认知程度。比方，26分转换成百分制为866分。根据最大隶属原那么，可知U26分属于A的程度最大，所以该学生的认知程度应定为形式运算晚期。根据同样的方法，可以求出25分的隶属度。可知U25分属于B的程度最大，所以认知程度应定为形式运算中期

14、。这样，可以分别对49名被试者的认知程度进展模糊判别。如表三运算阶段分数人数百分比形式运算晚期28,27,2636.1%形式运算中期25,24,24,23,22,21,21,20,20,20918.36%形式运算早期19,19,19.18,18,18,18,17,16,16,16,15,15,14,14,141734.69%形式运算晚期13,12,12,11,11,11,10,9,9,8918.36%形式运算早期7,6,6,4,3,2,2,2,1918.36%统计结果说明，49名被试者有5918到达了形式运算阶段，有3673到达了详细运算阶段。当然，这并不代表中学生认知开展的普遍程度。因为49

15、名被试者是从全江西省选拔出来的。四、中学生物理认知程度判别的教育价值与意义长期以来，在中学物理教学中，断定学生的思维程度，一直存在着以经历代替科学的倾向。例如，许多学校、老师常常用优等生、中等生和差生等术语来描绘不同的学生。这不仅存在着相当大的主观性，而且也缺乏相应的理论根据。运用皮亚杰的认知开展阶段理论来判断学生的物理认知程度，就有助于解决这一问题，同时在中学物理教学中还有以下独特的教育价值与作用。一有利于因材施教“因材施教，一般是指老师要从学生的实际情况、个别差异出发，有的放矢地进展有差异的教学，使每个学生都能扬长避短、获得最正确的开展。因此，在物理教学中贯彻因材施教原那么，首先应当理解和

16、鉴别学生的认知程度，废除那种不理解学生心理才能的教学。有研究指出：“在美国的学校中，只有132的初中生、15的高中生和22的大学生到达了形式运算阶段。美国的许多理科教育家近期的研究也强有力地说明了这种情况。我国的一些调查研究发现，“年龄在20岁左右的大学低年级学生，尚有半数左右的物理思维仍处于详细运算阶段。显然，高中学生中多数物理思维没有进入到形式运算阶段，初中学生的物理思维根本上还处在详细运算阶段和前运算阶段。当然，学生个体之间是有差异的，个别智力较好的学生可能在中学低年级就已经进入了形式运算阶段“比方江西赛区实验的结论就说明了这一点。可见，在中学物理教学中，只有判明了学生的物理认知程度，才

17、可以使教学真正可以做到因材施教。二有助于组织教学运用皮亚杰的理论不仅可以对学生的认知程度进展判别，同时还可以对教材进展深化地研究，以便更好地组织教学。老师在备课时，常常要备知识包括根本理论知论、实际知识和技能，掌握教材的重点、难点和关键。这是必要和正确的，但是不够的。老师还应当知道，学生需要掌握的知识和概念哪些应属于详细运算，哪些应属于形式运算。这就是说，要研究和掌握各阶段教学内容的知识构造和才能构造。比方，初中物理压强的概念与表达式PFS，属于形式运算阶段教学内容，在这个阶段学生可以运用数学形式表达和解释函数关系。明白了这一点，老师就可结合学生的物理认知程度，采取相应的教学对策，从而使教学走上有序开展的安康轨道。三有助于施行教学评价近