从一道力学题审视学生常见错误类型
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1引言
受力分析是在解决力学问题过程中，将研究对象与其他物体隔离出来，在特定的物理情景中分析其受到的外力的一种方法.受力分析的结果通常用受力示意图来表示.受力分析是高中物理处理力学问题最基本、最重要的工具和方法，是解决高中力学问题的关键.为了了解高中理科学生在解决力学问题时对受力分析方法的掌握和运用情况，我们用一道经典的高考力学题（2004年普通高等学校夏季招生考试理综全国卷Ⅳ）在广州市某重点中学高三理科班中进行了测试，根据测试结果，选择其中3名学生进行了访谈，从访谈中归纳总结了学生在“受力分析”中常见的错误类型，并利用心理学等相关理论对其成因进行了初步的解释.
信息加工心理学家一般把解决问题过程分解为问题表征、设计解题计划、执行解题计划和监控四个步骤.问题表征是指形成问题空间，包括明确问题的给定条件、目标和允许的操作.用我国教育界流行的术语来说，问题表征就是审题，即了解题意的过程.由此可以看出，解决物理问题，问题表征是极为关键的一步.Dermott & Larkin（1978）在研究物理问题解决的表征时，提出按层次由低到高的顺序可将问题表征分为4步，分别为文字表征阶段、朴素表征阶段、科学理论表征或“物理”表征阶段、数学表征阶段.文字表征阶段是关于问题文字描述的理解，通俗讲就是读懂问题；朴素表征阶段是根据问题的表面特征和生活经验对问题整体结构和框架的理解；物理表征阶段是“透过现象看本质”的阶段，将问题与物理原理、规律联系起来，是对问题深层特征的把握；数学表征阶段是用数学公式表征物理规律以及运用它们进行数学推导的过程.
通过对学生的访谈，笔者了解到，该学生认为，猫与木板的加速度是一样的，该学生已经将问题和物理规律联系起来，这是属于物理表征阶段，关于学生在这一阶段的理解，用文字描述就是猫相对于木板的位置不变.也就是说在文字表征和朴素表征阶段，学生将题意中“当绳子突然断开时，猫立即沿着板向上跑，以保持其相对斜面的位置不变”的这一段文字描述理解为猫相对于木板的位置不变.这说明了，这名学生在将题意中的文字表征转化为物理表征的过程中对问题中某些信息做了错误的分析和理解，造成对题目的认知错误，通俗讲就是没读懂问题.因此，教师在培养学生解决问题的能力时不仅仅培养学生理解问题的物理本质，也要培养学生懂得警惕问题的文字描述，比如：“向上跑”与“保持其相对斜面的位置不变”、“左移”、“平衡”、“移动后”、“缓慢地”、“光滑”等等.
2.2元认知监控和调节过程的缺失
根据加涅的学习信息加工模式，在信息加工系统中，有一个对信息加工的执行控制系统，其主要作用是监视和指导认知过程的进行，负责评估学习中的问题，确定用什么学习策略解决问题，评估所选策略的效果，并通过改变策略来提高学习效果.这种执行控制功能的基础就是元认知.而这个过程称为元认知监控和调节，是元认知的关键.元认知监控和调节过程的缺失具体表现为学生在问题解决时缺少对问题解决过程、方法的反思，而是得过且过.
该学生在解决这道题时没有选用恰当的解题策略，以保证有效的解决问题，只在对问题有了表层的理解之后就选择自己的答案，也不对自己的答案进行反思和评价，及时对自己的解题策略进行自我纠正，而是得过且过，这说明该学生在对信息加工时缺少对解题策略的效果进行评估和调节的元认知监控和调节过程.元认知监控和调节的这个过程可以归结为一个词，那就是“反省”.皮连生提到，认知策略中的反省认知成分是策略运用成败的关键，也是影响策略可迁移性的重要因素.因此，教师在培养学生解决物理问题能力同时，也要注意培养学生在解决问题之后对解决过程进行反省，选择最佳解决方法的习惯，比如，可以引导学生评估采用不同策略的不同效果；引导学生把不同学习成绩归因于采用的策略不同；引导学生运用他们从实践中习得的策略效益的知识进行未来的策略选择.
2.3物理概念、规律的错误理解
J・W・Santrock说：在问题解决方面，儿童经常被比喻成科学家，是因为儿童像科学家一样，经常强调因果机制，比如，针对这道题，学生会如此考虑，假如猫没有沿斜面向上跑，猫将会从静止开始沿着斜面向下运动，其加速度为gsinα，而猫由于要保持与斜面相对静止开始踩着木板向上跑，由于其静止，加速度必为零，因此木板给了猫沿斜面向上的加速度gsinα.学生的这种解题思维是比较严谨的，每一次的思考都是有前因后果的.还是针对这道题，木板给了猫沿斜面向上的加速度gsinα，由于相互作用，猫也给了木板沿斜面向下的加速度gsinα，这样的因果关系貌似也十分的合理，很符合学生所强调的因果体制，然而学生所认为的相互作用是加速度的相互作用，而非力的相互作用，这显然与牛顿第三定律相违背，那是因为在学生印象中，教师经常反复强调相互作用的三要素（大小相等，方向相反，作用在不同物体上），而很少强调是力的相互作用，致使学生将注意力集中在三要素，而忘了去思考相互作用的主体是力还是什么.
教师反复强调相互作用的三要素，这是教师在促进学生学习复杂陈述性知识的复述策略，复述策略包括边看书边讲述材料，在阅读时做摘录、划线或圈出重点等.心理学家对划线的作用做了许多研究，经研究发现，学生对复杂陈述性知识学习的效果会好一点，然而复述策略有利有弊，研究还发现，学生在无关信息下划线，降低了他们对重要信息的回忆.也就是说，教师在将某一部分知识设定为重要知识进行讲解时，另一部分知识却已经被学生归为次要知识放在一边了.就好像当三要素被定为重要知识时，产生相互作用的是力早已被忽略，因此，教师在备课的时候，要从学生的角度来看教材，认真思考学生在学习这一知识点时可能会忽略的问题；在教学过程中，注意让学生亲身体验规律的形成过程，比如，学习牛顿第三定律，教师可以设计这样的一个实验：两辆空中运输车在空中轨道上相撞，一辆是静止的轻型车，另一辆重型车冲向这辆轻型车，每辆车上都安装了力量探测器并与显示器相连.教师可以先要求学生预测相撞过程中是否一辆车会比另一辆车产生更大的冲击力，两辆车的加速度是否相同等等，并将预测记录下来.基于学生的经验，他们可能会预测移动的重型车对静止的轻型车产生更大的冲击力，而两车的加速度大小是相等，因为相撞那一瞬间，两车是想接触的.通过教师进行演示，学生会从屏幕上看到力量探测器在碰撞过程中探测到相等且方向相反的两个作用力.这就能更加深化学生对牛顿第三定律的理解，避免了教师反复强调相互作用的三要素而忽略了其他的重要知识.
3对教学的启示
3.1教学离不开心理学
教学最基本的要素有三个：教师、学生和教学内容，缺少其中任何一个就不成为教学，可谓最具教学本质属性的要素.可以看出，要进行有效教学，就必须了解学生的认知水平和心理特点，这不仅仅是依靠教师的经验就可以做到的，更重要的还是学习心理的相关理论，例如：行为主义理论、认知主义理论、建构主义理论等等.通过心理学的相关理论对学生认知情况的分析，能帮助教师更加清晰地了解到学生在问题解决过程中“何时受阻”、“为何受阻”，从而采取相应的教学策略.
3.2要多与学生交谈
笔者在阅读相关文献时发现：大部分教师的关注点还是放在了受力分析的步骤上，这说明了还是相当多的教师只关注知识本身，缺少关注知识的联系性.针对这道受力分析题的错误，可能还是有许多的教师会归因于学生没有掌握好受力分析的解题步骤，从而加强题目训练，而笔者通过与学生的交谈才发现，学生的错误并不来源于解题步骤.因此，教师要多与学生交谈，才能真正了解学生，才能真正帮助学生.