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关于牛顿运动定律的
认知结构研究和认知策略训练
研究生:潘素玲
指导教师:梁树森
专业:学科教育(物理)
中文摘要
力学是高中物理学科的的重点和难点。经典力学的核心是牛顿运动定律。牛顿运动定律的学习能够巩固力学概念(象重力、弹力、摩擦力、内力、外力、作用力和反作用力、平衡力等)、运动学概念(象位移、速度、加速度等),并在物体运动变化过程中建立这些物理概念之间的相互联系。因此,牛顿运动定律的学习成为难点,困难的原因之一是对高一学生的能力要求比学生的实际认知水平高。怎样缩小能力要求和实际认知水平之间的差距,成为物理教师们研究的主要课题。
为了解决这个难题,本文进行了大量、细致的调查研究,结合认知心理学理论,对学生的认知结构作了分析,找出认知结构特点和缺陷。针对认知结构的特点和缺陷,进行认知策略教学设计,帮助学生培养自学能力,学会学习。
本文的研究结果表明:学生关于牛顿运动定律的认知发展与整体认知发展水平不适应,初二学远低于整体认知发展水平,而高一的认知能力要求又高于学生实际的认知发展水平,使得高一物理,特别是牛顿运动定律的学习格外困难。
实验还表明学习牛顿运动定律的认知结构复杂层次不同,越复杂的结构子图式越多,可供选择的内容越多,策略性知识在解决问题时越重要。
通过认知策略训练,使知识得到有效内化的同时,解决问题的能力得到提高,自学能力和自己解决问题的能力增强,取得了显著的教学效果。
关键词认知发展、认知结构、认知策略、问题解决。
一、问题的提出
在多年的高中物理教学实践中,深切地感触到高中生学习物理的困难,特别是高中一年级的物理学习,与初中物理的内容和要求跨度较大,除要转变错误的前概念,形成正确的科学概念,还要建立一系列的具有严格定义的新概念,并系统地建立概念之间的逻辑关系,既掌握物理规律。这些认知活动的容量、强度和难度超过了以往的学习,使学生对学习物理产生了不必要的心理压力,妨碍了物理的学习和进步,以至于影响到整个高中的物理学习,甚至影响其他学科的学习。实践证明,那些在高中对物理学习感兴趣,掌握一定的学习方法并取得优异成绩的学生,通过物理知识的学习,物理方法的运用,锻炼了自己的思维品质,带动了其他各学科的学习,并最终在高考中获得成功。
怎样在高中一年级的物理教学中适时审势地帮助、引导学生渡过难关,顺利地进入物理学习的最佳状态,成为高中物理教师的一项科研任务。依托物理知识、研究学生的认知结构和认知过程,形成科学、正确的认知策略,是解决学习物理困难的有效途径。
高中物理的难点在于力学,力学的核心内容是牛顿运动定律,通过牛顿运动定律的学习,可以纠正学生在日常生活中形成的关于力与运动关系的错误前概念,建立正确的力与运动的关系,正确地理解力和惯性的概念,运用牛顿运动定律解决动力学问题。
任何物理学内容无不具有实验基础、物理学的逻辑思维和数学表达这三种要素[1]。牛顿力学的建立是这三种要素完美结合的最初典范。学生在学习过程中不仅学习知识,还要掌握和运用方法,不断地引起认知结构和思维方法的变革,逐步地把知识转化为能力。物理学科的学习,从感知、表象到掌握概念、规律,再到应用它们去解决具体问题,都体现着思维加工的痕迹。因此,物理教学中的认知心理学研究,对物理学科的学习和学生能力的培养都起着至关重要的作用。
我国目前在物理教学认知领域的研究日趋完善和提高,已经把国内外先进的心理学、教育学理论同物理学科教学紧密联系起来,但是具体应用到中学教学中的研究还较少,为了添补这方面的不足,我作为一线的中学教师,有条件、有责任把自己学到的理论知识应用到具体研究中去。因此才产生了这个课题。
二、理论及文献综述
(一)概念的形成和认知发展
(Preconceptions)
概念是指一个人对事物进行具体分类,并以事物所从属的基本性质进行归类。正是通过概念我们才形成对世界的认识[2]。在形成概念的过程中,不同的人所处的环境和自身感受是有差异的,这就造成了对概念认识上的差异。有经验的物理教师在教学中发现,在物理学习的过程中,不同层次的学生,包括初中生、高中生、大学生,它们在学习物理的某个新概念或新定律时,常常表现出前概念现象,又叫前科学概念。前概念[3]也被称为错误概念(Misconceptions .Dermott,1984)、相异概念(Alternative conception 如 Viennot,1979)、相异构想(Alternative frameworks如Driver&Easley,1978)、直觉[4](Intuitions)或幼稚理论(Naïve theories)。这些概念的核心特点[5]是:
是学生头脑中强烈具有的一种稳定的认知结构;