信息冗余物理习题的实验研究

刘鸿

摘 要： 信息冗余物理习题是指题目中所包括的信息超出习题解决的必要信息，存在部分信息是有效冗余或无效冗余，有确定答案的物理问题。本研究以信息加工建构主义和信息加工理论为理论基础，在物理教学中加入信息冗余物理习题进行实验，为改进习题教学内容提供理论和实践参考。

关键词： 信息冗余 物理习题 信息加工 实验研究

一、“信息冗余物理习题”的定义

通过查阅文献，发现并无学者明确提出“信息冗余习题”的概念，与“信息冗余习题”概念相近的是“条件多余习题”。由于笔者倾向于利用信息加工理论对该类习题进行研究，故仍从信息加工理论的角度对该类习题进行定义。

借鉴信息论中对于信息冗余的定义和分类，信息冗余物理习题是指题目中所包括的信息超出习题解决必需的信息，存在部分信息是有效冗余或无效冗余，有确定答案的物理问题。

二、“信息冗余物理习题”的特点

（一）信息冗余物理习题具有确定性。

“信息冗余”是相对于习题解决必需的信息条件而言的。如果习题中的问题解决，需要题干中所有的条件，缺一不可，则可以认定该类习题是非信息冗余习题，因此很容易区分信息冗余物理习题与一般物理习题。

（二）信息冗余物理习题的解题方案具有多样性。

由于信息冗余物理习题中除了包含必要解题信息条件外，还包含有效冗余信息的存在，因而使得问题的解决过程和方法具有多样性。习题解答者具有的知识储备不同，解答问题的思维方式不同，解题的习惯不同，信息条件的组合不同，会使习题的解决方案具有多种可能性，即方案具有多样性。

（三）信息冗余物理习题的答案具有唯一性。

由于信息冗余物理习题在问题的设置上是具体的、准确的，虽然信息冗余物理习题的信息条件过量，但所有的有效信息之间并不矛盾，它们指向同一个结果，因此信息冗余物理习题的答案具有唯一性。

（四）信息冗余物理习题具有复杂性。

信息冗余物理习题的复杂性表现在这类习题中，往往涉及大量的有效冗余和无效冗余信息，当习题解答者运用所学知识解答信息冗余物理习题时，面对的第一个困难，并不是如何解答习题，而是如何针对问题从条件信息中提取自己需要的有效信息。

如下图所示：在摩擦因数为0.1的水平面放一质量为1kg的物块，在一大小为5N的水平拉力的作用下，由静止开始做匀加速直线运动，已知前5s的总位移为50m，试求出该物块的加速度？

该例题给定了摩擦因数的大小，物块的质量，施加力的大小和方向，初速度，时间和位移共六个信息，要求出物体的加速度。由于题干中给出的条件信息超出了问题解决必需的信息，因此可以判定该习题为信息冗余物理习题。由于既可以利用摩擦因数的大小，物块的质量，施加力的大小和方向，从受力分析的角度解答，又可以利用初速度、时间和位移等运动学的知识解答，因此解题的方案具有多样性。尽管解题的方案有多种，但正确结果只有一个，因此信息冗余物理习题的答案具有唯一性。由于习题中包含部分冗余信息，要求学生从大量条件信息中选取自己需要的条件信息，因此学生必须对本部分知识有较为深入的了解，以便排除冗余信息的负面影响，使问题得到解决，因此信息冗余物理习题具有复杂性。

综上所述，信息冗余物理习题相对于一般物理习题，具有区分标准确定性、解题方案多样性、习题答案唯一性、解题过程复杂性的特点。

三、实验步骤

本研究主要包括3次实验习题训练，一次实验习题检测，共两个阶段。

阶段一：在每个教学部分完成后，对实验组的学生，发放笔者设计的信息冗余物理习题练习卷，及时收集学生完成的习题，积极与教师和学生沟通，仔细分析习题中出现的问题，以便在下次训练中加以改进。

阶段二：三次实验习题训练后，在实验组和对照组同时发放信息冗余物理习题的检测卷（第四次实验），收集并分析学生的完成情况，结合学生的期末考试成绩，得出实验结论。

四、研究结论

本研究通过对实验组和对照组共589名学生长达一个学期的跟踪实验研究，发放1480份习题和检测试题，回收习题和检测习题1398份及共589名学生的期末考试成绩等数据进行统计分析，可以得出以下结论。

（一）当信息冗余物理习题的难度处于学生的学习的最近发展区，学生在解决习题过程中存在一定困难，但经过努力仍可以顺利解决时，通过信息冗余物理习题的练习，学生解决信息冗余物理习题的能力确实得到明显提高，课业成绩也得到提高。如果信息冗余物理习题的难度与学生的知识能力和认知水平不能达到基本适应，即习题相对过难或习题相对过于简单，就会使信息冗余物理习题失去功能，甚至可能产生负面影响。

（二）当信息冗余物理习题中出现超出学生知识范围的信息条件，即学生平时接触较少或从为接触过的新概念，即使在题干中进行了解释，依然可能造成学生解题出现明显障碍，造成大多数学生无法顺利完成习题的解答。

（三）由于学生的水平层次较低，而信息冗余物理习题普遍较难，且都具有一定的迷惑性，因此在普通中学会造成相当多的学生出现负面效果。

（四）通过实验发现，尽管学生能通过正确计算完成对习題的解答，但是很多学生不能把物理学科中的信息与现实生活联系起来，赋予所学物理知识以现实意义。

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