物理本科生推理思维能力的现状调查与培养探讨——基于3道电磁学试题的实证分析

桑妍蓉 陆建隆

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

物理本科生推理思维能力的现状调查与培养探讨
——基于3道电磁学试题的实证分析

桑妍蓉 陆建隆

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

研究学生的推理能力特别是科学推理能力,对提高学生的科学素养及学习认知能力具有重要的意义.本文以学生在期中考试中的答题情况为切入点,对南京师范大学2015级物理专业本科生的推理能力进行调查研究.通过综合分析,发现学生各维度的推理能力发展不均衡,且学生的学习认知能力与推理能力成正相关.最后针对学生推理思维能力的问题,给出几点培养学生推理思维能力的建议.

推理思维能力;物理本科生;学习认知能力

推理,在逻辑学上是指由一个或几个已知的判断,推出未知新判断的过程.科学推理是在推理的基础上得以发展的,最早由皮亚杰在其认知发展理论中提出.皮亚杰认为儿童的心理发展是分阶段的,每个阶段之间有本质上的变化,由此他将人类从出生至成人思维质的变化划分为4个阶段:感知运动阶段(0～2岁)、前运算阶段(2～7岁)、具体运算阶段(7～12岁)和形式运算阶段(12～15岁以后),并说明儿童只有进入到形式运算阶段才进入到科学思维的阶段,所以国内学生普遍到初中阶段才开始正式学习物理是有其心理学依据的.

早期,推理被分为两类,归纳推理是由特殊情况得到一般结论的思维过程;演绎推理则与之相反.随着研究的逐步深入,科学推理被分为守恒推理、比例推理、概率推理、控制变量、相关性推理以及假设演绎推理6个维度,这是如今心理学领域学者们的共识.

本研究利用该种推理维度分类,对南师大2015级物理专业本科生的推理能力进行调查研究,并分析了学生科学推理能力与学习认知能力之间的关系,为提高物理教学质量提出教学建议.

1 研究假设

答题过程是学生解题时思考过程的书面反映,题目的解答步骤可以反映学生具体的思维过程,因此我们可以对学生解题时的答题情况进行具体分析,从而了解学生的推理思维能力.分析学生是否正确完成某些特定步骤,可以判断学生是否掌握该种推理思维方法.因此,本文以分析学生的答题过程并计算正确率的方法评判学生推理思维能力的高低.

根据已有的调查研究显示,学生控制变量、概率推理、假设演绎推理以及相关性推理能力较薄弱,而比例推理及守恒推理能力较好,这一结果与各维度推理的难易程度相关,与根据经验进行判断的结果一致,并且符合认知发展规律.但是笔者认为,学生在这4个能力较弱的推理维度的表现同样存在差异,由于假设演绎推理包含两个步骤的推理,其复杂程度是所有推理维度中最高的,所以学生假设演绎推理能力应为最低,而学生的控制变量推理能力经过5年物理学习的训练强化,其能力应相对较高.

2 样本描述

本次调查的研究对象为南师大2015级物理专业本科生的推理思维能力,统计的样本为:南京师范大学92位2015级物理专业本科生在电磁学期中考试中3道推理题的答题情况,其中2015级物理专业本科生包括物理专业及物理(师范)专业的学生.

南师大物理专业学生在大学一年级下学期进行电磁学课程的学习,此时学生已在大学中学习了一学期,其推理思维能力已有一定的提高,并且电磁学课程的考试不仅只是考察学生电磁学的内容,还包含了大一上学期力学课程的基本内容,考试涵盖面较广,可以良好反映学生的推理思维能力.3道考查学生推理思维能力的电磁学试题如下.

题1.如果在充电后的空气平行板电容器的两极板间平行地插入一块与极板面积相同但厚度小于原平行板电容器之间的距离的金属板,试分析由于金属板的插入对电容器电容的影响及对电容器储能的影响?

分析:本题主要考察学生对金属板插入电容器后对电容器产生影响的分析,通过守恒推理得出不受影响的物理量,变化的物理量再和不变的物理量结合进行控制变量推理.

图1

分析:本题考察学生在假设无限远处为电势零点的基础上,对整个系统的电荷量分布进行分析,从而进行演绎推理的能力.在分析球壳上电荷分布情况时,还需要用到不与外界接触的球壳电荷量守恒的思想.

图2

题3.如图2所示,内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于圆环直径的带正电的小球,以速率v0沿逆时针方向匀速转动(俯视),若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度为B、随时间成正比例增加的变化磁场.设运动过程中小球带电荷量不变,试分析小球运动情况?

分析:本题有两种做法.(1) 可利用楞次定律进行定性求解,涉及到守恒推理的思想方法.(2) 对变化磁场的磁感应强度进行数学假设,再定量求解,考察学生假设演绎推理能力.

根据以上分析可知,电磁学试题1涉及对学生守恒推理、控制变量推理以及假设演绎推理能力的考查,电磁学试题2考查了学生的守恒推理能力及假设演绎推理能力,电磁学试题3同样考查了学生的守恒推理能力及假设演绎推理能力.本次统计的样本并未涉及相关性推理,比例推理及概率推理.概率推理在物理中的应用较少,它是量子力学、统计物理的基础,本次研究的样本题目属于经典电磁学范围,经典物理学习阶段不涉及概率推理,因此3道电磁学推理题均未涉及概率推理.3道推理题同样均未涉及比例推理,是由于比例推理难度较小,所以没有涉及比较基础的比例推理.守恒推理及假设演绎推理在物理学中的应用较广,是需要重点培养的能力.除控制变量推理外,守恒推理及假设演绎推理均有多道题涉及,样本本身容量也较大,统计所得数据可以反映南师大2015级物理专业本科生的推理能力的平均水平.

3 数据分析

3.1 学生各维度推理思维能力情况分析

表1为南师大2015级物理专业本科生在电磁学期中考试中的推理正确率情况汇总表.

表1 南师大2015级物理专业本科生在电磁学期中考试中的推理正确率情况

由表1可知,电磁学3道题目均涉及守恒推理.学生守恒推理的正确率保持在80%左右,说明学生对守恒推理方法的掌握情况良好.值得一提的是,电磁学推理题第3题中守恒推理的具体表现为楞次定律的使用,而楞次定律是一种非常容易掌握并运用的方法,因此电磁学第3题的守恒推理正确率高达100%,说明学生已完全掌握最基础的守恒推理.电磁学期中考试推理题中涉及控制变量推理的是第1题,正确率为74.07%,对于简单的控制变量推理来说,错误的比例还比较高,说明学生控制变量推理能力有所欠缺.3道题均涉及难度较大的假设演绎推理,前两题的假设演绎推理正确率在50%左右,最后一题的正确率只有9.88%,如此低的推理正确率表明学生对假设演绎推理的掌握十分不扎实.

3.2 推理能力与学习能力相关性分析

图3是电磁学期中考试中学生推理题成绩与考试总成绩的相关性散点图.横轴为学生电磁学考试的总成绩,纵轴为学生在推理题中的总得分,每一个点代表一个学生的得分情况.

图3 南师大2015级物理专业本科生推理题成绩与考试总成绩相关性图示

从图3中可以看出,两者大致有这样一种关系:学生的推理题成绩越高,则电磁学考试的总得分越高.利用卡尔·皮尔逊设计的相关系数公式,对两者的相关系数进行了计算,得到两者的相关系数为0.811,说明学生的电磁学成绩与推理题成绩有高度线性相关的关系.由此可以得到的结论是:学生学习认知能力和其推理能力成正相关,也就是说,推理能力越高的学生,物理成绩越好,学习认知能力越强.

4 结论及建议

(1) 学生各维度推理能力发展不均衡.

通过对学生守恒推理、控制变量、假设演绎推理3个维度推理能力的调查统计及对相关文献的研究,发现学生各维度的推理能力发展不均衡,学生的守恒推理能力较好,控制变量推理能力有待提高,假设演绎推理能力十分薄弱.学生守恒推理能力较好这一结论与其他学者研究所得的结论大致相仿,而控制变量推理能力和假设演绎推理能力的具体比较印证了研究假设.

由于守恒推理较为简单,一般一步就可以推导出,只需找出不变量是哪一个,无需进行具体分析,并且守恒量往往会在题目中有明显的提示,因此学生学习和运用守恒推理都比较容易,学生在守恒推理上的正确率也就相对较高.

假设演绎推理能力低下这一结论与笔者之前的假设相符合.假设演绎推理在假设的部分需要一定的物理直觉,而演绎的部分常需要结合许多其他推理方法及各种公式定理一起使用,因此对学生来说,要掌握假设演绎推理非常困难,尤其是当题目十分复杂时,很有可能“一着不慎,满盘皆输”.另一方面,教师在教学中不注重演绎过程中各步骤之间必然关系的讲解,只是顺着答案或自己的思路去讲述一道题目的解题过程,这样的教学方式对提高学生的假设演绎推理思维能力并没有帮助.

控制变量推理存在训练和效果不匹配的问题.控制变量推理并不是特别复杂的推理,但学生想不到去使用它们或在使用的过程中容易犯一些错误.控制变量推理的思想,教师从学生初中刚开始学习物理时就进行传授,更是在以后的物理学习中反复训练强调,但是训练的效果却不尽如人意.由于控制变量思想能够求出两个变量之间的关系,从而推导出许多公式定理,因此其在物理学中有着举足轻重的地位.虽然教师都非常重视培养学生控制变量推理的能力,但教师在教学中不应代替学生主体性的地位,反复演示控制变量推理不如引导学生,让学生自己进行控制变量推理有效.

(2) 学生推理能力与学习能力成正相关.

科学思维作为物理学科的核心素养是物理教师在教学中需要对学生进行重点培养的,而推理能力作为科学思维的一个重要方面,同样是非常重要的.通过对南师大2015级物理专业本科生推理能力与学习能力的相关性进行研究,得到了学生学习能力与其推理能力成正相关的结论,即推理能力越高的学生,物理成绩越好,学习认知能力越强.这一现象说明对学生推理能力的培养不是仅仅提高学生科学推理能力却荒废基础物理知识的学习,而是教会学生自主学习,自主探究,通过提升学生的科学推理能力间接提升学生的学习认知能力及科学素养.提高学生的科学素养,能够从根本上解决中国学生死记硬背,知其然却不知其所以然的学习现状.

(3) 相关性推理考查缺失,教育工作者缺乏重视.

相关性推理是一种定性推理,当出现一些特殊的物理现象时,我们需要利用相关性推理来找出导致这一现象的原因,期间可能配合回溯推理,假设演绎推理等其他复杂推理.而本样本中的3道电磁学推理题都过于注重定量推理,缺少培养学生定性推理的意识.定性推理是定量推理的前一个步骤,在考察时可将某些可以直接用公式进行定量推理的题目,改成先定性推理求得公式,再定量推理分析具体结果的题目.通过对以往电磁学试卷以及平时作业题的分析,发现电磁学课程中的训练及考试中几乎没有涉及对相关性推理的考查,教育工作者缺乏对学生相关性推理能力的培养意识.

为了使学生各维度的科学推理能力均衡发展,最高效的办法就是从评价机制开始改革,当同等重视这6个维度推理能力的考查时,教师就会在教学中重视对学生推理能力的培养.虽然学习的目的不是为了考试,但考试可以指导学生的学习方向.因此我们可以利用这一点,有意识地在物理考试评价机制中加入对学生概率推理能力考查的内容,不仅能够有效提高学生的概率推理能力,还能让学生的科学推理能力形成一个均衡发展的完整体系.

针对本研究发现的问题,对教师培养学生推理能力方面提出以下改进策略.

(1) 教师应注重学生知识体系的建构.

知识体系的建构是学习的一个非常重要的步骤.是否很好地将零散的知识点进行类比统一,归纳总结出一套相互关联的知识体系,体现了一个学生的归纳推理思维能力.教师在教学中往往会忽略这一步骤的重要性,每堂课结束时由教师进行总结归纳,每章节内容由教师列出知识体系图示,直接给出各知识点之间的联系区别,学生只需接受记忆,这样的做法非常不利于学生思维能力的发展,尤其是归纳推理能力的发展.教师在教学中应当让学生自己归纳总结知识体系,然后再进行评判修正,帮助学生建立正确的知识体系，但不是代替学生进行知识体系的建构.

(2) 培养学生从多角度思考、解决问题的能力.

解决一个物理问题,往往可以从现象和本质两方面入手,某些问题从现象入手更有效,某些问题则是从本质入手去解决更简单.教师在教学中应当注意培养学生多角度思考问题的能力并增强他们的择优意识.教师经常示范多种解题方法,并比较几种方法的利弊优劣,在教学中慢慢渗透多元思维和择优意识的思想.解决物理问题角度的选择同样可以迁移到对推理方法的选择上面,提高学生的择优意识可以降低推理的复杂程度,从而增加推理的正确率.同时,选择一种推理方法进行解题同样是一个推理过程,因此让学生从多角度思考问题非常有助于学生各方面思维能力的发展.

(3) 教学应注意多引导少灌输.

应试教育采用知识灌输的方式对学生进行“填鸭式”教学,这样的教学方式会导致学生知其然不知其所以然的局面,非常不利于学生今后的发展.因此,教师应当多引导学生进行思考,锻炼学生的科学思维能力.教师不必将自己的知识传授给学生,而是让学生自己的思维成为自己知识的来源,教师只需进行适当的引导,为学生进行必要的答疑解惑,这样才是更有效的做法.

(4) 落实探究式教学本质.

教师对探究式教学的本质把握不够到位,探究式教学是指学生在学习概念和原理时,教师只是给他们一些事例和问题,让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论、听讲等途径去独立探究,自行发现并掌握相应的原理和结论的一种方法.这种教学方法的主体是学生,教师只是起引导辅助探究的作用.然而在实际教学中,由于器材及教师知识储备所限,学生主体性体现不足,实验探究等仍在主体框架中进行,束缚了学生思维的拓展及延伸.因此,教师应更注重提高自身专业素养,落实探究式教学的本质,才能真正提高学生的推理思维能力.

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2017-02-12)