中学物理教学中学生能力结构的因素分析与能力培养研究.pdf

教育研究卜手实 骑1992年第2期中学物理教学中学生能力结构的因素分析与能力培养研究苏睿华中师李来政范大 学本文尝试运用 因素分析的方法对中学生的物理能力结构进行分 析,并在此基础上,提出对学生各项能力发展状况进行初步统计评估的方法和有针对性地培养学生各项能力的做法建议。一、问题的提出物理教学活动是教师和学生的 共同活动。教师不仅要帮助学生掌握知识,同时要培养和发展学生的各项能力。知识 和能力关系密切,但又不等同,也不存在着比例关系。知识与能力之间是辩证统一的关系,它们既相互区别,又相 互影响和制约。物理教学过程 受诸多因素的影响。可以说,教师和 学生构成了一 个复杂系统,而教学过程则是这一系统的一 个复杂过程。一个复杂系统可以从不同层次、不 同角 度 来研究。对于我们所要研究的过程,首先要确定在哪个层次上来处理,其次则是选择哪些变量或相关量进行描述,最后 则需要建立 变量或相关量之间的关系。针对中学物理教学中普遍存在的突出问题,即如何正确处理知识与能力之 间的关系问题,我们以中学物理课堂教学为研究对象层次,以学生的知识与能力为变量或相关量,对物理教学过程进行研究,我们希望正确地揭示学 生知识与能力之间的相互关系。在中 学物理教学活动中,学 生对物理习题的解答占据着重要的地位。一道好的物理习题不仅含有物 理学科知 识,同时隐含有对学生能力的训练。所以对物理教师来说,在正确分析学生状况的基础上,有目的、有计划、有针对性地向学生讲解或让学生独立完成各种物理习题,无疑是增长、巩固学生 的知识和训练、培养学生各项能力的一个有效的方法。然而,在目前 的中学物理教学过程中,现有的习题数量、形式、种类及层次都是多而繁的。盲目地施行“题海战术”既不利于学生真正 地理解和掌握物理学科 的精髓,也严重地阻碍着学生能力的 形 成和发展。因此,如何让学生 通过对适量的、有代表性的物理习题进行分析和解答,使学 生既能理解和巩固所学知识,又能形成和培养各项能力,这是我们目前迫切需要研究和解决的问题。二、能 力结构的因素分析研究2.1.因素分析方法 的引入中学 物理习题的数量虽然繁多,但 进行分析和分类之后,就不难发现,其类型却是基本而有限的。事实上,众多的习题只 不过是它们与各种知识内容的不 同组合,根据分析和分 类,我们将中学物理习题归纳为2 0种基本题 型(见表2)。这2 0种物理基本题型,的侮 一种均 代表着学 生在某一领 域 的 活可以较好地代表武汉市高屯年级 学生的蔡体动,并且都隐含着学 生在某项 能 力_L的训情况。练。我们将这2 0种基 本题形作为 一组变 量2.3.信息的收 集XP(P一1,2,20)。由于 变 量XP的变化是我 们对武汉市高三年 级 学生 学习物理 的由对 物理 基本题 形配置不同知 识 内 容 引 起实际状况和 中学物理知识内容 体系进 行了分的,所以,我们称之 为知识变量。现在,我析。在此基础上,设 计 出能够代 表高三年级们 的任 务是以变 量XP为基础确立 另 一组变量学 生物 理学习领域活动的 成就 测验,即知识Fm,即能力 变量或 能力 结构,并 建立 起知 识呀量X。(P一l,2,2 0)。对所抽 取 的50 4名变量XP与能力变量F二之 间 的 相 互关 系。为高三年级 学生施 行测 验,并按考分 均等分布此,必 须首 先对 学生 的能力 结构(能力变量的方 法,对学 生的测 试 结果进行 评分。在 此F。)进行细 致 的分析。基 础上,再对 学生的能力结构进行因素分自19 04年英国心理 学 家C hal e、Sl)ea r一析。man用 自己创 立 的因素 分析 方 法对能力结构为了保证 成 就测验的 可靠性和有效性,迸行 分析研究以来,因素分 析作 为处理多指我们对测验的信度 和 效度进行了分 析。标数据的一种常用方 法 一直被广 泛地应 用 于我们采用求半分信度的方 法对成就 测验能力结构分析研究 中。因素分析方法 的基本的信度 进行分 析。得到矫正后的测验信度为思想 是将多指标化为少数儿 项综合性指标,0.81。可见,该成就测验的信度完全符合教人们 可以通过这少数几 项综合性指标去提取育 测 量 学 的要求。所 研 究对象的绝 大部分信息。因素分 析方法在 分析测验的有效性时,内容效度的分的 主要应用有两个方 而。其一是寻求基本结析是最 重要的基础。因此,我们按如下三个构、简化观 测 系统。我们 通常采 用 因素分析的方面 主要分析成就测验的 内容效度,即:成方法将为数众多 的变量减 少为儿 个新因子,就测验的要求与中 学物理教学要 求 是否 一以再现它们 之间 的 内在联 系。其二是用 于分致;成就测验的 内容是否覆 盖教学目标和教类。将变量或者样本进行分 类,根据因子得学 内容 或考试大纲 中所有的 主要部分;测验分值,在因子轴所构成 的 空间 中进行分 类处内容是否兼顾考核知识与能 力。从所考查的理。情况来 看,一该成就测验的 内容效度 是较 高由于知识 变量XP中隐含着对学生 能力的的。训练 和培养,因 此,知 识变 量XP与能 力变量2.通.信息的处理P,是密切 相关 的。我们在本研究 中将采 用 因我们 用2 0项分 测验对所 抽 取 的50 4名高素分析方法揭示 能力变 量F口与知识 变量XP之三年级 学生进行了有效的测 试。对测试的结问 的 内在联 系。果 进行整理,得 到一个20X5 04阶的资 料矩2.2.样本的抽取阵。然后,我们 用计算机对该矩阵 进行 处伐们依照武汉市三种类级学 校高三年级理,得 到了一 系列结果(略)。最后,得到学 生 人数的实 际比例,采用 分 层 随机抽 样 的了尸romax斜 旋转 因子载荷矩阵(表1)及方法,分 别从三类 学校抽取对应人数,得 到主因子 的相关矩阵(略),表1如下。一个共 计504人的学生 人数样本。这 个样本表1Promax斜旋转因子载 荷矩 阵l一)二(1,)p、,uRotationMethod:promaxRotatedFaetorPatternF A Cr0 RIF八Cr 0R2FACr0 R3FA CTO尺IF八C I)RSF 人CT 0 R6X10.5 8 8 170.01 6 9魂0.0 9 17 00。2 1 9 8 5一0.0643 70。1117CX,0.53 74 2一0.08 6 810.150 8 5X40.308310.0 8 77 00.0 0 3 91久。一0.1 5 8 99一0。0 642 90.77 0 5 6X。0。71 8 4 30.26 8 4 80.1 86 90X:0。1 11 48一0.14 1 1 70。5 4 125X80.9 652 4一0.0 17 090.0838 5X。0.7 987 20.186 9 00.19 8 61Xl。0.05 5 83一0。0 7 9760.7701 3X一10.2 16 5 50.1 7只2)0.7 0 231Xl:0.1 1 082一0.101940.0 6 0 10Xr 30.368310.1 80 970.0 1475X,40.0 5 8 0 80.05 91 90.04 84 4X,50。1 2 6500.30 9 5飞0.45153X2 00。1 4 38只0。119090。12 724X170.01 0 6 60.357400.0 5 86 6Xz,0.030 7 70.5 0 1 1 50.10935Xz。0.0 138 70.7 6 3310.032 7 2X200.03 1 760。887980.0 4464至此,我们应 用 因素分析方法确定了能力结构的6个组成 因素(即能 力变量)F,、FZ、F。,并建 立了知一识 变量XP与能力变 量F。的 内在关 系 式X,=dllFI+d1 2F2+c 1 z。F。xZ=dZ,Fl+d22F2+d26F。(2一,)XZ。=dZ。一F;+dZ。2F2+dZo。F。但上 述对能力 变 量Fl、FZ、F。的确定只能停留在严 格的数学 意义 上。为此,我 们需要对能力变 量F,、FZ、F。的心理实质进行鉴别、分析,从心理 学的意义上对它们进行解释。2.5.能力结构因素的分析与鉴 别传统的 因素分析 研究在 分析出能力 结构各因素后,由研究者根据自己对那 些在某因素有高负荷或 较 高负荷 的分测验的心理 过程的主观 看法去解释该因素、揭示其心理实质。显然,这 种方法是不科学的,也是 不 可靠的。因为,对川以进行因素分祈的分测验一0.078 16)。1592飞0.0 86 850。6 42 5 90.()78只90。0 2 4 1 80。0 80只JO。10 0 0!()。10 95 5一0.1 5 8 070.64 5 490。054960.1 6 9 190。16 389一O。24 7 7)0。2 5416一0。4 4()4 10。186 0 5一0.0 6 0 98一0。只5 539一0.4 9 2 1 90。0 0 0只又一0。078 8 10。0 4 1 2 1一O。l只01 叮)0.08 1 9 40.23 597一0。()70 0只0。飞 9 9 只只0。0 2 1190.116760。102 4 00。1 13 190。7 5 8 860。0346 30。031100。1 8 7 180。7 225 90。1 1861一0。0 0 5230,05 9 220。8 8 0 0 60。086 68()。07560()。70 0 67一0。0 8 66 80。6 55 960。018470。0 9 9 130.0 6 8 740。5 424 10。0 8 9 4 8()。0 49 9 90。2 18 630。0 664 20.2 0930一0。0 1383一0。0 991 6一0。130910。130 5 0(变量)的心理 意义,研 究 者的 主观推断会带来较 大 的随意性,不同的人对同一分测验的心理过程的看 法常 会相距甚远。我们采用“活动因素 分析 法”对分 析 出 的 因素 的心理实质进行分析、鉴别,从 而避免对因素解释的 随意 性。“活动 因素分析 法”认 为,能力是在 个体的活动中起 调节 制 约作 用 的,具体地对个体 完成各类分 测 验 的过程作定性 的分 析研究,便可以揭示 出调节制约 这些 活动的内隐的心理特质,即 学生 的 能 力结构(能力 变量)。为此,我们 须对 学生 完成各项 分测验的过程作定性的分析 研究。为节省篇幅,下面 我们 仅给出按表 的结果 对6个主因素中 的两个进行鉴 别 的做法。1、因素F,的鉴别:因素FI在 分 测验X。、X、X。中有高负荷,在分测验Xl、X3中一也自较 高 负荷。从这 五项 分测验对 学 生的考 查目的来 看,它们都涉及到学产胜对一物理图象的 把 握。分析结果 表 明,制约这个过程 的主要 是一种对物理图象的辩识能力。学生在完成这五项分测验时,首先,其大脑在全局的层次上对物理图象进行了接受;尔后,学生 的感觉系统将其注意力集中于更 为精细的图象上,即筛去多余 的东西,而保留 图象更 为本质的特征的东西,从而能够很好地对 物理 图象予以把握。程度不 同的学生对物理图象的敏感性明显地不同。优等生能够很 直观 地透过”图象的形式 而看出其本质特征,因而他们在对问题进行解答时 自信而从容;r一卜等生基本上也能够摆脱图象表 面 形式 的影响,但他们 对 图景本质 的认识却不是那么直接,而往往要经过一些 反复的尝试,因此,他们对问题回答时不是那么自信,有时还会发生辩识错误,差等生在对物理图景的认识上则表现得很不敏感。当我们给出的图景是经过加 工处理后的 图景时,他们基本上也能对物理 图景作出解答。但若所给出的图景是未经过加工处理的他们则很容易受 一些比较注 目的表面 因素的影响。因此,他们对这类问题的解答正确率不高。,1此可见,对因索Fl有高负荷或较高负荷的分 测验的进行,都经历着对物理图象的辩识这一加工处理过程。因此,我们将因素F;鉴定为模式识别能力。2、因素FZ的鉴别:因素FZ在分测验Xl。、XZ。中有 高负荷,在 分测验X18中也有较高负荷。这三项 分 测验所考查 的是学生运 用物理学原理、思想 方法进行物理实验方面的情况。根据对学 生完成这 三 项分 测验的情况所作的与上类似 的分析表明,对因素FZ有高负荷或较高负荷的分测验的 进行,主要经历着对物理实验具体操作、实验器材的正确运用及实验结果的正确分析等过程。因此,因素FZ可以鉴定为实验分析能力。我 们全部完成 了对表1能力结构各因素(能力变量)的鉴 别。根据鉴别结果,对表1的因素负荷矩阵进行调整,将对同一因素有高或 较高负荷的分测验排在一起,中等因素负荷的值用“X”号表示,较低或低因素负荷值用“O”一号表示,调整后的因素负荷矩阵见 表2。表2二 十项分测验的旋转因素负荷矩阵.J.声“叫.J.,.,.门 明.曰.口.,门.,.匕.口.,._因素负荷4因素一因素二因素三因素四因素五因素六分测验一。*,。1。、。、。匕、/“一!朋刀醚刀醚刀!醚刀陇刀能刀一一一-一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一空间关系题(X l)冲81 70卫一旦日卫_卫一上望一畜瘾虱承万下赢丁万一_旦_0_ _。生_一面豪一硒叔洲一石I 丽丁下万一丁。o一一一畜系裹 豪 赢而林6 95 2川一。一了。J。一一一一一一一一一表象变换题X。,。79 87 2!。!。一妥硫 琉证蕙h a一一乙一丁丽百。h a一!一几一一子一)一石一一百一实验归纳题(X19,0“763 3。实验设计题XZ。,0。88 7980。1。一了矿丽而-万丁一一丁刃丽而刃一6一一一飞 厂一.一万一万一_动州景题(X丫,o_。_“创竺_卫想 空验题Xl。,_旦_色止吧口_设计题(X!1)。o702 31_理解己噢XZ,fo01。二丝i弓吧(X12,_o_O_。_9一般应用题(x;)。o综合应用题(x1 3)“!“一一卫一.一-建立模型题(Xl。,_O0_!。习_演绎归纳题X1 4)。!。数学辅助题X15,。逻辑推理题X17,。!6 425 97 4 8 8 6一汤一一扩一石一一万-一6一下一石一队鹦_互07 2 2 5 010。65 5960。8 80060。70 0 6700。5 4 2 41三、学生能力的评估与培养上面,我们采用“活动因素分析法”对中学物理教学中学生的能力结构 进行了分析。研究的结果表 明,中学物理教学中学生的能力结构主要由6项因素(能力变量)组成,它们分别是:模式识 别能力(F,)、实验分析能力(F:)、思维想象能力(F:)、筛选贮存能力(F)、知识迁移 能力(F:)和数理推理能力(F)。能力变量F二与知识变量X,之间的内在关系见关系式(4一l)。其中,因子负荷值d,表示的是知识 变量X,与能力变量F,之间的相关系数,即:r二,=d,因此,d,值越大,则表示X。与F,的关系越密切。由此可见,学生某种能力与其特定的知识是相 互紧密联系、相 互制约、共同发展的。因此,我们不仅可以通过对学生掌握知识和应用知识 的 状 况进行有针对性的考核来初步分析、衡量其各项能力的发展状况,同时,也可以在对学生进行全面性学科知识教育的基础上,通过对学 生进行有针对性的训练来发展和提高他们的各项能力,即融学生的能力发展与提高于 学生对知识 的掌握与应用之中。3.1.对武汉市9 1届高三 年级学生能力发展状况的 初步评估根据上 述研究结果,我们对武汉市9 1 届高 三年级学生与前述6个因素相关的能力发展状况作了初步统计分析和评估。下面仅给出其中之一,即对学生模式识别能力发展状况的初步评估。由表3可见,模式识别能力(F,)在“空间关系题(X;)”、“多种表象题(Xa)”、“图象题(X。)”、“多余表象题X:)”及“表象变换题(X。)”这五项分测验 中有高负荷或较高负荷。这也就是说,模式识别能力在这五项分 测验的解答中占有主导 地位,它 的高低直接影响着学生完成这五项分测验的质量。因此,我们可以通过学生对这五项分测验的完成情况来对学 生模式识别能力的发展状况进行初步的评估。我们对50 4名学 生 完成这五项分测验的实际得分进行 了统计分析。学生在各分数值_七的人数比例见表3。表350 4名学生在x,x。x。x:x。五项分测 验 上得 分的人数 分 布情况窗今分号一、空时关系题多种表象题图象题多余表象题表象变换题O。00。55404。55。O只1。8;又。O、又。一一一68.20;石1 8.8多 石1 4.8%40。6。币一!4 o.6 q石州1训一_%一%00 一孟比只8.2%一85。l61。30。0%0.6 0%由表3可见,5 04名学 生在 完成X,、X3、X。、XS、凡这五 项分测验上 完全解答正 确的人数比例是较高的。因此,作为对学 生能力的初步统计结果,可以说这一届高三年 级学 生的模式识别能力是较高的。在对全部结果作了与上 相似的分析之后,可以得出如 下的结论:除实验分析能力普遍较差外,这一届 学生 中30%左右的学生的能力是较强的;4 0%左右的学 生的能力发展 状况为一般;3 0%左右的学 生的能力较差。3.2.有针对性 地培养和提高学生 的能力由(2一1)式可见,学 生对每一 个 问题的解答过程,都是学生各项能力的综合 运用过程。然 而,在这一过 程中,学生对其各项能力的运用或依赖程度并不是均衡的:事实上,在这种综合运用过程 中总存在着某一项能力,它在对问题的解答 中占据着主 导地位,起着主要作用(即为主要矛盾)。它的强 弱直接地 影响着对问题 解答的好坏。因此,我们可以通过学生 对某一类 问题的解答来着重培养在其中起主要作用的能力结构因素(即学 生的某项能力)。这样既可以有针对性地培养和提高 学生的各项能力,又可以加 强学生对所学知识的复习和 运用,从而达到融学 生的能力的培养和发展 于 学生对知识的掌握和运 用之中的教学 目的。下面,仅以模式识 别能力为例,尝试 说明在运用 因素分析 方 法的基础上,科 学 而有效地培养和提高学生 能力 的做法。依据系统科 学的观点,学 生 的模式识 别是学 生大脑(信息接受者)对物理 图景(入射信息)的一 种加工 处理 过程。当某一物理图景出现 时,首先,学 生的大脑在全局的层次上接受物理图景。然后,学 生 的 感 觉 系统将注意力集中于更为精细的图景,即筛去多余的东西,而保留更 为本质 的 特 征的东西。从人们认 识过程来看,学生对物理 图景的 最初 直觉只能是 混沌的印象,而不会一下子 就形成明确的认识。学生必 须在观察的同时进行初步 思维,这样才能对物理 图景的细节 及其 关系形成明 确 的感性认识。因此,模式识 别能力又 可称 为“思维的知觉”。由此可见,对 物理 图景从看清到 看懂,即从 直觉 到感知再 到理解,这需要有良好的模式识 别能力。所渭模式识别能力,是指准确、迅 速、深入、个面 地捕捉或把 握住 对象 特征 的能力。在 中学物 理教 学 中加 强对 学 生模式识 别能力的培养必 须有明确的目的性和条理性,即充分细 致地 分析学生模式识别能力的发展状况,找出其中不足 的方 面,在 此基 础上,全 而 系统地、有层 次 地培养 学生的模式识别能力。另 一方 面,在 对 学生进行训练的过程中,必须 注 重思维性、敏锐性和灵 活性,即充分调 动学 生已有的经 验来参与当前的识别,从而迅 速准确地把 握住物理图景的 整体与各部分特征。才尺据对学 生能 力结构的 分析结呆,我们建议如 卜的具体培养措施(1)培养工作的目的性和条理性由表3可 见,模式识别能力在“空间关系题”、“多余表象题”、“图象题”、“多种表象题”和“表象变 换题”这 五项 分测验上有高负荷或较高负荷。就是说,在对这五种类型的解答过程中,学生的模式 识别能力占据着主导地位,起着主 导 作 用。因此,可根据 上述 五项 题形 系统地设 计测验或作业让学 生 独立完成,并 根据学 生的完 成情况来分析 学生模式识别 能力的各个方 面发展状况。例如,若某学生对 图象题,即数学图形与物理图景的转换 这 一类 问题感 到 困难,而我们又能够确认引起这种困难的原因并不是知识内容时,便可以判断该学生模式识别能力的这一方面较差。在对 学生模式识别能力各个方 面的发展状况进行了细 致的分析之后,便可 以针对学生的不足方而对学生进行系统地、有层次地培养。例如,对于在某一方面较差 的 学生,可以根据该方 面题形,尽可能地设计 或选取一些基本的、简单的问题让他们 完 成,并适 当地对他们 进行演讲、分析;对于中等层次的学生 则可适当 设计或选取一些有一定难度的问题 让他 们 独立完成,从 而使他们能够逐步向高层 次 发展;对于层次较高 的 学生 则可选取一些 复杂的物理 图景让他们 独 立 分析,从而使他 们 的识 别 能力更趋 完 善。这样,我们便可以使不同层 次的学 生各有所获,同时发展。(2)培养工作中的思维 性、敏锐性和灵活性在对学生进 行 模式识别 能 力的培养过 程中,必须加 强 学生的思维性、敏锐性和 灵活性的训练,即一方 面教会学生掌握基本 的模式识别方法,充分 积累 经验,使 之形成稳定的心理特 征(即能力).另 一方 面 则要加强其与联 想、创造 等心理过 程 的配 合。具体地说,我们以上 述 五项题 形 问题对 学生进行训练的同时,要不断地 鼓励 和帮助学生归纳和总结模式识 别的基 本方法,使学生形成稳定的心理特征,即模式识 别能力,另一方面,我 们可以通过 对上述 五项 题形配 置形态多样的知识内容,积极 调动 学生已有的经验参与对图景联 想 性、创造性感知(或 识别),从而使学生的模式识别能力得到 不断的提高和发展。以上,我们根据因素分析的结果提出了对学 生各项能力进行评估和培养的 具体方法。这套方 法充 分地 利用了中学物理教学 中对学 生进行训练和培养的主要手段,即学 生对 各种物理问题 的解答,来增长学生的学科知识和提高、培养学 生 的能力。由于这套教学方法是在对学生能力结构进行 了细致、科学 的分析 的基 础 上提 出的,因此,它极 大的克 服了“题海战术”所导 致 的种种弊端。当然,这套方法在实际的教学过程 中是否可行而有效,还需在实践中不断得 到检 验和 充实。但我 们认为,根据中学物理 教学 的现状,以及普遍存在的 问题(主要是“题海战术”),这种尝试将是十分有益的。(责任编抖刘华山)(上接 第8页)将始终作为一个独 立教学科目而存在,分科教学是取消不 了的。总结现状,展望未来,课程综合是普通教育改革的必然趋势之 一。预测今后一、二十年,我国课 程的综 合,在理论研究方面将更加 深 入,在综合课教材方 面 会有新的突破,以综 合 课进行教学的 学校将大量增加,综合课 是一种富有生 命力的课。(责 任编挥旷习模)