基于新教育目标分类学的中学物理问题层次设计

Ｖ０１．３７　Ｎｏ．１０　（２Ｏ１６）　物　理教　师　第３７卷第１Ｏ期　２０１６钜　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＴＥＡＣＨＥＲ　・教育理论研究・　基于新教育目标分类学的中学物理问题层次设计　谢　丽　（１．长江大学物理与光电工程学院，湖北荆州李春密　俞晓明　４３４０２３；２．北京师范大学物理学系，北京　１００８７５）　摘　要：设计高质量、高水平的问题是提高学生思维水平的关键，文章依据新教育目标分类学，构建了物理问　题设计的二维框架．依据两个维度之间的动态关系，遵循认知过程从低水平到高水平，知识内容，从信息到心智　程序的原则，设计出４个层次１３个亚类水平的中学物理问题类型．　关键词：新教育目标分类学；知识内容；认知过程；问题设计　１　问题的提出　上个世纪８Ｏ年代起，“问题解决能力”受到了　世界各国的广泛关注．１＿】］‘‘问题”作为能力培养的　载体，一直是研究的热点．研究结果表明，问题设　计的水平决定了学生思维的水平，高级思维问题　有利于培养学生的问题解决能力，帮助他们向专　家型解题者转变．［２　然而，长期以来物理教师所选　择的课堂例题和课后习题通常是结构良好、目标　明确、信息充足和去情境化的问题．这些问题偏重　陈述性知识的理解和低认知水平的加工，较少涉　及程序性知识和高认知水平的加工．导致在解题　过程中，学生习惯于知识内容的回忆、相似例子的　寻求和公式的套用．［３－４］所以，如何设计高效的物　理问题就成了摆在任课教师、课程专家和教育研　究者面前的重要课题．　２中学物理问题设计的框架　自上世纪５０年代布鲁姆教育目标分类学　产生以来，心理学家和教育学家经过近６０年的　持续探索，使得教育目标分类体系得到了极大　的丰富和发展，现如今已有几十种分类方法．通　过细致的梳理后，不难看出尽管这些分类方法　内容　认知过程　图１问题设计框架　二维框架的横向维度代表问题知识内容的类　型，包含信息和心智程序．其中，信息关注物理问　题内容，被描述为“是什么”的结构句式；心智程序　关注学生是怎样解题的，被描述为“如何做”的结　构句式．纵向维度代表认知过程，由低到高分为提　取、领会、分析和知识应用４个加工水平．　３　中学物理问题的设计　遵循认知过程从低水平到高水平，知识内容　从信息到心智程序的原则，可以设计出内容丰富、　层级有序的中学物理问题．　３．１提取水平的问题　此类问题旨在检验学生的物理背景知识，不　视角各异，但是它们均包含了问题设计的两个　目标维度：知识内容和认知过程，为问题设计框　架的构建提供了有力的参考依据．在众多的教　育目标分类学中，马扎诺（Ｍａｒｚａｎｏ，２Ｏ０７）提出　的新教育目标分类学（Ｔｈｅ　Ｎｅｗ　Ｔａｘｏｎｏｍｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ　Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ，简称ＮＴＥＯ）是最新的分　涉及数学运算，只要求学生能够回忆出问题中所　涉及的物理知识．设计问题时，可将其细化成再认　和再现、执行２个水平．　类理论．它借鉴了各类理论的优点，综合了心理　学研究的成果，在知识和认知过程之间划分出　清晰的界限，是面向２１世纪培养学生问题解决　的高级思维能力的分类体系．［５　笔者在前期的　研究中以新教育目标分类学构建了物理问题的　信息的再认和再现大多是概念性的，较简单　的问题．不包含数学计算，只需要简单地回忆即　可．例如，指出力、质量和加速度３个物理量是标　量还是矢量．这里需要注意的是信息是陈述性知　识，它只能被回忆而不能被执行．　对心智程序而言，再认和再现只需要学生简　单地回顾心智程序的表面特征和适用范围．例如，　设计框架，如图１所示．＿６　一２一　第３７卷第１Ｏ期　２０１６年　物　理　教师　Ｖｏ１．３７　ＮＯ．１０　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＴＥＡＣＨＥＲ　（２Ｏ１６）　写出牛顿第二定律的表达式．执行则要求学生能　够按照一定的步骤完成任务．例如，做受力分析　图，求解物理方程等．　３．２领会水平的问题　这类问题意在帮助学生组织和构建层级有序　的知识体系，是引导学生通向迁移的脚手架．设计　问题时，可将其细化成整合与表征２个水平．　整合信息的问题以现实世界的事件为背景，并用　“短故事”的形式呈现．要求学生能够过滤物理问题的　无关细节，确定解题所需的关键信息，明晰物理定律、　定理和原理的使用条件．例如，２００６年３月１７日，俄　罗斯“勇士”特技飞行团在我国著名旅游胜地张家界　进行特技飞行表演．这次执行穿越天门山飞行任务的　是俄罗斯著名的苏一２７喷气式战斗机．工业上将喷气　式战斗机向后喷出燃气产生的推力和自身重力的比　称为推重比，已知苏一２７型战斗机的推重比最大可达　１．１：１．在一次零重力实验中，飞行员操纵该型号飞　机，从１４５０　ｍ的高度，以１７０　ｍ／ｓ的初速度沿竖直方　向加速提升，３Ｏ　ｓ后撤去动力，此后至多可以获得多　长时间的零重力状态？（为保证安全飞机离地面的高　度不能低于１０００　ＩＴＩ，计算中取ｇ：１０　ｍ／ｓ。，空气阻力　不计）．关于心智程序的整合，要求学生能够制定和设　计出完整的问题解决策略，或者将已有的解题策略进　行简化或完善．　任何涉及方程、图表或图形的问题都属于表　征信息的问题，它要求学生能够将信息的一种表　征方式灵活地转换成其它类型的表征方式．例如，　请你依据图２设计一道物理问题．对心智程序的　表征有利于提高学生的认知迁移技能，它不涉及　计算，仅要求学生做出解题的流程图或概念图．　图２　３．３分析水平的问题　领会水平的问题都是以学生所学过的物理知　识作为考察和检测的范围，而分析则要求学生对知　识进行重组，继而生成新的知识．所以，此类问题属　于高层次水平的问题．设计问题时，可将其细化成匹　配、分类、错误分析、概括和具体化５个水平．　信息的匹配要求学生比较和排列物理量的大　小，区分术语、事实、物理情境、概括和原理以及物理　理论模式之间的相似性和差异．如图３所示，一个小　女孩从Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ　４个光滑斜面滑下，每个斜面的垂　直高度相等．请将小女孩从４个斜面滑到底后的动　能按从大到小的顺序排列．有关心智程序的匹配重　在回答一个心智程序与另一个心智程序之间的异　同．例如，给出物理问题的几种不同解题策略，要求　学生从中选择最合适的一个，并解释原因．　图３　对信息进行分类不仅仅是简单地将知识进行　归类，它需要在归类的基础上，建立知识的层次关　系．例如，按照力的性质和作用效果，将你所学过　的力进行分类，并描述每种力的特征．对心智程序　的分类需要学生依据解题方案的相似性区分心智　程序所属的上位类别和下位类别，并能按从上到　下的顺序将心智程序进行分类．例如，对不同类型　的抛体运动所采用的心智程序进行分类．图４中　给出了可能的分类结果．　图４　对信息的错误分析要求学生能够判断问题信　息的合理性与逻辑性，剔除信息中不准确的部分．　例如，１个男孩在匀加速上升的电梯中用台秤称量　自己的体重，台秤显示的示数就是男孩的体重．你　同意这个结论么？如果不同意请说明原因．就心　智程序而言，错误分析则要求学生从给定的解题　方案中，检查心智程序在执行或表征时的错误或　缺少的部分．　信息的概括要求学生根据问题中的信息，推　断出更高程度的概括．即从具体细节归纳出一般　３一　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．１０　（２Ｏ１６）　物　理教　师　第３７卷第１０期　２０１６正　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＴＥＡＣＨＥＲ　规律或原则．例如，假设你坐在汽车中，没有系安　全带．汽车突然向左转弯，你会撞向右侧的车门．　你能从这个现象中总结出离心运动的规律吗？心　完成任务．例如，解决做匀加速运动的电梯问题．　这个问题包含以下２个限制条件：（ａ）你必须预　估所需要的物理量值，而这些量值在题目中并没　有给出，（ｂ）你必须用两种方法进行求解．对于心　智程序而言，此类水平的问题则要求学生按照问　智程序的概括与信息的概括相类似，重点在于培　养学生归纳总结的能力．该类问题要求学生推断　和创设出与心智程序相关的新概括．例如，写出运　动学问题的通用解题程序或步骤．　具体化问题与概括问题相比较，侧重于学生　演绎推理能力的培养．对于信息而言，它要求学生　将已知的定理、定律和原理运用到特定的物理问　题境中，并能够做出相应的预测．例如，假设小球　在月球表面做自由落体运动，那么它的频闪照片　有什么特点？和地球上的照片相同么？针对心智　程序的具体化，主要是指在学生执行心智程序时，　问题中的某些条件发生了改变，需要学生对结果　进行预测和推断．例如，假设物体以接近光速的速　度运动，那么还能用牛顿运动定律的公式计算物　体的动量和动能吗？　３．４知识运用水平的问题　知识运用是认知过程的最高水平，对知识有　最复杂的思维加工，有助于学生创新性思维的提　升和发展．设计问题时，可将其细化成决策、克服　障碍、实验探究和调查４个水平．　表１　能源　热值　价格　效率　电　３．６×１０。Ｊ／ｋＷ・ｈ　０．５元／ｋＷ・ｈ　７Ｏ　天然气　４．７７×１０　Ｊ／ｍ。　２．１０元／ｍ　４Ｏ　决策问题要求学生激活与问题相关的信息，　通过提取、分析、比较，最终做出决定．例如，南方　某小区居民采用电和天然气进行取暖．这两种能　源的热值、价格以及利用效率如表１所示，你认为　哪一种能源最为经济？涉及心智程序的决策问题　要求学生通过比较，选择解题所需的心智程序，并　能够解释原因．例如，１个人坐在滑板上从高为Ｈ　一４ｍ的斜坡上由静止开始下滑．如果人和滑板的　总质量为　一６０．０　ｋｇ，滑板与斜坡间的动摩擦因　数均为　一０．５０，斜坡的倾角为　一３０。．那么他滑　到斜坡底部时的速度是多少？整个运动过程中空　气阻力忽略不计．请在牛顿运动定律和功一能原理　中，选择你认为最简单的方法，并解释你是如何做　出这一决定的．　克服障碍的信息问题是指问题中设置了限制　条件或者所给的信息不充足，要求学生克服障碍　４——　题的限制条件选用相应的心智程序．例如，在求力　矩大小时，限定转轴点的选取．　信息的实验探究要求学生提出假设，设计方　案，收集数据（这些数据可以是给定的），并验证假　设．例如，几位学生提出了自己关于“液体内部的压　强与哪些因素有关”的猜想．张平认为液体内部的压　强与液体的深度有关；刘刚认为同一深度，方向不　同，压强就不同；冯云认为液体内部的压强与密度有　关．请你根据表２中的实验数据判断他们的猜想是　否正确？关于心智程序的实验探究则要求学生遵　循统计学的标准对心智程序提出假设并验证．例如，　对于上面液体压强的问题，请你参照给定的数据表　格推断出液体压强的表达式，并验证你的猜想．　表２　液体　深度／ｃｍ　橡皮膜的方向　压强计液面高度差／ｃｍ　水　５　朝上　４．３　水　５　朝下　４．３　水　５　朝侧面　４．３　水　１Ｏ　朝上　９．２　酒精　５　朝上　３．８　酒精　５　朝侧面　３．８　酒精　１０　朝上　８．７　酒精　１Ｏ　朝侧面　８．７　调查与实验探究相类似都需要提出假设并检　验，不同的是实验探究以统计学的检验为准则，而　调查则是对已有的资料和他人的观点进行甄别。　继而用作检验的证据．例如，用你所学的物理知识　进行调查研究，如果气温将上升５℃，地球会发生　什么变化？心智程序的调查则需要学生将心智程　序作为开展调研的工具验证所提出假设．例如，线　性运动的方程能够用来描述圆周运动吗？如果可　以请你用已知的方程描述圆周运动，如果不行请　你建立关于圆周运动的方程．　４　结束语　问题是思维的起点，高质量的问题能促进知　识的深度理解和思维的全面提升，进而提高学生　的问题解决能力．本研究从知识和（下转第９页）　第３７卷第１Ｏ期　２０１６正　物　理教师　Ｖｏｌ＿３７　ＮＯ．１０　（２Ｏ１６）　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＴＥＡＣＨＥＲ　表３　的直观性．　实验结论　副线圈匝数　ｚ　副线圈电压Ｕｚ　在完成实验数据收集和数据分析的基础上，　各小组交流，归纳总结实验结论，并得出变压器线　圈两端的电压和匝数的关系．　Ｕ１一一　　评述：控制变量法是一种重要的实验探究方　法，学生通过经历制定实验计划和设计实验方案的　过程，让学生在课堂上有效生成，在潜移默化中形成　严谨的科学态度和实事求是的科学精神．认知心理　学的研究表明，学生的知识、能力形成过程是外来信　息与学生原有知识和思维结构相互作用的过程，学　ｌ　‘　评述：学生通过实验收集数据，并分析、处理　数据，最后归纳出科学规律，提高了信息收集能力　和分析概括能力，学生经历了科学规律的发现过　生是信息加工的主体，是有意义的主动建构者．　２．２．４收集实验数据，分析归纳结论　教学环节４：　程．学生的思维一直处在发现、猜想、推理、探究、　相互碰撞的过程中，逐渐生长出新知识，在学生的　头脑中建构出新的认知模式．回归概念教学本源　的教学方法有效地促进了学生对概念的建构，学　生在构建概念的过程中，变被动灌输为主动建构．　３　结语　学生根据设计好的实验方案进行实验，为了　人身安全，实验中只能使用低压交流电源，电压用　电压表测量，每一组实验测量多组数据．将实验获　得的数据填入表格后，如何分析数据呢？在探究　副线圈电压　和原线圈电压Ｕ　关系时，可以用　不同的分析方法．　教师不是知识的传送带，而是教学环境的设　计者、学生学习活动的组织者和指导者、意义建构　的合作者和促进者．　科学探究和知识建构是知　识产生的两个方面，它们是在同一过程发生的．本　课例回归实验教学本真，让学生在真实体验中去　讨论、感悟、总结，努力使物理课堂成为思维碰撞　的智慧课堂．通过多层次多方位的动态活动方式，　努力揭示知识发生的过程．让学生经历科学探究　的过程，经历思维形成的过程，使知识在探究的过　程中有效生成，将知识的生成和能力的培养通过　学生的实验探究在动态中建构生成．促进学生在　“最近发展区”得到充分的发展．　参考文献：　１王文清，郭玉英，贾永．促进科学认知发展的高中物理　探究教学模型［Ｊ］．课程・教材・教法，２０１３（１０）：　７５—７９．　方法１：计算Ｕ。和Ｕ　的比值，比值不变，它们　就成正比例关系．　方法２：画出Ｕ。一Ｕ　图像，如果图像是经过原　点的一条直线，它们就成正比例关系．　在探究副线圈电压Ｕ　和副线圈匝数　关系　时，也可以用类似的分析方法．　在探究副线圈电压Ｕ　和原线圈匝数　关系　时，也可以用两种不同的方法．　方法１：计算Ｕ　和ｎ　的乘积，如果乘积都相　等，得出Ｕ　和　是反比关系．　方法２：让学生尝试画出　和　的倒数的图　像，从图像中易找出Ｕ　和　。的倒数成正比，即ｕｚ　和　成反比．　实验中启发学生根据自己的想法采用不同的　方法，不同小组可以对比不同的方法，体会图像法　（上接第４页）　２顾明远，孟繁华．国际教育新理念［Ｍ］．海口：海南出版　社，２００６：２３６—２４０．　（收稿日期：２０１６—０１—２１）　ｍｅｒｉｃａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００４（７２）：Ｉ１４７．　３　Ｆｉｓｃｈｅｒ　Ａ，Ｇｒｅｉｆｆ　Ｓ，ａｎｄ　Ｆｕｎｋｅ　Ｊ．Ｔｈｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　Ｓｏｌ—　思维能力协同发展的视角出发，以新教育目标分类　学为理论基础，构建了问题设计的框架．并依据该框　架设计了不同认识水平的中学物理问题，以达到锻　炼学生认知技能，活化学生内在知识的目的．　参考文献：　１　［德］施莱克尔编，郭婧，高光译．为２１世纪培育教师和　学校领导者——来自世界的经验ＥＭ］．北京：北京大　学出版社，２０１３：２９—３１．　２　Ｈｓｕ　Ｉ　，Ｂｒｅｗｅ　Ｅ，Ｆｏｓｔｅｒ　Ｔ　Ｍ，Ｈａｒｐｅｒ　Ｋ　Ａ．Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｖｉｎｇ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　Ｅ　Ｊ］．Ｔｈｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　Ｓｏｌｖｉｎｇ，２０１２，４（４）：１９—４２．　４　Ｒｏｓｓ　Ｂ　Ｈ．Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ　ｓｃｉｅｎｃｅ：Ｐｒｏｂｌｅｍ　Ｓｏｌｖｉｎｇ　ａｎｄ　Ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｅｄｕｅａｔｉｏｎ［－Ｃ］．Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｇｒｅｅｎｓｂｏｒｏ，２００７．　５　黎加厚．新教育目标分类学概论ＥＭ－［．上海：上海教育　出版社，２Ｏ１Ｏ．　６谢丽，李春密，张焱．基于新教育目标分类学的物理问题　分类框架的构建［Ｊ］．课程・教材・教法，２０１５（６）：８６—９１Ｉ　Ｌｅｔｔｅｒ　ＲＰＳ一１：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　Ｓｏｌｖｉｎｇ［Ｊ］．Ａ—　（收稿日期：２０１６—０７—０３）　一９一