物理解题中的心理操作

　　物理解题属于问题解决的范畴，是认知心理学的一个重要课题。但它又有明显的单学科特征，解物理题需要引用物理学科的知识，因此对物理解题进行心理学的研究和探讨无疑对物理教学是有积极意义的，对引导学生进行科学思维也是有帮助的。
一、物理解题概述
　　近年来解题研究指出：一个问题是指一个不能及时达到的目标，为求达到这个目标所作的体力或心理的行动叫做问题解决。解题时必须要遵从一定的法则。故一个问题应包括以下几个环节：（1）始态（initialstate）──问题所给予的已知情况，物理习题中的已知条件；（2）终态（goglstate）──解题时要达到的最终目标，物理题中的所求；（3）操作法则（operator）──应用这些法则把问题由始态转变成终态，在物理解题中包括要符合的物理定律原理也要符合人们认识的规律。
　　在解题过程中，解题者要由始态开始，通过一系列的问题态，到达终态。由始态到终态的所有问题态构成了问题空间，而问题态的转变需要解题者作出某些心理操作，这样就构造了解题的心理图象。这心理图象是个人化的，它因人而异，它所包含的信息可以较问题本身的信息为多或为少，它是受解题者贮存在长期记忆里知识的影响。也就是说，解题者根据自己已有的知识来构造心理图象和寻找题解。许多时，问题空间很大，容许操作的法则也很多。就是一题多解；有时问题空间虽然很大，容许操作的法则却很有限，相应的问题解法也就较少。
　　解题过程也是一个非常复杂的信息处理过程，解题者则是一个信息处理系统，解题就是系统跟问题的相互作用。解题取决于这个信息处理系统的特性和问题结构。问题结构限制解题的过程，提供一些可行的行动；解题者的特性是指他短期记忆的容量，长期记忆贮存的知识和贮藏及提取这些知识所需的时间，贮藏的知识“模块”（基题）越多，提取这些“模块”的速度越快，解题的效率就越高。
二、物理解题中的心理操作
　　解题时，将题目所描述的物理现象译成物理图象输入大脑暂时储存，而后大脑将进行一系列复杂的心理操作，使问题得以解决。进行心理操作，一是要有操作对象，二是要有一定的操作规则（包括操作的先后次序）。物理解题中的心理操作对象是贮存于大脑长久记忆中物理知识的基本模块。而这些“模块”信息量的大小，集成化程度的高低，因人而异，各不相同。操作规则必须符合本门学科的原理和人们认识的规律。所谓心理操作是指对这些“模块”进行加工、组合、衔接、再造的心理过程。没有这些“模块”，心理操作就失去了原料。不能要求一个毫无物理知识的人去解物理题，不论他如何聪明，也不会解出物理题来，道理很简单，因为在他大脑的长久记忆里没有贮存加工的“模块”，巧妇难为无米之炊就是这个道理。
　　物理解题的心理操作一般分三个阶段进行：
　　第一阶段为检索提取阶段。当要解的习题输入大脑后，一旦被吸引去开始解决时，我们原有的知识经验和实践知觉就会向着一定问题的方向去变化、检索、识别而后提取贮存于大脑长期记忆里相近、相似的“模块”。这些“模块”可以是物理某部分、某单元的知识，也可以是同类型的基本习题。第一阶段的工作为第二阶段的加工提供了原料和必要的准备。当然，对于一个复杂的问题，不见得一次就能将“模块”提取的十分准确，有时在加工的过程中还可反复检索，反复提取。
　　第二阶段为沟通加工阶段。这一阶段是心理操作十分重要的阶段，它包括采纳、排除、分解、组合、迁移、选择、改造、衔接：沟通等操作环节。通过以上的操作，使问题空间逐步确定，逐步明朗。沟通思路，形成策略。在这了阶段要对原有的“模块”加工再造，重新进行组织，大脑皮层的暂时神经联系在有些部位出现新的开通，有些部位产生暂时关闭，进行新的改组，这时候新的创造思维就会产生。解题从某个角度讲就是一种创造，当解决别人从未解决的问题时更是如此。
　　在进行操作时，有时需要把整体“模块”分成元件，直至不能再分。把每一个“模块”所含的元素按需要排列，按需要将上述被分解的元素重新组合，依所提供的信息充分想象，还要克服思维定势的影响，使问题空间逐步确定，形成解题策略。
　　第三个阶段为反馈输出阶段，经过第二阶段的沟通加工，方案策略已经形成，再经过编辑、优化、计算、检验，使被加工的信息系统化、条理化，这就达到了问题的终态。这时将已加工完毕的信息分为两部分：一部分通过职能器官输出，一部分又回输（反馈）到大脑成为新的“模块”贮于长期记忆。我们将心理操作过程用框图示意如下：
　　心理操作是个人化的思维图式。有些人在问题空间中漫无边际的思索，但无法组织，终无所获。有些人却能在问题空间中用极为有限的搜寻来代替几乎无法穷尽的搜索，甚至有条不紊地走向目的，不出现任何尝试的错误。
三、解题实例分析

　　例1，一个质量为m，带有电荷为q的物件可在水平轨道ox运动，O端有一与轨道垂直的固定墙。轨道处于匀强电场中，场强的大小为E，h向沿ox是正向，如图二所示，小物体以初速vo从xo沿ox轨道运动，运动时受到大小不变的摩擦力f作用，且f＜Eq，设小物体与墙碰撞时不损失机械能，且电量保持不变，求它在停止运动前所通过的总路程S0（1989年高考题）
　　　　　　　　　　　　
　　解：如果我们将上述问题所描述的物理现象进行分析，将会从大脑的长期记忆中提取“电势能”、“动能”、“摩擦力作功”、“功能原理”四个基本知识模块。而这四个模块间有什么联系，是怎样衔接起来的呢？下面我们分两种情况来讨论：如果没有摩擦力，由于物体与墙壁的碰撞井不损失能量，因此物体的功能和电势能可以互相转化，但功能和电势能的总和是守恒的；在有摩擦力的情况下，摩擦力的方向与小物体的运动方向相反，动能和电势能都会逐渐减少，最后将停在O点。这就是小物体克服摩擦力所做的功等于减少的动能和电势能之和。我们可以用框图表示如下：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　
“模块2”与“模块3”从不同的方面描写了物体状态的变化，“模块1”描写克服摩擦力作功的过程。物体状态的变化，显然是因摩擦力作功而引起，这样“模块1”与“模块2、3”之间就有了困果联系，而二者的定量关系是由“模块4”（功能原理）衔接起来的。因为本问题所求物体的后路程是与过程量功密不可分的物理量，同样出现在作功的全过程中，所以提取摩擦力作功的模块是有道理的。依照图三列式计算并不困难，此处计算从略。
　　　　　　　　　　　　
　　例2，如图所示，在水平光滑的桌面上放一个质量为M的玩具小车，和小车的平台（小车的一部分）上有一质量可以忽略的弹簧。一端固定在平台，另一端用质量为m的小球将弹簧压缩一定距离后用细线捆住，用手将小车固定在桌面上，然后烧断线，小球就被弹出，落在车上A点。如果小车不固定而烧断细线，球将落在车上何处？设小车足够长。球不致落在车外。（1987年高考题）
　　解：本题可以分小车动与不动两种情况，四个基本物理过程，即“小车不动时小球的平抛运动”，“小车动时小球与小车的相互作用”、“小球对小车的相对运动”，“小车动时小球的平抛运动”。每一个物理过程可以认为是储存了一定信息的模块。每个模块统摄了许多物理知识，为小球的乎抛运动，包括了平抛的运动学特性，重力作用的瞬时效应，空间积累效应，时间积累效应，小车动时情况更复杂。但是经过分解、筛选可以发现四个过程都与速度紧密相连，这就有可能通过速度将四个物理过程联系起来，如框图所示：
　　　　　　　　　
　　在图五中已图示了每一“模块”的从属关系，所应满足的物理规律以及它们之间相互联系的衔接条件。这样解题的思路已经沟通，再构造数学模型去解是并不难的。
　　例3，一根细绳跨过一定滑轮，两端分别有质量为m及M的物体，如图六，且
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
M＞m，M静止在地面上，当m自由下落h距离后，绳子开始与m、M相互作用，在极短时间内绳子被拉紧，求绳子刚刚被拉紧时，M能上升的最大高度？
　　解：本题整个的物理过程可分为三个阶段。第一阶段：m作自由落体运动。第二阶段：绳子分别与物体相互作用。第三阶段：m及M分别作匀变速运动。三个阶段的联系是：第一阶段m作自由落体运动的末速度v恰是第二阶段m与绳相互作用前的初速度。第二阶段m、M与绳子相互作用后的速度V就是第三阶段M作变速运动的初速度。如图七所示。
　　　　　　　　　
　　从图七我们可以看出每一个阶段实质上就是一个知识“模块”，但每一“模块”所包含的知识容量并不相同，每一“模块”有各自的特点和应该满足的规律。这些规律就是操作规则。这三个“模块”自然地衔接起来就构成了一个完整清晰的图象，再计算是不难的。
　　人类认识的理论不仅要解释人怎样进行复杂的思维和解题工作，还要解释人是怎样学会这么作的。研究解题者对物理问题构造的心理图象，目的是了解他们对物理知识的组织和加工能力。在物理学习上重理解轻记忆的作法是不足取的，也是没有根据的。解题的成功者在于他们拥有高度组织的物理知识，并在记忆中贮藏了不少相类似问题的题解。在物理教学中只让学生盲目作题，不讲习题的沟通和演变、不引导学生作正确的定性分析也是不可取的。凡成功的解题者，解题策略好的，大都是先对问题作定性分析，探索到解题思路后，才作定量分析。
　　近年来国外有些物理教育家纷纷呼吁应加强学生定性推理能力。我国近几年的高考试题也加大了定性分析考题的成分，注意把重点转向知识技能的习得过程。但是我们仍需加强物理解题的心理过程研究，加强物理解题的定性分析，这不仅有助于学生解题策略的形成，也有助于学生创造能力的培养。

相关论文