论高考物理能力理论与命题导向

论高考物理能力理论与命题导向

邢红军/陈清梅

【专题名称】中学物理教与学
【专 题 号】G36
【复印期号】2008年02期
【原文出处】《课程·教材·教法》(京)2007年11期第63～68页
【作者简介】邢红军,首都师范大学物理系。(北京 100037)；陈清梅,北京中医药大学物理教研室。(北京 100029)

    一、高考物理能力理论的思考
    全国高等学校招生统一考试是由合格的高中毕业生参加的大规模选拔性考试，其目的是每年从数百万考生中选拔出一定数量的考生进入高等院校进一步深造。因此，高考注重能力考查，通过考查考生的知识及其运用知识解决问题的能力来鉴别考生。
    为此，全国高考物理命题委员会制定了我国物理学科高考命题依据的《考试说明》。通过征求有关专家的意见，分析物理课程在中学教育中的地位，在比较各学科特点及其对学生素质和能力发展贡献的基础上，根据物理学科的特点和需要，从中学物理教学和高考命题的实践经验出发，提出了五个方面的能力要求：理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力以及实验能力，并通过描述性的说明，解释每一种能力的具体表现，界定该能力的含义。[1](2)
    为了考察《考试说明》物理能力的合理性，高考物理命题委员会于1993年在13所中学进行了高考能力要求的第一次测试。通过按学年考试成绩占40％，实验课表现占30％，平时作业和提问、测验表现占30％的比例给学生打分，将学生分为五个等级，然后计算测试结果与这一等级的相关系数为0.68，属于明显相关，说明这次测试与中学的日常教学要求是一致的，能把学生的实际能力水平反映出来，测试的区分度为0.39，属于较好。据此，高考物理命题委员会认为“《考试说明》中提出的物理能力要求是合理的，是可以肯定的”。[1](60)
    为了进一步证实《考试说明》物理能力的合理性，高考物理命题委员会于1994年在16所中学进行了第二次测试。与第一次不同的是，这次测试试题包括用图象来描述运动过程中物理量间的关系，用文字对物理问题进行论证和解释等形式。换句话说，这次测试的大部分题目已经不是通常的习题而是问题，需要学生先对物理现象进行抽象，然后进行解答。
    测试的得分率很低（平均只有0.29），但区分度却很好，为0.48，说明这样的试题确实能将学生的能力区分开。但测试结果与平时成绩的相关几乎为零（－0.06）。由于平时成绩与高考是密切相关的，这也在一定程度上说明，目前的高考确实没有将学生应具备的全部能力更有效地考查出来。[1](90)
    比较两次测试的相关系数可以看出：第一次为0.68，而第二次为－0.06，差异非常显著。由于第二次测试“学生的表现确实反映了他们的真实本领，他们真正的能力水平”，[1](90) 从理论评价的可检验性来衡量，说明《考试说明》的物理能力理论存在一定的缺陷。
    的确，对于能力理论而言，目前尚无公认的令人信服的能力理论体系，包括比格斯提出的“可观察学习成果结构分类法”（SOLO Taxonomy），虽然较为成功地从“质”的角度制订出了评价论文式试题认知水平层次的方案，但这种体系也不宜作为能力目标要求。清代龚自珍有“不拘一格降人才”的俊语，我们认为对于物理能力的建构也应该采取宽容的态度，不能一律奉某一理论为圭臬。
    尽管如此，《考试说明》采用“征求意见，分析地位，比较特点，根据需要，依据经验”方法建构的物理能力，也只能称为经验总结而非真正意义上的能力理论。
    物理能力理论，可以说已经深入到学科能力的范畴。如此，它就不能局限于经验总结，而必须上升到理论层面，我们认为这是物理能力研究中非常值得重视的问题。这种理论建构，主要是指物理能力建立的出发点和基本路线。只有运用充分而周密的理论构思，遵循清晰的理论思路，把能力理论与物理学科特点结合起来，才能建立起合理的物理能力理论，从而更有效地鉴别、预测学生的能力发展。正如著名心理学家勒温所指出的，没有任何一个东西比好的理论更加实用。而忽视理论的指导，满足于经验式的照抄照搬，那么物理能力的建构将是十分肤浅和具有局限性的，物理能力理论就很难得到发展。
    二、物理能力理论建立的取向
    《考试说明》物理能力理论的不够“完善”，原因在于对过去一个世纪以来心理学领域所发生的、对能力理论影响深远的发展变化知之甚少。在这方面，不少心理学家给我们的启示是深刻的。其中，最应该提到的是我国心理学家林崇德教授。人们熟知的是林崇德教授“严在该严处，爱在细微中”的教育风范，但他其实也是一位杰出的教师，他对人类认识过程的本质，对能力与智力都有很深的思考和深切的关注，尤其是他提出的学科能力理论，更是为打开物理能力理论之门，提供了一把金钥匙。
    林崇德教授的学科能力理论指出：“学科能力是学生的智力、能力与特定学科的有机结合，是学生智力、能力在特定学科中的具体体现。”[2](5—8) 借鉴这一思想，我们认为，物理能力理论的建构首先要有一个一般能力理论，然后把一般能力理论与物理学科的基本特点进行统一，乃是建立正确的物理能力理论的一个有效途径。为此，我们把形式教育说与实质教育说相统一，建构了新的一般能力理论。
    
    上式中的智力包括注意力、观察力、记忆力、思维力和想象力，其中思维力是智力的核心。思维的过程主要有分析、综合、抽象、概括等。思维的形式主要有概念、判断和推理等。技能包括动作技能和心智技能。认知结构包括知识和科学方法。可以用表格概括如下：
    
    在能力理论中区分“硬能力”与“软能力”有着重要的意义。因为根据这种区分，我们不仅清楚了能力因素中的智力、技能、知识和科学方法的不同属性，更为重要的是，我们进一步明确了在能力因素中，智力的提高和技能的形成主要是靠训练而达成的，而知识和科学方法则可以通过传授、探究或发现使学生掌握。
    我们认为，“智力—技能—认知结构”能力理论是一个较好的能力模型，不仅融合了形式教育说（智力＋技能）和实质教育说（知识＋科学方法），而且与心理学的理论是一致的，也使长期以来困惑我国教育学理论中掌握知识与发展能力的问题得到较好的解决。
    一般认为，物理学科的基本特征包括：1.物理学是一门实验科学；2.物理学是一门严密的理论科学；3.物理学是一门定量的精密科学；4.物理学是一门带有方法论性质的科学；5.物理学是一门应用科学。
    把“智力—技能—认知结构”能力理论与物理学的学科特点结合起来，并根据因素分析“从众多变量的交互相关中找出起决定性作用的基本因素，为建立科学理论提供明确证据”的思想，我们进行了理论建构。
    首先，我们认为智力中的观察力、思维力和想象力是三个重要因素；其次，技能中的操作技能和心智技能是两个重要的因素；第三，认知结构中的知识和科学方法同样是两个重要因素。进一步，把上述七个重要因素与物理学的五个基本特征进行交互相关，从而建构出新的物理能力理论。1.观察、实验能力；2.物理想象能力；3.物理思维能力；4.物理运算能力；5.运用物理知识和科学方法的能力。[4](27—32)
    我们建构的物理能力与《考试说明》的物理能力在四个方面有重要区别。
    第一，对能力与知识关系的认识不同。我们认为，知识不仅是能力的基础，而且是能力的有机组成部分，是大脑在解决问题过程中需要操纵的“软件”之一，而《考试说明》的物理能力则不包含知识。心理学家林崇德认为：“知识、技能和心理能力有密切的关系。知识、技能是构成心理能力的要素。离开知识、技能，心理能力的培养也就成了一句空话。”[5](36) 心理学家冯忠良也认为：“知识和技能是活动自我调节机制的组成成分，也是能力结构的基本构成要素。把知识与技能排除在能力之外，就难以对活动的调节机制作出确切的解释，就难以摆脱能力实质问题上的先验论观点。”[6](147)
    第二，对能力与科学方法关系的认识不同。我们认为，与知识一样，科学方法也是能力的有机组成部分，是大脑在解决问题过程中需要操纵的另一个“软件”，而《考试说明》的物理能力则不包含科学方法。
    过去，人们通常把思维方法与科学方法（如模型方法等）混为一谈。我们把思维方法和科学方法作了明确区分。把大脑的思维方法称为“直接思维”，因为它是大脑的功能，属于“硬能力”。而科学方法则是一种“间接思维”，因为对每一个个体而言，科学方法并不是由大脑直接产生的，而是作为认知结构之一被“安装”在大脑中并接受大脑的操作。所以，它是一种“软能力”。
    从理论上看，科学方法与知识在本质上是统一的。但严格说来，两者又有不同的特点。科学方法所涉及的不是物质世界本身，而是人类认识物质世界的途径与方式，是高度抽象的。科学方法也不直接由学科的知识内容来表达，而是有它自己独特的表达方式，它往往隐藏在知识的背后，支配着知识的获取和应用。因此，它就具有独特的能力功能。
    从教学实践角度看，近年来我国物理教学改革也充分支持这一观点。比如，浙江省教育委员会教研室和浙江省中学物理教学研究会从1989年开始，倡导在中学物理教学中进行科学方法教育，积极推动广大中学物理教师结合教学实践，开展科学方法教育研究。经过四年的探索，他们得到的结论是：“方法是通向能力的桥梁，能力既依赖于知识，更依赖于方法。在某种意义上，方法本身是能力的一部分。能力培养可以从强化方法教育入手。”[7](6) 上海市在总结物理课程和教学改革经验基础上所得出的结论是：“能力与方法是密切联系的。一般的说，人们完成某方面任务的能力的强弱，是与人们掌握完成这方面任务的方法的自觉程度与熟练程度密切相关的。可以认为，方法是能力的‘核心’，是对能力起决定性作用的因素。”[8](140)
    第三，对能力与想象力的关系认识不同。我们认为，想象力是能力的组成部分，而《考试说明》的物理能力则不包含想象力。
    从能力理论的角度看，智力中包含有想象力。从物理学的学科特点看，想象是物理智慧中最活跃、最富有传奇色彩的成分。正如爱因斯坦所说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。”[9](284) 这很好地说明了想象力的能力价值。
    第四，对思维过程的抽象与概括的认识不同。《考试说明》的物理能力中缺少了抽象和概括，而我们建构的物理能力，在思维能力中则包含了抽象和概括。
    与《考试说明》不同的是，普通高中物理课程标准注意到了这个问题，因而强调要“重视发展学生抽象与概括、分析与综合、推理与判断等科学思维能力”。不仅明确提出了要重视发展学生的抽象与概括能力，而且指出：“在高中阶段，由于学生抽象思维能力的提高和高中物理课程所研究问题的深化，则较多地要求在抽象的基础上进行概括。”[1](59) 显示了对抽象与概括能力的重视。
    从生态学的观点来看，学生是在真实的自然和社会环境中成长起来的，在学习过程中会受到各种因素的影响。这样，学生物理能力的发展就是各种因素交互作用的综合结果。因此，物理能力研究就需要在“生态学”取向的基础上形成新的认识，以回到“物理现象”、关注“真实世界”的方式来重新思考和理解物理能力。唯有如此，才能使所建构的物理能力理论具有更大的包容空间和普适性，使我们更科学地面对学生心理活动的能动性，并完备地认识物理能力的真正意义。
    三、高考物理命题导向的思考
    《考试说明》物理能力的缺陷，直接反映在高考物理的命题指导思想上，具体表现为对习题的推崇。高考物理命题委员会认为：“做题是非常重要的。我们主张要做题，但并不赞成搞题海战。因为题海战盲目追求解题的数量，不重视解题的质量，使学生根本来不及对习题以及与习题有关的问题进行思考。”[1](258)
    众所周知，习题具有许多优点。然而，随着物理教育研究的深入，习题固有的缺陷即人为性也日益暴露出来。由于从物理现象到习题的抽象过程已经被习题编撰人员完成，因而使物理教育情境的真实性受到破坏，使学生解答习题的认知心理及行为表现与解决实际问题相去甚远。这样，即使“重视解题质量”，也难以有效培养学生的物理能力。
    长期以来，我国物理教育一直存在着“题海战术”现象，这种情况到目前为止，可以说基本上没有多大改变。虽然许多教师在教育实践中努力纠正这一现象，然而，还应当清楚地认识到，由于《考试说明》物理能力理论的缺陷所导致的“题海战术”倾向，至今未能得到很好的解决。
    应当说，对于原始问题，高考物理命题委员会也有一定程度的认识。比如，1984年的高考题“估算地球大气层的总重量”就是一道很好的原始问题，1994年进行的第二次测试也包含了许多原始问题。对于这种试题，高考物理命题委员会认为：“这类试题可以测出学生较高层次的能力水平，如想象能力、独立分析和解决问题的能力、数学能力、语言表达能力等，对学生的学习潜质有较好的预测作用，有利于选拔学生。但如果用得不恰当，则会带来一些困难。与这种试题类似的题目在高考中应用要十分慎重。到底怎样做才恰当？很值得进一步探讨和研究。”[1](91)
    由此可见，对于如何应用原始问题，高考物理命题委员会表现出了投鼠忌器的心态。一方面，充分肯定原始问题“可以测出学生较高层次的能力水平，有较好的预测作用，有利于选拔学生，很值得进一步探讨和研究”。另一方面，又担心“会使平均成绩下降，对中学物理教学的现状造成冲击”，最终得出“高考目前只能以习题式的考题考查学生能力”的结论。[1](359)
    由于高考物理命题的习题化导向，使得目前的高考不仅未能将学生的物理能力有效地考查出来，而且在一定程度上导致我国物理教育长期存在着低效能状况。有鉴于此，我们尝试进行了运用原始问题考查中学生物理能力的研究。
    我们采用自编原始问题测试卷（共5道题目），通过随机取样，在一所省级示范高中选取高三年级学生80人进行了测试。测试时间为2小时，满分为100分。测试题目之一为：轮船减摇——《中国青年报》1990年12月25日报道了我国前往南极的科学考察船“极地号”上发来的专电——“极地号启动减摇装置慢速航行”。报道称：“随着西风带的离去，船体摇动愈发剧烈……为了减小船体摇动，船上采取了新的减摇措施，为此轮船降低了航速并且改变了航向。”请推导出一个表达式，说明改变轮船的航向和航速，就能达到使轮船摇摆减轻的目的。
    显然，上述原始问题与物理现象发生了直接联系。与习题不同的是，解决问题所需要的物理量都没有给出，需要学生自己设置。原始问题的呈现没有对物理现象进行抽象。比如，轮船的长、宽、高是否需要考虑？轮船的质量是否需要考虑？甚至这个原始问题属于什么方面的问题，需要应用什么物理定理或定律等，都需要学生自己去深入思考。因此，正是借助于这些过程，原始问题真正有效地考查了学生的物理能力。
    “轮船减摇”实际上是一个多普勒效应问题。通过改变轮船的航向和速度，来改变轮船接收到的波浪冲击的频率。当然，也可以采用机械波的频率、波长、波速三者之间关系的公式来解决。由于轮船的速度与波浪的速度有一定夹角，因此，需要把波速向船速投影，再应用公式就能使问题得到解决。学生解决问题中的表现如下：
    
    上表中的数据表明，当把学生置于真实的物理情境中时，他们的物理能力水平便真实地表现出来了（41.25％的学生完全不能解决此问题）；同时，他们所学的知识和科学方法也往往不能有效地运用（30％的学生不能正确地使用公式和方法），这表明学生“运用物理知识和科学方法的能力”较差。如果单纯进行知识（）和方法（速度分解）测验，几乎每个学生都能正确回答。因此，我们认为知识和科学方法是能力的要素，但是只有能够运用的知识和科学方法才具有能力价值。全部学生中仅有20％能正确地解决问题，说明学生的物理能力总体处于较低水平。
    为了更深入地了解原始问题考查中学生物理能力的有效性，我们采用口语报告法，对高中生解决原始问题的认知过程进行了更为深入的研究，以下是首都师范大学附属中学的安琪同学做完原始物理问题后的几点感受。
    “首先，感谢老师带给我的难忘的物理之旅，是它令我更深刻地认识到，物理学不仅是凭公式定律堆砌的空中楼阁，而是用来解决实际问题的利刃。
    物理学从出现、发展到走向辉煌皆是以解决实际问题为基础，每一位物理工作者的成果也绝非是纸上谈兵，而是具有实用价值的。这些人取得成功的能力并不是凭借自己卓越的天赋，而是在真刀真枪地与实际问题打拼的过程中领悟出来的。而现行教育体系中缺乏的就是加强对学生实践能力的锻炼。现代的中学生在5—6年的物理学习过程中往往具备了较为扎实的对物理的一种常识性认知，却缺乏对其深刻的理解和基本的应用能力，知其然而不知其所以然。致使学生对待物理如同对待文科一般去死记公式，在考场上将其生拉硬套，反正公式有数，总有一款适合你。但是老师的问题与目前常见的物理习题有着很大的不同。每一道题都是从生活、历史中来，寥寥数笔之间便隐藏着深奥的物理学原理。而且它们都是对事实忠实的描述，没有所谓的简化，没有数据，更没有应用何种物理知识的提示（甚至暗示），它们的解决需要的是对生活细心的观察，模型的正确提炼，开阔的思路和较为扎实的数学、物理学基础。说实话，老师的题目初读起来毫无头绪，不知从何下手，对于平日里擅长搬弄公式的我来说，遇到没有数据的问题发蒙也情有可原，然而问题如此的贴近生活使我产生了一种去解决实际问题的欲望，令我在解决问题的过程中没有半途而废，而是努力地品味着题目中种种巧妙设置的隐含条件，提炼能用、实用、好用的物理学模型，并投入到最后的运算中。当然，最美的还是享受解决问题的喜悦，这种喜悦，并不仅仅是因为解决了一道物理题，更主要的是，自己苦学多年的物理知识终于能应用到解决实际问题上了，如此浓浓的喜悦中便掺入了淡淡的自豪。
    不过，本人在解决问题的过程中仍然发现了自身的一些不足之处。首先是物理模型的简化问题，平日里做的习题往往都是已简化过的半成品，在对物理能力的训练中缺乏提炼模型这一环节，导致在解题过程中无视题目中的情景，盲目地使用模型，且对于诸如“微弱”“极短”这一类词语不敏感或者过分敏感，错误地进行忽略，使思路陷入误区。其次是一种思维惰性，使我无法适应物理模型的快速变换，从质点模型到考虑其形状，从平动到转动，从机械运动到电磁学……还真令人有大脑发蒙，找不到北的感觉，其本质还是对各经典模型认知不清，仅停留在书本阶段，充其量能应付几道高考题罢了。还有就是缺乏对生活的观察和适当的物理学联想，乃至看到日光灯却看不到其两端连接的是220V、50Hz的交流电这一简单事实，对于平日习惯了应对条件充分、提示明确的习题的我来说，这似乎仍旧情有可原。第四，便是对解决实际问题的一种不适应。不仅是对思维量增加的不适应，还有对空白的数据与零提示的不适应，更是对隐含条件隐蔽得如此之深的不适应。然而这一切都是对一个能自主解决实际问题的中学生的最基本要求，而学校却迟迟没有进行这方面的训练，我也是头一次认知物理工作者接触的问题，原来并不似高考题那般幼稚。
    最后，再次感谢老师在我绞尽脑汁却毫无进展之时给予我的适度引导和鼓励，希望老师对我在今后的物理学习过程中提出宝贵意见。是您让我深刻认识到：物理学比想象中实际得多，深奥得多，有趣得多！”
    安琪同学的感受使我们受到很大触动。扪心自问，作为物理教育工作者，我们的研究究竟在多大程度上关注了学生的需要，在多大程度上促进了学生能力的发展？“一切为了学生”是我们常说的一句话，然而学生需要什么？学生渴求什么？安琪同学的感受就是最好的诠释了：学生需要的是“苦学多年的物理知识能应用解决实际问题”，是解决问题之后在“浓浓的喜悦中掺入淡淡的自豪”。遗憾的是，我们目前的物理教育尤其是高考物理命题在这方面仍与学生的需求相距甚远。
    我们认为，高考物理命题改革的方向就是要逐渐在试题中渗透原始问题。这不仅能将学生的真实能力考查出来，从而区分不同能力的学生，而且能真正发挥高考对中学物理教学的引导作用。
    高考既具有选拔功能，又具有引导功能。在这个意义上，高考是中学教学的“指挥棒”。在肯定高考积极作用的同时，实事求是地评价高考物理能力理论及命题导向存在的问题，不仅有助于高考物理命题的改进，而且有助于扭转中学物理教育中的“题海战术”现象，这显然具有重要的现实意义和深远的历史意义。

【参考文献】     [1]高考物理科命题委员会“八五”科研课题组．高考物理能力考察与题型设计[M].北京：高等教育出版社，1997.     [2]林崇德．论学科能力的建构[J].北京师范大学学报（哲社版）：1997(1),5—8.     [3]邢红军，陈清梅．论“智力—技能—认知结构”能力理论[J].首都师范大学学报（自然版），2005(3),41—47.     [4]邢红军，陈清梅．论物理能力基本理论的研究[J].首都师范大学学报（自然版），2006(4),27—32.     [5]林崇德．学习与发展[M].北京：北京师范大学出版社，1999.36.     [6]冯忠良．结构化与定向化教学心理学原理[M].北京：北京师范大学出版社，1998.147.     [7]浙江省教育学会中学物理教学分会．高中物理方法教育研究[M].杭州：浙江教育出版社，1995.6.     [8]张民生．中学物理教育学[M].上海：上海教育出版社，1999.140.     [9]爱因斯坦．爱因斯坦文集[M].许良英，李保恒，赵中立，译．北京：商务印书馆，1977.284.     [10]中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003.59.^