提升学习的方法：物理学科相关方面的变化外文翻译资料

本科毕业设计（论文）

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提升学习的方法：物理学科相关方面的变化

作者：弗雷德伦德，艾雷，林德

国籍：瑞典，瑞典，南非

出处：欧洲物理学杂志

摘要：在这篇理论性文章中，我们提出了三个因素。这三个因素可以增强从表征中学习物理学，分别是：（1）确定特定学科任务，例如解决物理问题或解释现象中的学科相关方面（2）选择适当的表征来表示知识的相关方面（3）在所选表示方法中创造变通，来帮助学生让他们注意到这些学科相关方面影响因素以及它们彼此之间的相互关系。本文具体阐述了这三个因素如何指导教师促进学生物理学习。

关键字：物理教育，学科相关方面，物理表征，学习变通理论，折射

1.前言

物理知识通常通过使用诸如书面，口头语言，数学方程，图形，图表，模型等表示形式来体现。尽管学科表征方式对教师来说是一种似乎很简单的呈现物理的方式，学生经常发现难以以一致的理解。那么，学生如何通过利用表征来学习物理？教师可以怎么做来促进这一过程呢？在本文中我们提出了三个可以提高从表述中学习物理的手段，并讨论了它们对物理教学的潜在影响。这三个因素是：（1）识别物理学科相关方面 ，（2）表征形式的选择，（3）创新。

1.1介绍学科相关方面

在该文中，我们把物理知识的不同方面称之为学科相关方面。学科相关方面类似于物理现象被构想可以去依靠的数量。继弗雷德伦德（Fredlund）等人研究后，我们将物理学科相关方面定义为那些与开展特定任务紧密相关的物理概念方面。因此，学科相关方面在物理学中是那些物理学家为解决特定问题或解释特定现象所凭借的内容。举个具体的例子，斯拜克（Spike）和芬凯尔斯汀（Fin-kelstein）展示了精细的教学设计如何将学生的注意焦点从物理情景中不重要的表面特点到特定的学习目标上。我们将此视为一个合宜地突出学科相关方面的例子。

1.2从表征中学习

学习与表征之间的关系在科学教育文献中备受关注。在物理中，学习重点通常是学生如何获得表征思考能力(参见，科尔(Kohl)和芬科尔斯(Finkelstein)2005，还有林德(Linder)等人2014)或者熟练应用表征的能力(参见，艾雷（Airey）和林德(Linder)2009，迪卡克(De Cock)2012)。在这一点，已经研究了很多不同的表征，包括数学，图表(例如，克里斯滕森和汤普森(Christensen and Thompson)2012)，手势(谢尔(Scherr)2008)，表格(例如，(Rosengrant)等人2009)还有语言(例如，布鲁克斯(Brookes)2006)。

麦克德莫特(Mc Dermott)认为不同的表征方式强调了概念的不同方面。在这点上，波多尔夫斯基(Podolefsky)和芬科尔斯坦(Finkelstein)在2007年，声称表征的表面特征对于学生如何利用它们是非常重要的。在他们的研究基础上，2012年弗雷德伦德(Fredlund)等人表明同一物理现象的不同表征方式如何体现不同的学科相关方面。他们称这种接触的是给定的表征方式的学科效能。因此，我们要根据体会表征的学科效能而来建构物理学习框架。

1.3变通和学习

根据学习变通理论，当学生需要注意的内容在整个大情景不变的情况下发生改变时，学习的可能性就会得到优化。简单地说，就是人们开始注意到这一点。

最初，教师应该组织变通，以至于尽可能少的同时将几个方面多样化。后来才应使多个方面改变。这种策略已经被描述为是创造一种在变通和不变通之间转换的模式。这一变通方式早已成功地应用于许多各种各样的学科中。譬如，数学，经济学，化学以及语言。在大学物理记忆工程学中也有大量的例子。但明显地是，这一变通方式的成功要求深刻理解问题中什么方面需要变通。在本文中，我们提出了老师需要去改变的是来使学习目标成为可能的学科相关方面。

2.从表征中学习的三个因素

在接下来的文章中，我们将用日常生活的例子来进一步展示并举例说明每一个因素。在用光的折射这一说明性物理例子来说明这三个因素。

2.1识别学科相关方面

本文中我们提出的第一个增强学习手段的因素是对学科相关方面的识别。我们之所以强调识别学科相关方面的重要性是因为很多学生经历的许多学习挑战都是由于他们没有把注意力集中在与当前任务相关的适当学科相关方面。

2.1.1一个日常的例子。考虑与汽车相关的不同方面，比如它的动力、重量、最高速度、最多乘客数量等等。我们期望，当给出一个特定情景时，只有这些方面中的一部分会被立刻联系在一起。例如，能否成功超过其他车子取决于功率与重量的比值，因此功率与重量是该情况下的相关方面。然而，为了让足球队能高效被运载，这最应该关注的方面可能是车辆所允许承载的乘客数量。事实上，为了到达不同的目的，需要关注同一件事的不同方面。

2.2选择合适的表征

在已经识别确定了与某一特定问题相联系的学科相关方面，我们提出了第二个加强学习的方法的因素是选择可以表现这些方面的表征。

2.2.1一个日常的例子。考虑一种情况，在一座不熟悉的城市，想要在机场搭乘公交车。在这里，一张显示城市公交路线的地图可以很好地指明你要乘坐哪辆公交车，在哪里下车。同时，公交公司的时刻表也可以帮助你知道公交车什么时候到达你的目的地。尽管地图和时刻表都表示了同一条公交路线，但它们却把不同的方面放在了焦点上。因此，很容易看出，选择适当的表示取决于需要的信息是什么。此外，从教育的角度来看，我们认为，重要的是，所选择的表现形式应包括尽可能少的方面超过特定任务所需的方面。在理想的情况下，一个单一表示将会展示当前问题的所有相关方面，同时避免其他“干扰因素”。譬如，如果从机场乘公共汽车，一个专用的组合地图和时刻表上只强调了从机场出发的巴士路线及其出发时间到达时间，这将是当前任务的最佳表示。

图1.两个相似的螺栓，左边的一个有细牙螺纹，右边一个是粗牙螺纹

2.3创造变化

我们提出的第三个可以加强学习可能性因素是变化的创造，以促进对学科相关内容的注意以及其相互关系的注意。

2.3.1一个日常例子。考虑图1中两个螺栓的照片。螺栓在所有方面都是相似的，除了他们的“间距”，即“两个相邻的螺纹根部或顶部之间的距离”(比克福德2008)是不同的。因此，这就是这幅图中值得去注意的方面。

2.3.2学科相关方面的共同变化。

变通也可以用来提高对不同方面之间关系的注意，这被称为共同变化。例如，要理解为什么总是从地球上看到月球的同一面，就必须注意两个相关的学科方面:月球绕其自身轴线的自转，以及月球绕地球的公转。只有注意到这两个方面共同变化的方式，才能理解这一现象。

在像物理这样的学科中，课堂上的共同变化总是具有挑战性的。如果处理不当，风险在于学生最终只会关注他们注意到的第一个方面变化，而其他对于正确理解很重要的方面可能会被忽视。

3.在物理中运用这三个因素

在使用日常环境中的例子介绍了这三个因素之后，我们现在将说明如何应用它们，以提高在物理教育环境中学习的可能性。我们在这个例子中选择的物理问题是对光在两种折射率不同的介质中传播时发生折射现象的定性解释。光的折射已经被证明对学生的学习提出了挑战，这个问题特别好地说明了我们的论点。我们在这个例子中选择的物理问题是对光在两种折射率不同的介质中传播时发生折射现象的定性解释。光的折射给学生们带来了学习上的挑战，因此，这个问题很好地说明了我们的论点。

图2.一幅显示光线在空气玻璃边界上的折射以及入射角（）和折射角（）

3.1识别学科相关方面

因为每一个物理现象都可能与广泛的方面相关联，因此学生遇到的每一个物理情况都要求选择哪些方面与学科相关。例如，当解决与光折射相关的问题时，物理学家可能会认为表1中的任何方面都是相关的。为了解决特定问题或解释现象的某一部分，这些方面的一部分将内容是相关的。教师对于当前学习目标的这些学科相关方面的了解往往是不言而喻的。但是，为了有效地教学，需要向学生明确的表达。在我们的例子中，为了提供一个定性的解释对于为什么光在两个表面之间“弯曲”，研究已经将学科相关方面确定为“方向”，“中等”和“光速”。因此，我们将会用这些作为我们示例的学科相关方面。(有关如何分析物理文本中使用的表示以便识别与学科相关的方面的说明性示例，请参阅弗雷德伦德(Fredlund)等人)

3.2选择适当的表征

为了在我们的折射示例中在学科相关方面内和跨越学科相关方面创建必要的变化- 方向，中等和光速 - 下一步将是选择最能提供访问的表示或表示这些方面。事实上，许多表示可以填充此函数。 问题是哪一种表达或陈述最适合此目的。 例如，射线图(参见图2)恰当地表示光传播方向的变化，并且通过所使用的标签表现了介质中的变化。

第二种合理的表示方式是被称为斯涅尔定律的方程。()。在这里，折射率(n)可以“写为”为来与光速构成一定联系。然而，斯涅尔定律的主要问题在于它本质上是定量的，也就是说，它的主要功能是使数值计算成为可能。在我们的例子中，我们希望提供光的折射的定性解释，而Snell定律和光线图基本上只显示了多少光“弯曲”而不没有显示为什么弯曲。

图3. 当入射角为45°时，在空气玻璃边界处光的折射波前图

第三个可能的表示是一个波阵面图(见图3), 这种表现可以看出将我们所关注的所有三个学科相关方面集中在我们对折射的定性解释 - 方向（由箭头消除歧义），介质（由标签空气和玻璃表示）和光速（与波前之间的最短距离成正比例）。

我们现在已经说明了在教学中需要考虑的一些问题，无论是有意识的还是无意识的:(1)确定与学科相关的方面(这里指的是方向、介质和光速)，(2)选择一种合适的表现形式，使学生能够接触到这些方面。

3.3创造变式

我们三要素系统中最后一步是涉及围绕学科相关方面创造变式。这样做首先是为了帮助学生注意这些方面，然后说明它们之间的关系。

3.3.1帮助学生注意学科相关方面。根据学习变异理论的建议，我们现在将说明与学科相关的不同方面最初是如何一次改变的。使用射线作为起点，可以使用箭头创建方向变化，以使该方面引人注目（请参见表2中以表格形式表示的变化模式中的第1行）。标签可以用来改变不同的介质（请参阅表2中的第2行）。改变波前之间的距离会围绕光速产生变化。为了一次不改变太多量，最初只可以在某一种介质中传播光线中（图4（a））增加波前（图4（b））。这样就可以保持方向恒定，但是也可以观察到光速的变化。然后，可以通过显示光速越低，波前之间的距离越短来说明波前之间的距离与光速之间的关系（将图4（b）与（c）进行比较；请参阅表2中的第3行）。为了建立这种关系，可以要求学生预测对于不同速度波前图将如何变化。

表1在发生光折射情况下相关潜在因素

表2建议的变化模式

图4.不同光速对波前之间距离的影响。

（a）指出（一束）光传播方向的箭头。（b）波前以给定速度传播。

（c）波前以（b）中速度的三分之二传播。

图5.表示光速分别与空气和玻璃中波前之间的距离成比例的图表。

3.3.2注意学科相关方面之间的关系。为了定性解释为什么发生光的折射，不仅要注意与学科相关的三个方面，而且还需要将它们相互关联。本质上，这里需要体验的是不同介质中光速对方向的作用。可以通过不同学科相关方面的共变来提高注意到这种关系的可能性。为了一次不改变太多，这种协变的起点可以是改变介质然后观察对速度的影响。图5中描述了这种情况，其中空气和玻璃两种介质并列放置，以使光从一种介质传播到另一种介质（见表2第4行）。在这里，可以给学生提供一种介质中的波前，并要求他们根据不同介质中的光速来预测另一种介质中的波前会更近或更远。可以在Oliviero和Woodward（2014，请参阅表20.1）中找到不同介质中光速的示例表。在此，空气中的光速为大约300 000 km s -1，水中为225 056 km s -1，玻璃中的光速为200000 km s -1。学生执行此步骤的经验也可以降低他们认为第一种介质中的光速会影响后续介质中的光速的风险，这已被证明是理解折射问题的潜在问题。（例如，参见Kryjevskaia等，2012）。

在最后阶段，所有与学科相关的方面都需要一起改变（如图3所示；请参阅表2中的第5行）。在这里，光线以一定角度朝着玻璃与玻璃

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