摘要

这篇文章探讨了认知心理学与物理科学问题解决之间的关系。作者David Sands和Tina Overton首先介绍了工作记忆的三个组成部分：两个负责保存和记录信息的组件，以及一个控制注意力的执行组件。文章指出，仅靠工作记忆无法完全解释问题解决能力。专家-新手研究表明，专家根据物理原理对问题进行分类，而新手则根据表面特征进行分类。问题表征被确认为理解和解决问题的关键环节，专家比新手花更多时间理解问题并绘制图表。文章还讨论了表征的两种形式：图表和心理图像，它们构成了一个耦合系统，支持基于模型的推理。空间能力与工作记忆密切相关，而场依存-场独立性(FDI)则影响个体从感知场中分离重要信息和组织信息的能力。场依存的学生在确定问题陈述中的重要信息和重新组织学习材料方面往往面临困难，这与中央执行功能相关。

与问题相关的信息提取

文章详细探讨了问题表征在物理问题解决中的核心作用：

1. 问题表征的重要性：文章明确指出，表征(representation)是理解和解决问题的关键组成部分。专家在理解问题时比新手花费更多时间，其中绘制图表是理解过程的重要环节。Glaser将为理解问题而构建的表征称为"认知结构"，表明表征构建是从理解到解决方案形成的整个思维过程的一部分。

2. 表征的两种关键形式：文章特别强调了两种表征形式的重要性：图表和心理图像。根据Nersessian的观点，这两种形式构成了一个耦合系统，是"基于模型的推理"的基础。这种耦合系统支持定性推理，而根据di Sessa的观点，"定性控制定量"，即如果先有定性理解，获得定量解决方案会容易得多。

3. 图表表征的功能：基于Suwa和Tversky的研究，文章指出图表表征有多种功能：

   • 通过将概念记录在纸上而非保持在头脑中，减轻工作记忆负担
   • 通过识别特定结构或模式，促进从长期记忆中检索信息
   • 允许对空间关系进行感知判断
   • 促进新想法的产生

4. 实证研究证据：文章引用了物理科学教育研究文献中的大量证据，支持使用图表和心理表征来理解和解决问题：

   • Singh的研究表明，当专家面对不熟悉的问题时，他们常常构建图表，并使用其他技术如考虑极限情况，这需要创建和运行心理模型
   • 化学领域中，Bodner以及Stieff和Raje的工作显示，专家在解决有机化学问题时，最常用的技术是回忆问题或解决方案，其次是可视化或使用图表

5. 问题情境与表征能力的关系：文章讨论了场依存-场独立性(FDI)这一认知风格如何影响问题表征能力：

   • 场依存的个体难以从感知场中分离重要信息，这直接影响他们确定问题陈述中什么是重要的能力
   • 场依存的学生在重新组织材料方面也面临困难，这影响他们构建有效问题表征的能力
   • 这些效应与工作记忆的中央执行功能相关，García-Madruga指出中央执行功能的一个作用是丢弃不相关信息

6. 工作记忆与表征的关系：文章解释了工作记忆如何支持问题表征：

   • 视觉-空间草图本(visuo-spatial sketch pad)负责保持空间和视觉信息
   • 空间推理严重依赖中央执行功能，中央执行功能的有限容量会影响空间和命题推理能力
   • 个体在空间能力上的差异与问题表征能力密切相关

这些发现共同表明，问题表征能力是物理问题解决的核心，而问题情境的理解与表征能力之间存在密切关系，这种关系受到个体认知风格(如场依存-场独立性)和工作记忆能力的影响。

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摘要

本文介绍了一种名为"适应性问题解决学习环境"(ALEPS)的计算机辅助学习工具，旨在帮助学生克服物理问题解决的困难。该工具基于Polya的四阶段问题解决模型：理解、规划、实施和检查，采用认知学习方法，关注知识获取的心理过程。文章特别强调了问题表征在物理问题解决中的重要性，指出ALEPS能够引导学生实现更好的问题表征，从而提高理解能力。该工具旨在帮助学生或新手基于自身知识和相关主要概念，识别物理问题中的已知、未知和潜在特征。ALEPS系统由问题格式化器、反馈系统和知识库三部分组成，通过这些组件帮助学生建立更完善的问题表征，从而提高物理问题解决能力。

与问题相关的信息提取

文章明确指出了问题表征在物理问题解决中的关键作用。根据文章内容，大多数学生在解决物理问题时存在困难，并且对问题中的基本概念缺乏深入理解。为了解决这一问题，作者提出了ALEPS（适应性问题解决学习环境）工具，其核心目标之一就是改善学生对物理问题的表征能力。

文章强调，通过引导学生建立更好的问题表征，可以提高他们对物理问题的理解。具体而言，ALEPS旨在帮助学生或新手识别物理问题中的三类关键要素：已知特征、未知特征和潜在特征。这种识别过程基于学生自身的知识基础和问题所涉及的主要概念。

文章表明，问题表征是理解阶段（Polya四阶段模型的第一阶段）的核心组成部分，是有效解决物理问题的前提条件。通过改善问题表征，学生能够更好地理解问题情境、识别关键信息，从而为后续的规划、实施和检查阶段奠定基础。

然而，关于问题情境与问题表征能力之间关系的实证研究证据，文章中并未提供具体的实验数据或研究结果。文章主要介绍了ALEPS工具的设计理念和功能，而非呈现验证其有效性的实证研究。文章更多是从理论角度阐述了问题表征的重要性，而非提供实证证据证明问题情境如何影响表征能力。

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1. "Request Full-text Paper PDF" - 这个链接允许用户向作者直接请求论文全文。上下文表明这只是摘要，完整论文可能包含更多关于问题表征的详细讨论。

2. Kaya Yilmaz的研究 - 关于学习理论的研究，讨论了认知主义作为一种相对较新的学习理论，其特点与行为主义和建构主义的区别。这与ALEPS的认知学习方法相关。

3. Jennifer L. Snyder的研究 - 关于物理领域中模型和理论角色的研究，探讨了专家、中间水平者和新手的知识结构差异，这与问题表征能力相关。

4. Vazgen Shekoyan和Eugenia Etkina的研究 - 关于结构不良问题(ill-structured problems)的研究，讨论了这类问题如何帮助学生发展认知能力和技能。

5. Namsoo Shin等人的研究 - 比较了解决结构良好问题和结构不良问题所需的不同问题解决技能，这与问题表征的不同要求相关。

6. William C. Bulko的研究 - 关于BEATRIX程序的研究，该程序能够处理物理问题的文本描述和图形，创建问题的内部表征模型。

7. Pamela Thibodeau Hardiman等人的研究 - 探讨了问题解决能力与判断两个经典力学问题相似性的标准之间的关系，涉及专家和新手在问题表征方面的差异。

8. "Students' Difficulties When Solving Physics Problems: Results from an ICT-infused Revision Intervention" - 关于学生解决物理问题困难的研究，与ALEPS的目标相关。

9. "Categorization, Concept Learning, and Problem Solving: A Unifying View" - 关于分类、概念学习和问题解决的统一观点，可能与问题表征相关。

10. "Content Effects in Problem Categorization and Problem Solving" - 研究内容对问题分类和问题解决的影响，与问题表征的形成相关。

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摘要

本文研究了物理问题解决中不同表征形式对学生解题能力的影响。研究者考察了同一物理问题以三种不同表征形式（文字、图片和图表）呈现时，学生的解题成功率和策略选择。研究确认了先前研究的结论：物理学生的问题解决能力会随表征形式的不同而变化，且特定表征的细节可能触发特定的解题方法。本研究通过对解题策略的细致分析，扩展了先前的研究成果。研究发现学生会根据问题的表征形式采用不同的解题策略。文章讨论了表征流畅性和表征灵活性两种关键能力，前者涉及解释或构建表征的能力以及在表征间准确快速转换的能力，后者涉及在特定问题情境中做出适当的表征选择。研究结果对物理教育具有重要启示，表明培养学生的表征能力对提高其物理问题解决能力至关重要。

与问题相关的信息提取

这篇文章详细探讨了表征在物理问题解决中的关键作用，提供了丰富的实证研究证据支持问题情境与问题表征能力之间的关系：

1. 表征形式对问题解决的影响：研究证实物理学生的问题解决能力会随表征形式（文字、图片和图表）的不同而显著变化。同一物理问题以不同表征形式呈现时，学生的解题成功率和采用的解题策略会有明显差异。

2. 表征能力的两个关键维度：

   • 表征流畅性：包括解释或构建表征的能力，以及在不同表征之间准确快速转换的能力。
   • 表征灵活性：涉及在特定问题解决情境中做出适当的表征选择。

3. 实证研究证据：文章引用了多项研究证明表征与问题解决能力的关系：

   • Koedinger和Nathan的研究表明解题策略与表征之间存在紧密联系，特定表征会引发特定策略的使用。
   • Meltzer的研究发现学生在同一问题的不同表征形式上表现差异显著。
   • Kohl和Finkelstein的研究证实不同表征形式的问题在测验和作业中存在统计学显著的表现差异。

4. 专家-新手差异：研究强调专家物理问题解决者与新手的区别之一在于表征使用能力。专家能够流畅使用不同表征，轻松在表征间转换，并能评估特定表征在不同情境中的有用性。

5. 表征选择的重要性：研究指出学生不仅需要能够解释特定表征并关联不同表征，还需要具备选择最适合解决特定问题的表征的知识和技能。Acevedo Nistal等人的研究表明，学生表征选择的灵活性会极大影响其解题成功率。

6. 多重表征的作用：研究证据表明，多重表征可以促进知识增强，使学生获得更广泛、更深入、更稳健和更灵活的理解，但前提是学生必须具备解释表征、将表征与现实联系以及理解不同表征之间关系的能力。

7. 表征特征与解题策略的关系：研究发现特定表征的细节可能触发特定的解题方法，表明问题情境（表征形式）直接影响学生的问题表征能力和解题策略选择。

这些研究结果强调了表征能力在物理问题解决中的核心地位，并提供了充分证据支持问题情境（表征形式）与问题表征能力之间存在密切关系。

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1. FIG. 1 - 上下文：文章中的第一个图表，可能展示了研究中使用的不同表征形式。

2. FIG. 2 - 上下文：文章中的第二个图表，可能展示了研究结果或问题示例。

3. FIG. 3 - 上下文：文章中的第三个图表，可能展示了研究中的数据分析或问题示例。

4. FIG. 4 (color online). Verbal, graphical, and pictorial representation of third study - 上下文：展示了第三项研究中使用的文字、图形和图片表征形式。

5. FIG. 5 (color online). Student answer mistaking the yðxÞ graph for a yðtÞ graph - 上下文：展示了学生将y(x)图误认为y(t)图的答案示例。

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   内容: 可能展示了研究中使用的不同表征形式或实验设计
   来源: Mieke De Cock (论文作者)
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2. 图片标题: FIG. 2
   内容: 可能展示了研究结果或问题示例
   来源: Mieke De Cock (论文作者)
   链接: https://www.researchgate.net/publication/258098046/figure/fig2/AS:297602995245084@1447965491814/figure-fig2_Q320.jpg

3. 图片标题: FIG. 3
   内容: 可能展示了研究中的数据分析或问题示例
   来源: Mieke De Cock (论文作者)
   链接: https://www.researchgate.net/publication/258098046/figure/fig3/AS:297602995245086@1447965491959/figure-fig3_Q320.jpg

4. 图片标题: FIG. 4 (color online). Verbal, graphical, and pictorial representation of third study
   内容: 展示了第三项研究中使用的文字、图形和图片三种不同表征形式
   来源: Mieke De Cock (论文作者)
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5. 图片标题: FIG. 5 (color online). Student answer mistaking the yðxÞ graph for a yðtÞ graph
   内容: 展示了学生将位置-位置图(y-x图)误认为位置-时间图(y-t图)的答案示例
   来源: Mieke De Cock (论文作者)
   链接: https://www.researchgate.net/publication/258098046/figure/fig5/AS:670428435599371@1536854003455/color-online-Student-answer-mistaking-the-ydxTH-graph-for-a-ydtTH-graph_Q320.jpg

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摘要

本文探讨了情境认知理论与问题表征之间的关系。文章首先介绍了心理学中的经典问题解决观点，即解决问题需要创建问题结构的内部表征（问题空间）。这种表征可以分布在内部和外部结构上，如纸上的符号记号或图表。问题解决过程涉及从初始状态开始，主动构建可能的解决路径，评估并启发式地选择最佳路径。文章进一步探讨了情境认知理论，强调认知不仅仅是个体内部的过程，而是嵌入在文化活动系统中的。这些系统具有不同于参与其中的个体的认知特性。文章通过多个实证研究案例，如航海导航、自动驾驶车辆与人类交互等，说明了情境因素如何影响问题表征和解决过程。这种情境化的视角挑战了传统认知科学将认知视为纯粹内部计算过程的观点，强调了认知的文化性质以及环境结构对认知过程的影响。

与问题相关的信息提取

文章深入探讨了情境认知理论与问题表征之间的密切关系，提供了多方面的理论解释和实证研究支持：

1. 经典问题表征理论：文章开篇介绍了心理学中的传统观点，即解决问题需要创建问题结构的内部表征（问题空间）。这种表征在数学上等同于具有节点和链接的图结构，可以分布在内部和外部结构上，如纸上的符号记号或图表。这一传统视角将问题表征视为主要在个体内部进行的认知过程。

2. 情境认知的挑战：Edwin Hutchins的研究表明，认知活动系统具有自己的认知特性，这些特性不同于参与其中的个体的认知特性。例如，将大型海军舰艇驶入港口的每一个行动都受到文化的影响：导航团队可以被视为一个认知和计算系统。这表明问题表征不仅仅是个体内部的过程，而是嵌入在文化和社会环境中的。

3. 分布式认知系统：文章讨论了分布式认知系统(DCS)的概念，将其描述为一个符号系统，强调认知过程是分布在个体、工具和环境之间的。这种视角挑战了传统认知科学将认知视为纯粹内部计算过程的观点，强调了环境结构对问题表征的影响。

4. 实证研究支持：

   • 航海导航研究：Hutchins比较了现代西方导航与密克罗尼西亚的方法，探索了大于个体的系统的计算和认知特性，表明问题表征受到文化实践的深刻影响。
   • 自动驾驶车辆研究：Robert Kaufman的研究表明，人类-自动驾驶车辆团队对物理和社会环境的情境化、上下文化需求敏感。这强调了情境因素如何影响问题表征和解决过程。
   • 巴西即兴音乐传统研究：将巴西的"repente"即兴音乐传统描述为分布式认知系统，展示了认知任务的形式结构如何体现在社会文化实践中。

5. 问题重新定义的重要性：文章指出，问题解决通常不是从问题的清晰陈述开始的；相反，大多数问题必须在环境中被识别，然后在心理上被定义和表征。这强调了情境对问题表征的关键影响。

6. 情境化情感性：研究探讨了自然、物质和社会环境结构（称为"脚手架"）如何影响我们的情感生活，这进一步支持了情境因素对认知和问题表征的影响。

7. 跨越边界的学习：研究表明，课程相关的学习活动，如博物馆和环境教育中心的非正式学习，可以拓宽视角，这表明情境多样性对问题表征能力的积极影响。

总体而言，文章提供了丰富的理论和实证证据，支持情境认知理论与问题表征之间的密切关系。它表明问题表征不仅仅是个体内部的认知过程，而是深深嵌入在文化、社会和物理环境中的活动，受到这些情境因素的深刻影响。

相关网页链接

1. Join for free - 链接到ResearchGate的注册页面，上下文是ResearchGate平台介绍。

2. Problem Solving and Situated Cognition - 链接到与主题直接相关的文章预览页面。

3. Robert Kaufman的个人资料 - 链接到研究自动驾驶车辆与人类交互的学者资料页面。

4. Julian Kiverstein的个人资料 - 链接到《The Oxford Handbook of 4E Cognition》编者的资料页面，该书系统概述了4E认知领域的最新研究。

5. Damian Bączkiewicz的个人资料 - 链接到研究感官与政治生活互动的学者资料页面。

6. Vincent C Müller的个人资料 - 链接到研究人工智能哲学的学者资料页面。

7. Jean Lave的个人资料 - 链接到情境学习理论重要学者的资料页面，其研究将认知活动（如算术问题解决）从实验室转移到日常生活领域。

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   Content: Damian Bączkiewicz的个人头像
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6. Title: Vincent C Müller头像
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摘要

本研究探讨了基于图式的教学(Schema Based Instruction)对11年级学生物理问题解决能力的影响。研究采用准实验设计，包括前测-后测非等效对照组设计，从两所农村政府高中选取了114名学生(实验组60人，对照组54人)。实验组接受基于图式的教学，而对照组则接受直接翻译策略(Direct Translation Strategy)教学。研究结果表明，基于图式的教学显著提高了学生的物理问题解决能力。文章详细介绍了基于图式的教学策略，包括五个核心组成部分：问题类型、结构图、问题图式、示例问题和练习问题。该教学策略分为五个阶段：问题解决准备、熟悉问题类型、熟悉情境不同但结构相似的问题、熟悉情境相似但结构不同的问题，以及使用问题图式进行问题解决练习。研究强调，有效的物理问题解决不仅需要计算准确性，还需要理解文本信息、可视化数据、识别问题语义结构、正确排序解决步骤，以及评估所用程序的能力。

与问题相关的信息提取

本文对图式理论与问题表征之间的关系提供了详细解释，并提供了实证研究证据支持图式理论在物理问题解决中的应用：

1. 图式理论与问题表征的关系：

   • 问题图式(Problem Schema)被定义为用于识别正在解决的问题类型的知识结构(Rumelhart & Ortony, 1977)，是问题中所呈现信息模式的心理表征(Riley & Greeno, 1988)。
   • Jonassen(2010)和Marshall(1995)研究发现，有效的问题图式包含问题的情境特征和结构信息，最成功的问题解决者能够整合问题的情境和结构特征。
   • 文章指出，问题图式可以作为提高学习者问题解决技能的促进因素。如果新手学会以有意义和顺序的模式组织不同问题类型的所有相关信息，在解决问题时信息将被有效且容易地检索。
   • 研究者设计的基于图式的教学策略试图整合问题的情境和语义信息，基于图式理论，认为问题解决能力取决于问题图式的构建和发展。

2. 问题图式的组成：

   • 研究者设计的问题图式包含Jonassen(2010)建议的三个关键属性：
     • 情境模型(Situation Model)：包含问题场景的关键特征及其解释
     • 结构模型(Structural Model)：表示问题元素之间的相互关系
     • 算术模型(Arithmetic Model)：表示所需的数学公式

3. 基于图式的教学策略：

   • 研究设计了一种基于图式的教学策略，包含五个基本组成部分：问题类型、结构图、问题图式、示例问题和练习问题。
   • 教学策略分为五个阶段：问题解决准备、熟悉问题类型、熟悉情境不同但结构相似的问题、熟悉情境相似但结构不同的问题，以及使用问题图式进行问题解决练习。
   • 这种教学方法强调物理问题解决不仅需要计算准确性，还需要理解文本信息、可视化数据、识别问题语义结构等能力。

4. 实证研究证据：

   • 本研究采用准实验设计，包括前测-后测非等效对照组设计，从两所农村政府高中选取了114名学生(实验组60人，对照组54人)。
   • 实验组接受基于图式的教学，而对照组则接受直接翻译策略教学。
   • 研究结果表明，基于图式的教学显著提高了学生的物理问题解决能力，优于直接翻译策略。
   • 文章还引用了其他研究者的实证研究：Jitendra等人(2013)的研究表明基于图式的教学比常规数学问题解决教学更有效；Fang(2012)认为基于图式的教学是教授文字问题解决的最受支持的策略之一；Jitendra和Star(2011)声称基于图式的教学是改善学习障碍学生数学问题解决表现的替代方法。

这些发现支持图式理论在物理问题解决中的应用，表明通过帮助学生构建和发展问题图式，可以显著提高他们的问题解决能力。

相关网页链接

1. Proceedings链接 - 上下文：文章提到研究结果表明基于图式的教学显著提高了物理问题解决能力后引用了这个链接。

2. Table 2图表链接 - 上下文：文章中的表格，可能包含研究数据或结果。

3. Vijesh Karayil的ResearchGate个人资料 - 上下文：文章的作者之一。

4. ResearchGate注册页面 - 上下文：ResearchGate平台的注册链接。

5. 文章阅读预览链接 - 上下文：文章的在线阅读预览链接。

相关图片提取

1. 图片标题: Table 2
   内容: 可能包含研究数据或结果的表格
   来源: Vijesh Karayil
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2. 图片标题: Structure map of problem type 'Work'
   内容: 展示"工作"问题类型的结构图，显示不同物理量之间的相互关系
   来源: K. Vijesh, Manoj Praveen G.
   链接: 未知（图片在文章中标记为Figure 1）

3. 图片标题: Problem schema of Problem type 'Work'
   内容: 展示"工作"问题类型的问题图式，包含情境模型、结构模型和算术模型
   来源: K. Vijesh, Manoj Praveen G.
   链接: 未知（图片在文章中标记为Figure 2）

4. 图片标题: ResearchGate Logo
   内容: ResearchGate平台的标志
   来源: ResearchGate
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