【科学教学】决策组合，学学物理学家的心智模式（上）

科学

2023-10-09 06:10

科学家和工程师通过调用相关知识，做出一系列关键决策，来解决研究问题。他们的共通性在哪里？本文提要：

1.物理学家是真实问题的解决者

2.现实世界问题vs教科书问题

3.解决问题：决策组合的心智模式

4.物理学家的决策全集

5.通用技能plus!

1.物理学家是真实问题的解决者

物理学研究生搞不清如何成为一名成功的物理学家，他们感到困惑或害怕。在他们看来，好的物理学家显然要懂很多东西，而且“我都还没能理解问题，他们就已经提出解决方案了”。其实，导师也在犯难，如何指导研究生成为优秀的物理学家呢？他们可能会想：“我需要教他们什么，我应该怎么做？”

尽管学生在物理课上学得不错，但当遇到研究问题时，他们往往很挣扎。他们困难的根源是什么，如何才能最好地帮助他们改进？

图

本文介绍关于专业知识获取的认知科学研究结果，以及在科学专业知识及其学习方式等工作。

本文旨在帮助学生、学习顾问、教师了解：成为一位好的物理学家需要什么？实现这一目标的最有效和最有效的方法是什么？希望所有理工科学生都能从中受益。

成功物理学家的主要特征：一位优秀的问题解决者。研究中碰到的问题是真正的物理问题。解决这些问题会涉及一系列思维过程，这可比教科书上最难的问题还要复杂得多。教科书上的问题一般都会提供所需的所有信息，并且有单一的明确定义的解决方案路径。

物理学家研究中的所有行为都在“解决问题”。从选择合适的问题，到执行获得结果的漫长过程，再到最终呈现这些结果及其影响。

2.现实世界问题vs教科书问题

然而我们发现，对于任何给定的科学或工程学科中的典型现实问题，熟练的从业者倾向于以相似的理由做出类似的决策，而学生则做不出来。我们注意到，在解决课程中遇到的典型教科书或考试问题时，需要很少的做什么决策。那么我们就理解了，学生和熟练从业者之间有很大差距。这也解释了，为什么学生在物理课程中的表现与他们进行物理研究的能力之间几乎没有相关性。

我们先来看一个教科书上的物理问题。图中（a）计算m2加速度的假设无质量滑轮和绳索的问题。这里不需要太多的决策，而且往往缺乏任何激励学生解决这些问题的背景。

我们再来看一个现实世界的物理问题。图中（b）现实世界的物理问题，例如确定火箭发射韦伯太空望远镜所需的要求，具有社会相关性。然而，学生由于必须做出许多复杂的决定，它们又太困难了。

我们于是找到了一个现实且适合练习的物理问题的例子。图（c）中要求学生计算可以用树枝上的绳子拉到树屋的重量，并决定是否值得花时间和金钱购买滑轮来完成这项工作。真实的问题旨在包括许多决策并且与人关联更强，但对于那些知识和决策技能有限的人来说，仍然需要可触达。

这里主要解释了差距的来源。埋个扣，下篇在如何训练时，会展开说一些教学应对措施。

3.解决问题：决策组合的心智模式

成为一个好的物理问题解决者通常是通过反复试验来学习的，但对于复杂的任务，这种学习方法效率很低。在物理研究中涉及的问题解决过程中可能会犯太多错误。认知科学研究表明，通过练习其专业领域所需的一组特定认知任务，可以提高学习效率。

这与传统教授手艺的理想师徒方法非常相似（见图1）。师傅将工艺分解为一组特定的子技能，给学徒一组越来越具有挑战性的任务来练习每个子技能，并穿插有关如何改进的反馈。学徒将每个子技能练习到合理的掌握，然后将它们一起使用以生产所需的产品。

认知心理学家K. Anders Ericsson及其合作者研究了人们成为许多学科专家的过程。要把这些想法应用于物理教学，主要取决于“刻意练习”的数量。它需要确定该学科专业知识所涉及的特定子技能，通常由一位好的老师或教练。学习者单独和组合地集中练习这些特定的子技能。这种做法与频繁的有针对性的反馈（通常由老师或教练）以及对如何改进的反思交织在一起。精神努力的焦点、强度和程度至关重要。这些因素可能决定了大脑中神经元连接实现预期变化的程度，从而提高了能力。

对物理方面的问题解决，必要的子技能是一组决策！

过去，对科学解决问题的大部分研究都着眼于专家与新手的差异，通常是他们如何组织知识来解决难题和简单的教科书问题。这项工作只关注真实过程的一小部分。几乎每本物理入门教科书都有自己的解决问题的方法，但很少有证据表明这些方法对于学习解决真实问题是否正确、完整或有效。

研究小组采访了大约50名科学家和工程师（“专家”），包括物理学家，了解他们如何解决各自学科中的真实问题，并访谈解决过程中的决策分析。“决策”是专家在采取某种行动之前在备选方案中进行选择。令人惊讶的是，同一套29个决策一遍又一遍地出现（见下文框）。它们几乎出现于每次访谈，它们组成了解决问题的全过程。

做决策时信息总是有限的。为了决策，专家们回答了以下问题：“解决这个问题需要什么信息？“什么假设和简化是合适的？”“我的解决方案中最困难或最不确定的方面是什么？”如果有完整的信息，那么要遵循的步骤只是程序，几乎不需要思考。在信息有限的情况下，决策必须根据的猜测或判断，尽管消息灵通。解决问题的能力在于判断的质量。专家们经常指出，研究突破来自于认识到其他研究人员忽视的一些额外信息的重要性。

虽然专家需要做的决策不限学科，但他们如何做出每个决策却依赖学科。在作出任何这些决策时，专家们调用具体的学科知识和经验。大多数相关知识在一个学科中是通用的，并且在学科之间有所不同。解决跨学科问题的专家仍然以基本相同的方式调用知识体系，尽管它跨越了不止一个学科。

知道要应用哪些信息以及如何应用这些信息对于做好每个决策至关重要。因此，对一门学科中的知识进行有意义的学习，必须包括掌握如何用这些知识做出正确的决定。不靠知识解决问题毫无意义。

我们发现，所有专家都以优化决策的方式组织他们的学科知识。我们将这种知识组织结构描述为“预测框架”。这些框架是心智模型，通过潜在机制体现了与问题及其关系相关的所有关键特征。这些框架用于预测当任何变量发生更改时所建模系统的行为。正如专家向我们所解释，当他们做出决定时，他们会不断使用这些框架进行思想实验。

图：解决物理问题的心智模式。黑色箭头代表一种决策顺序，从选择研究方向和确定项目目标开始。这种决策顺序不切实际。白色箭头表示的决策顺序更真实，这是一种迭代的路径。这里把决策分类呈现，括号表示每个类别中需要作出的决策数目。虽然“知识和技能发展”本身都不是决定，但根据采访物理专家关于如何解决问题，这两个是经常提到的主题。

在解决问题的过程中，一个早期和反复的决定是确定哪个预测框架最适合这个问题（下文中的决策5和23。有关本文中提到的这个和其他决策，请参阅下文）。选择模型和机制的复杂性是为了满足问题的需要。

举例来说，物理学家要研究涉及激光冷却的研究问题。他们最初可能采用的预测框架将包括光的动量，原子的质量和动量，由于光散射而引起的两种动量形式之间的转换，以及散射速率对光频率和多普勒频移的依赖性。当他们进行实验和收集数据时，他们可能会认为数据是可靠的（决策18），但与框架的预测不一致（决策19）。这可能会导致他们修改他们的预测框架，例如，添加AC Stark效应及其在激光束上的空间变化。

4.物理学家的决策全集

下面更详细地列出了这些类别，大致对应于它们在求解过程中出现的顺序。然而，没有人遵循如此简单的、有时间顺序的过程。基于新的信息和反思，专家们经常跳到过程中的不同步骤，并修改先前的决定、结论和计划。

物理学家会对这份清单不太会惊讶。29个并不多，但似乎足以描述所有科学和工程的整个问题解决过程。它们提供了一个更具体的指南，说明要成为一名成功的物理学家，或者就此而言，任何科学家或工程师的风格，掌握什么是重要的。

决策列表

解决物理问题的本质 以下是学生和物理学家在研究过程中需要问自己的29组问题。这些答案让他们能做出解决物理问题所需的29个决策。

A. 选择和规划

1. 该领域什么是重要的？该领域将走向何方？该领域是否有进步开辟了新的可能性？

2. 是否有适合物理学家专业知识的机会？该领域是否存在需要解决的差距或挑战现状和质疑该领域假设的机会？鉴于专家的能力，他们的机会是否特别大？

3. 问题解决方案的目标、设计标准或要求是什么？问题的范围是什么？评估解决方案的标准是什么？

4. 适用哪些重要的基本功能或概念？哪些可用信息与解决问题相关，为什么？为了更好地识别重要信息，选择合适的表达来核心思想。

5. 应使用什么预测框架？面对手头问题，确定对框架需要最有用的机制与结构

6. 如何缩小问题范围？制定具体的问题和假设，使问题更容易处理。

7. 以前见过哪些相关问题或工作？其解决问题的过程和解决方案的哪些方面可能是有用的？

8. 有哪些潜在的解决方案？（此决定基于经验和决策3和4的结果。）

9. 这个问题有解决的可能么？考虑到困难、限制、风险和不确定性，是否值得去试图解决？

决策10-15确定了解决问题所需的细节。

10. 哪些近似或简化是合适的？

11. 如何将研究问题分解为子问题？子问题是具有自己子目标的独立可解决部分。

12. 在解决问题的过程中，问题的哪些方面特别困难或不确定？在不同阶段可以接受的不确定性水平是多少？

13. 解决问题需要哪些信息？什么方法足以测试和区分潜在的解决方案？

14. 在众多相互竞争的考虑因素中，哪一个应该优先考虑？考虑因素可能包括以下内容：什么是最重要或最困难的？时间、材料和成本限制是什么？

15. 如何获得必要的信息？选项包括设计和进行实验、进行观察、与专家交谈、查阅文献、执行计算、构建模型和使用模拟。计划还涉及设定里程碑和指标以评估进度，并考虑在解决问题过程中可能出现的替代结果和路径。

B. 分析和结论

16. 应该进行哪些计算和数据分析？应该如何执行？

17. 表示和组织可用信息以提供清晰度和见解的最佳方式是什么？

18. 信息是否有效、可靠和可信？解释是否公正？

19. 信息与预测相比如何？随着新信息的收集，它与基于预测框架的预期结果相比如何？

20. 如果结果与预期不同，应该如何跟进？鉴于预测框架的局限性以及基本假设和近似值，潜在异常是否适合预测框架的可接受范围？

21. 根据数据得出哪些适当、合理的结论？

22. 候选解决方案的最佳解决方案是什么？若要缩小列表范围，请确定哪些解决方案与所有可用信息一致，哪些可以拒绝。确定需要对候选解决方案进行哪些改进。对于这个应该在整个问题解决过程中重复做出的决定，候选列表不需要缩小到一个解决方案。

23. 根据新信息，以前关于简化和预测框架的决定是否仍然合适？是否需要修改所选的预测框架？

24. 物理学家的相关知识和他们掌握的当前信息是否足够？是否需要更多信息，如果需要，那是什么？某些信息是否需要验证？

25. 解决问题的方法效果如何？是否需要修改？物理学家应该通过评估解决方案的进展并可能修改他们的目标来反思他们的策略。

26. 所选解决方案有多好？在从候选解决方案中选择一个并对其进行反思后，它是否有意义并通过特定于学科的测试来解决问题？它怎么会失败？

决策27-29是关于工作的重要性以及如何传达结果。

28. 结果有什么更广泛的影响？解决方案适用于哪些场景？它可以解决该领域的哪些突出问题？它能实现哪些新颖的预测？为什么更广泛领域的人会对该解决方案感兴趣？

29. 成果的受众是谁？受众有什么重要特点？

30. 如何最佳呈现成果，让别人理解它，并认可成果的正确性和重要性？如何才能让成果引人入胜？

5.通用技能plus!

除了我们关注的决定之外，专家们还提供了他们认为是各自领域专业知识重要要素的共同通用技能。

从文献、会议中并向同事学习相关的新知识、想法和技术，了解该领域最新形势
培养直觉和经验，以提高解决问题的能力。
提高人际关系和团队合作技能 - 例如，如何协作，管理团队和加强沟通 - 特别是当它们应用于不同的问题解决过程时。
通过练习时间管理来提高效率，包括学习高效准确地完成某些常见任务。
培养态度或驱动力，不顾障碍坚持不懈地完成任务、应对压力和对决策充满信心。

成为一名优秀的物理学家，需要发展这些技能并学会做出正确的决策。

未完待续，决策组合，学学物理学家的心智模式（下）将讨论如何训练：

6.在研究中刻意练习

7.在课堂中刻意练习

8.最重点和最难点

资料来源：

https://pubs.aip.org/physicstoday/article/75/9/46/2845437/How-to-become-a-successful-physicistAll-scientists

我们不需要英雄

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来源: qq

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