学生课堂思维活动的研究对医学物理教学改革的启示
大学物理学是我国高等院校理、工、医科等专业重要的必修基础课程。大学物理的教学，不但要帮助学生积累物理学知识，更要注重培养学生思维能力和利用物理知识分析解决问题能力[1,2]。纵观我国大学物理的教学研究，主要集中在从教师“如何教”的角度所进行的大班课堂教学方法的研究[3,4]。大学物理课堂教学过程中，常常遇到的一种现象是：尽管教师通过一系列的教学研究，想方设法详尽地进行物理知识的解释，学生当时也能听得舒服和听得懂，但是学生在利用所听所学的物理知识进行解决实际问题的时候，却遇到了很大的困难。由于我国的大学物理教学研究缺乏从学生角度的研究[4]，所以不清楚学生在运用知识解决问题的时候为什么会遇到困难。本文从学生运用物理知识解决问题时遇到的困难入手，通过具体的教学实验，定性研究了在医学物理课堂教学过程中学生运用物理知识分析解决问题时的思维活动，并对学生的思维活动进行了分析和总结。希望本研究能为我国的物理教育教学研究和提高物理教学质量提供有益的参考。
1 研究方法
现象学研究方法是一种心理学研究思维过程的方法，强调在一定的条件下对研究对象进行自然而然的实验观察，记录研究对象正在进行的想法或者做法；对观察到的经验进行如实的描述，不做任何的推测和解释[5]。格式塔心理学认为，经验很难用数量来统计，所以先通过观察，然后再进一步分析[5]。本研究就是采用现象学实验观察的方法，在实际的医学物理课堂教学过程中，选择了4个重要的物理概念和原理，通过设置一些问题，观察学生对问题的解答情况。观察的内容有：(1)学生回答问题的快慢；(2)不同回答结果的学生人数比例；(3)学生对各自回答结果的解释；(4)学生的表情。
2 研究过程与结果
2.1 教学实验1
该教学实验涉及的物理知识主要是理想液体的概念。理想液体是一个物理模型，其概念为绝对不可压缩，完全没有黏性的液体。理想液体的概念是推导连续性方程的理论基础。连续性方程的意义是理想液体在稳定流动时，流过同一流管各截面的流量保持不变，流管截面积大的地方流速小，流管截面积小的地方流速大。其数学公式为S1v1=S2v2，S表示流管横截面面积，v表示通过截面的液体的流速。
教学实验1的题目是利用理想液体的基本概念来推导连续性方程。如果学生能够对理想液体的概念有实质性的理解，抓住“绝对不可压缩”这一关键点，就很容易做出正确的判断：在相同时间内，从一个截面流进去的液体的体积必然等于从另一个截面流出去的液体的体积。
如图1所示，经过时间Δt，流经截面1(截面积为S1)的液体体积为S1v1Δt，流经截面2(截面积为S2)的液体体积为S2v2Δt。
图1 经Δt时间通过两截面的液体体积示意图
当问及S1v1Δt与S2v2Δt是否相等的时候，没有学生肯定地回答相等，超过一半以上的同学回答“不相等”或者“不相等吧？”(虽然回答了不相等，但是很犹豫)。在没有给学生任何提示和反馈的前提下，更换了一种形式来提问：如图2所示，经过时间Δt，流经截面1的液体体积为V1，流经截面2的液体体积为V2，问两者是否相等。有超过1/3的学生回答相等，同时学生能给出“因为理想液体的体积绝对不可压缩，所以两者相等”这一正确的解释。
图2 经Δt时间通过两截面的液体体积示意图
2.2 教学实验2
该教学实验涉及的物理知识主要是连续性方程。通过连续性方程，可以帮助学生认识和解释人体血液循环中一些生理和病理现象，有助于医学生对某些疾病的诊断和治疗。比如运用连续性方程“截面积大的地方流速小，截面积小的地方流速大”这一物理意义，可以定性地解释患者动脉狭窄处的血液流速为何比正常动脉处的流速快的原因。
教学实验2的题目是利用连续性方程解释人体动脉内血液流速快，毛细血管内血液流速慢。从解剖关系上看，人体主动脉通过各分支小动脉最后与数量众多的毛细血管相连通。如果学生能够把动脉和毛细血管抽象成同一个流管中的不同截面，然后运用连续性方程的物理意义，就能顺理成章地得出人体动脉中血液流速比毛细血管中的血液流速快得多的结论。
请同学们迅速回答，是动脉内血液流速快，还是毛细血管内血液流速快？几乎所有同学说毛细血管内的血液流速快。不过，有近1/2的同学回答后又接着否定了之前的观点，认为动脉内的血液流速快。问其理由，不能给予正确的解释。
2.3 教学实验3
该教学实验涉及的物理知识主要是弯曲液面附加压强的基本概念和公式。只有掌握并理解了这部分知识，医学生才可以正确认识和解释人体大小肺泡为什么能够维持各自的大小和形态。由于液体表面存在表面张力，造成弯曲液面的液面内与液面外的压强不相等，弯曲液面的内外有一个压强差，称为附加压强，即弯曲液面表面张力而产生的压强。弯曲液面分为球形液面和球形液膜两种情形，球形液面附加压强的公式为
教学实验3的题目是利用弯曲液面附加压强的基本概念和公式，分析一个大的肥皂泡和一个小的肥皂泡，用玻璃管连通后，两肥皂泡各自有什么样变化。因为大肥皂泡的曲率半径比小肥皂泡的曲率半径大，所以大肥皂泡内的压强小于小肥皂泡内的压强，气体从小肥皂流向大肥皂泡，导致大肥皂泡越来越大、小肥皂泡越来越小；当二者的曲率半径相等时，二者的形状不再发生变化，此时小肥皂变成冒顶形状。
如图3所示，问当一个大的肥皂泡A(半径为RA)和一个小的肥皂泡B(半径为RB)，用玻璃管连通后，是大肥皂泡变大、小肥皂泡变小，还是大肥皂泡变小、小肥皂泡变大？
图3 玻璃管连通肥皂泡A、B(RA>RB)示意图
几乎所有的学生的回答是大肥皂泡变小、小肥皂泡变大。反复询问有没有不同意见的同学，没一人举手或者回应。没有给学生任何的反馈和暗示，我们给学生提供一个和这个问题很相似的一个问题：如图4所示，当一个大的肥皂泡A(半径为RA)和一个小的肥皂泡B(半径为RB)，用玻璃管连通后，是A中的气体流向B，还是B中的气体流向A？
接近一半的学生马上说出正确的答案：气体从B流向A(也就是大肥皂泡变大，小肥皂泡变小)。另一半的同学仍坚持大肥皂泡变小，小肥皂泡变大。经过解释后，全部学生能明白。接着提出新问题，B中的气体什么时候停止向A流动呢？学生全部能够正确回答出“两边压强相等的时候”。即ps′A=ps′B。满足什么条件两边压强才相等呢？学生无应答。给予提示，当R′A=R′B的时候，是不是两个肥皂泡内的压强就相等了呢。但学生表情显得很困惑，将信将疑。
2.4 教学实验4
该教学实验涉及的物理知识主要是泊肃叶定律。法国生理学家泊肃叶在19世纪研究了黏性液体在水平圆直管内流动的现象，得出了液体的流量Q，与管子两端的压强差Δp、管长L、管半径r和液体的黏滞系数η有关，它们之间满足
教学实验4的题目是利用泊肃叶定律来解释冠心病的治疗。由
问题1.扩血管药物能否治疗冠心病？
全部学生能立刻回答并正确解释扩血管药物可以治疗冠心病，因为血管增粗可以增加血流量，从而避免心肌缺血。
问题2.降低血液黏度的药物，如活血化瘀的药物，能否治疗冠心病？学生也都能立刻给出正确的解释。
问题3.扩血管的药物和活血化瘀的药物，哪一类药物治疗冠心病的疗效显著？1/3的学生认为扩血管的药物疗效显著，1/3的学生认为活血化瘀的药物疗效显著，另外1/3的学生无应答。提示学生盯着公式
3 分析
针对每一个教学实验学生解答情况，我们随后跟学生做了深入访谈，根据访谈的结果，进行分类分析。
(1) 在教学实验1的访谈中，当问到在图1情形下，为什么不能得出流过两截面液体的体积相等呢？多数学生回答：根据图1提供的信息，注意力集中在如何证明S1v1Δt=S2v2Δt上，但是一时又找不到合适的数学公式，压根没有想到从理想液体的概念着手来思考，只好等待老师的解释。当问到在图2情形下，为什么同学们又能够发现两者相等呢？学生比较一致的反馈是：图2提供的流经截面的液体体积不是数学表达式，造成的干扰少，比较容易联想到刚才学过的理想液体的概念。
在教学实验3的访谈中，当问到“大肥皂泡变大、小肥皂泡变小，还是大肥皂泡变小、小肥皂泡变大”与“是大肥皂泡中的气体流向小肥皂泡，还是小肥皂泡中的气体流向大肥皂泡”这两个问题有本质的区别吗？学生都回答没有区别。当问到为什么对这两个问题的解答出现截然不同的结果呢？学生一致的反馈是：大肥皂泡里的气体多、小肥皂泡里的气体少，主观上自然就认为大肥皂泡会越来越小、小肥皂泡会越来越大，没有想到从物理规律上来做进一步的思考；图4是一个物体运动方面的问题，我们比较擅长做这方面的题目，所以想着用附加压强的公式来判断。
通过以上的访谈结果，我们作进一步分析。教学实验1中图1给出的流经两截面的液体体积用S1v1Δt、S2v2Δt表示，这种表达方式让学生误以为这是个数学问题，引发了学生集中从数学的角度来证明二者是否相等，忽略了刚才学过的理想液体的概念。图2给出的流经两截面的液体体积用V1、V2表示，即两段液柱的体积，没有了数学表达式的干扰，从而让一些学生开始想到用理想液体的概念来推理。可见，比较两段液柱体积V1、V2是否相等，要比较S1v1Δt与S2v2Δt是否相等使得学生更容易想到理想液体的概念，也就是说问题表征为液柱，使得问题与所需知识(理想液体的概念)之间的关系更为亲密，更容易让学生联想到理想液体的基本概念中的关键点“绝对不可压缩”来快速准确地解决问题。
在教学实验3中，“大肥皂泡变大、小肥皂泡变小，还是大肥皂泡变小、小肥皂泡变大”这种提问形式让学生仅凭“大肥皂泡里的气体多、小肥皂泡里的气体少”，就从主观上作出了草率的判断；而“是大肥皂泡中的气体流向小肥皂泡，还是小肥皂泡中的气体流向大肥皂泡”的提问形式才驱使学生通过寻求相关物理规律来解决这个问题。肥皂泡变大或者变小侧重的是物体形状的改变，气体流动侧重的是物体运动现象。物理学上，解决运动问题比解决形变问题对学生来说更有规律可循。解决气体如何流动，学生较容易想到比较两个肥皂泡里气体压强，气体从压强大的地方流向压强小的地方，从而顺理成章地运用附加压强的公式来解决问题。如果从形变的角度，使得学生不容易想到附加压强就是解决问题的关键点，导致学生主观猜测，不能正确解决问题。
因此，教学实验1、实验3中，对同一个问题的表述不同，学生解决问题的效果也不同。问题的不同表述可以让学生较容易地正确解决问题，也可以使得学生一时无法利用所学的知识来恰当的解决问题。对于这种现象，格式塔心理学认为，人们在头脑中表征问题的方式会影响问题解决的效果[6]，对问题如何表征，直接影响到问题解决的难易与快慢[7]。正确地表征问题是非常重要的，其作用就在于有助于人们理解问题与所需知识之间的关系，使得人们有可能去运用关键的或者恰当的知识来解决问题[8]。
(2) 在教学实验2的访谈中，当问到为什么大家迅速做出毛细血管内的血液比动脉中的流速快呢？学生的回答是：因为都知道动脉血管的管半径大于毛细血管的管半径，根据连续性方程S1v1=S2v2，所以很容易发现毛细血管内的血液流速快。当问到为什么有许多学生又改变观点了呢？学生的反馈是：根据常识知道动脉内血液流速比毛细血管内血液流速快得多，这与根据连续性方程得出的结论矛盾，但是不知道错误出现在什么地方，等待老师的解释。
在教学实验3的访谈中，我们还问到大肥皂泡变大、小肥皂泡变小，当二者的附加压强相等时，达到平衡状态，根据附加压强的公式
结合学生反馈的情况，作进一步分析。教学实验2中，一段动脉血管的管半径要大于一段毛细血管的管半径，这是人们的常识，根据连续性方程流管截面面积与流速成反比的规律，所以学生很快得出毛细血管内的血液流速快的结论。有学生在得出毛细血管内的血液流速较快的结论之后，却迅速改变观点，认为动脉内的血液流速比毛细血管的血液流速快，通过前面的访谈可知，原因来自学生的经验和常识，此时学生明明知道了矛盾的出现，但学生无法给出正确解释。可以说这种思维定势阻碍了学生知识的迁移和运用能力。
格式塔心理学认为，思维定式阻碍了人们对问题的解决，影响了人们在解决问题时对问题的恰当表征。思维定式(也叫心理定式)是一种事先形成的、关于如何着手处理问题的观念，受人们的经验或过去的经历影响[6]。由于思维定势，致使学生不能主动运用恰当的物理知识来解释动脉中血液流速比毛细血管中血液流速快的现象。换句话说，思维定势阻碍了学生进一步联系连续性方程，从截面积的角度，重新考虑动脉的截面积与数量众多的毛细血管的截面积之间的关系，导致学生即便靠经验推断出了正确的结论，但是找不到合适的知识来解释。同理，学生“既然大肥皂泡变大，小肥皂泡变小，那么无论什么时候，也不可能出现二者半径一样的情况”的心理定势，阻滞了学生对附加压强公式中的R进行实质性理解，将理论与实践割裂开来，不能或者不会学以致用。
(3) 在教学实验4的访谈中，当问到为什么大家能够迅速得出扩血管药物和活血化瘀的药物都能治疗冠心病呢？学生的回答是：扩血管药物能够使血管半径增大，活血化瘀的药物能够使血液黏滞系数变小，根据泊肃叶定律
教学实验4中，问题1和问题2，根据泊肃叶定律
格式塔心理学认为，问题解决过程中有一个主要的障碍—固着。固着即是在解决问题的过程中，由于只关注问题特定方面的倾向性而阻碍了人们找到问题的解决方案[6]。学生在解决问题3的过程中，就是由于只关注了“药物疗效”这一医学问题，导致思维停滞不前，从而不能紧密联系当前学习的内容(泊肃叶定律)。经过提示大家盯着公式
4 结论
通过以上的教学实验及分析，可以发现学生无论是在学习医学物理知识的过程中还是在运用已学的知识解决实际问题的过程中遇到了几乎相同的困难。学生在学习与运用物理知识分析问题和解决问题的时候，其思维活动所表现出的特点具有共性：问题的表征方式、思维定势以及固着造成了学生在概念与原理的理解和运用推理上的困难，这些因素影响了学生对问题的分析解决能力。
当前教育部提出“新医科”建设，传统的医学教育模式向“以医文、医工、医理、医X交叉学科”为支撑的医学教育模式转变，通过多学科交叉融合，培养卓越科技型医学人才[9]。医学物理不但可以帮助医学生认识人体生理和病理的现象，而且物理学的原理、方法和技术已广泛应用于人类疾病的预防、诊断和治疗。“新医科”建设有力地回答了“医学生为什么要学物理学”，同时对教师的教学也提出了更高的要求。
因此对于医学物理来说，教师不应当只从教师的角度来思考教学和进行教学改革，还应当从学生自身的角度来研究。“知己”更要“知彼”，教师应当根据学生这些思维活动的特点和其导致的学习困难来反思自己的教学与教学改革，以便采用合适的教学方法和教学模式，精准引导学生正确地表征概念、原理和问题，帮助学生克服心理定势和固着在理解和运用知识时候的副作用，使学生能够实质性理解物理基本知识；避免学生通过死记硬背的方式学习医学物理或者被动地学习医学物理，激发学生进行积极的思考，帮助学生反思自己的思维活动；培养学生对医学物理知识的理解与运用它们进行逻辑推理能力，培养学生科学的思维技能。
总之，通过对课堂教学中学生思维活动的研究，清楚了学生在分析解决相同问题的时候遇到了几乎相同困难和障碍的因素。希望通过精准的教学研究和教学改革，找到行之有效的解决策略，使医学生学好、用好物理知识，以便为医学生学好后续课程打下牢固的物理基础，实现“新医科”对医学人才的培养目标。
参考文献
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[9] 顾丹丹,钮晓音,郭晓奎,等.“新医科”内涵建设及实施路径的思考[J].中国高等医学教育,2018(8):17-18.
GU D D,NIU X Y,GUO X K,et al.Defining and developing a roadmap for “New College of Medicine”[J]. China Higher Medical Education, 2018(8): 17-18. (in Chinese)
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