8.第八章 物理问题的教学

第八章物理问题教学物理问题教学主要研究物理教学中的问题解决。

问题解决作为一个心理学的术语，它指的是人们在日常生活和社会实践中，面临新情景、新课题，发现它与主客观需要的矛盾而自己却没有现成对策时，所引起的寻求处理问题办法的一种心理活动①。

虽然中学物理中研究的问题，都是在一定的科学背景下已经解决的问题，从科学探索的意义上，它们已不成其为问题。

但是由于学校教学过程中学生认识活动的特殊性，对于学生而言，这些仍作为一个个未知的问题提出。

物理教学就是通过引导学生去探索、解决这一个个问题，从而达到掌握知识、发展智力、培养能力的教学目标。

对一个具体物理知识的学习，学生在认识上要经历两个阶段，实现两次飞跃。

一是从感性到理性的认识阶段，这一阶段以建立概念、发现规律为实现第一次飞跃的特征；二是从理性到实践的运用阶段，这一阶段以运用概念、规律去解决（或模拟解决）实际问题为实现第二次飞跃的特征。

通过认识的两次飞跃，形成概念、掌握规律、解决问题。

虽然中学物理教学过程从整体上可以看做是一个问题解决过程，但是认真分析可以发现：“在学习的不同阶段存在着知识的不同整合形式，不同程度的程序化和累积技能”①，即不同阶段在认知上有许多独自的特点，对概念、规律学习的研究不能代替解决问题学习的研究。

上章我们对概念、规律学习做了较为详尽的研究，本章将对解决问题的学习进行研究，探讨解决问题的心理活动的一般模式、解决问题的策略以及教学指导的策略。

①邵瑞珍等：教育心理学，上海教育出版社1986年版，第84页。

①［美］RobertGlaser：认知科学与教育，国际社会科学，1989年第1期，第11页。

第一节物理问题解决研究的意义为了与一般性的问题解决活动和概念、规律学习阶段的问题解决活动相区别，我们将解决物理问题的活动称之为物理问题解决。

一物理问题解决的内涵广义地，我们可以将思维活动和问题解决活动等同起来，认为“思维即是问题解决”②。

这样，白昼做梦、回忆电话号码和“ 1+1=？”的计算这一些思维活动都可以归结为问题解决活动。

但从物理教学中解决物理问题的研究这一特定内容看，我们所关注、所重视的是具有一定难度的、需要一定程序和方法经过反复思考才能解答和完成解答过程的物理问题，因而我们接受“将问题解决定义为任何受目标指引的认知性操作序列”①这一提法。

一种活动必须满足以下三个标准：它必须是受目标指引的；它必须包含有一系列的操作；这些操作必须具有重要的认知成分，才能称之为问题解决活动。

白昼做梦没有明晰的目标；回忆电话号码虽受目标指引但只是对记忆的一次检索，没有一系列的心理步骤；“1+1=？”的计算虽有明晰的目标和一系列的操作，但它对小学一年级以上的学生只是一次练习，没有包含重要的认知成分。

因而它们都被排除在问题解决活动之外。

据此，我们认为物理问题解决的内涵应是：面临一个具有一定新意的物理问题，力图寻找有关的概念、规律、方法去解决这一问题的一个心理过程。

一些通常意义下的物理问题解答，如“复述牛顿第一运动定律内容”、“已知一物体的m，a，试根据公式F=ma计算该物体所受合外力”等，由于只是记忆检索或没有重要的认知成分，因而不被视为物理问题解决活动。

明确这一界定，对于理解本章所述内容是十分必要的。

二物理问题解决的心理活动模式当学生面临一个需要解答的物理问题时，他们便被置于一种问题情景内。

他们尝试寻找“答案”时的心理活动我们用图8－1表示如下：状态Ⅰ是学生已有的认知结构，它包括学生在已有的物理知识领域内观念的内容和组织，如概念、规律、方法、技巧等。

若问题只是一些较为简单的、缺乏新意的内容，则已有的认知结构能将它完全同化，在不改变原有认知结构的情况下就可以直接使问题得到解决（图8－1中虚线所示路径）；若问题较为复杂，有一定新意，则学生将会发现原有规则不适应，即原有的认知结构不能完全同化新问题，必须重新组织若干已知的规则（概念、规律、方法、技巧等），找出对当前问题适用的形式和内容，这一活动就是顺应。

经过同化和顺应这两种活动之后，达到状态Ⅱ，即形成新的认知结构。

从这一新的认知结构出发，使问题得到解决。

而问题一旦解决，在问题解决中所形成的“高级规则”将得到强化，被贮存下来作为认知结构中的一个组成部分，以后可以用来解决相同类型的其他一些问题，使学生习有所得。

图8－1的心理活动模式启示我们：（1）认知结构对物理问题解决有着十分重要的作用。

问题解决是从已有的认知结构开始的，原先习得的简单规则，如概念、规律、方法、技巧等，是问题解决中思维的素材，如果缺少这些素材，学生的认知结构完全不能同化其问题，则也没有调整、改造其原有认知结构的必要和可能，认知也无从发展。

所以必要的知识、方法的学习是问题解决的前提，离开必要的知识、方法的积累和掌握去谈培养学生解决问题的能力，只能是“空中楼阁”。

（2）同化只引起量的变化，不能引起认知结构质的变化。

学生只是同化他的经验于现存的认知结构中，不需要调整、改造原有的认知结构，因而智力无从发展，新事物也无从认识。

所以我们在选配例题、习题时，一定要注意启发性，要选择那些能启迪思维、概念性强的问题，不要选或少选那些机械重复的问题；一定要有针对性，要针对不同类型学生的实际状况出题，要使不同学生都能习有所得。

三物理问题解决研究的价值认知心理学家把我们的知识分为陈述性知识和程序性知识两大范畴。

对物理学科来说，所谓陈述性知识指的是物理学的现象、概念、规律及科学方法等。

程序性知识指的是为学习物理知识而进行的观察、实验、想象、分析、推理、综合等思维及思维程序、方法等。

前者是学习的内容，后者既是学习的方法，又是学习的内容。

按认知心理学的观点，程序性知识比陈述性知识更具有概括性和恒定性，具有更广泛的适用性，因此更有价值。

这和古人所说的“授人以鱼，不若授人以渔”，有异曲同工之妙。

程序性知识只能通过一定的过程习得。

从图8－1的心理活动模式可以知道，物理问题解决活动（图中实线所示路径）可以促进物理概念的内化，使技能操作规范、熟练，获得一定的经验和认知策略。

可见，物理问题解决活动是形成程序性知识的重要途径。

陈述性知识和程序性知识的结合，就构成学生分析和解决物理问题的能力。

当前中学物理教学中存在的一个突出问题，是学生在运用知识解决问题这一环节上存在着严重困难，许多教师常采用“题海战术”来试图克服这一困难，这种方法耗费师生大量精力、时间，但对于培养学生分析、解决问题能力却收效甚微，且给物理教学本身留下了许多“致命的隐患”。

研究物理问题解决的意义在于：寻找一条从根本上战胜“题海”，有效培养学生分析问题和解决问题的能力的途径，提供一些有益的建议和意见。

②查有梁：大教育论，四川教育出版社1990年版，第259页。

① [美]J.R.安德森著，杨清、张述祖等译：认知心理学，吉林教育出版社1989年版，第329页。

第二节物理问题解决的思维模式物理问题解决是包含有重要认知成分、一系列操作的心理活动。

它要借助一定的思维模式才能进行。

所谓思维模式是指一种依时间顺序排列的有顺序性、结构性、策略性和规律性的连续系统，它是思维方法和思维内容的统一，思维规律和思维方法的统一。

一个物理问题解决得正确与否，完满与否，在已有足够陈述性知识的前提下，则主要取决于解题过程的思维模式。

一物理问题解决的程序模式问题解决是一种企图达到目标的尝试。

问题解决者的任务就在于要找到某种能达到目标的操作序列①。

通常一个物理问题包含着目标、条件及它们之间的联系这三个要素，物理问题解决的任务就是去寻找条件和目标之间的联系，并利用这种联系去达到目标。

这种联系可能是一个概念、一个规律，也可能是一个几何关系，或者是一系列的规律、公式、关系的组合。

怎样去寻找？这种寻找应沿着什么方向进行呢？《牛顿力学的横向研究》一书中所提出的人类问题解决的一般程序②给了我们很大的启发，结合物理学科特点，我们认为物理问题解决应遵循如图8－2所示的程序：面对一个物理问题，解答者总是在他们已有和能够达到的认知状态中，猜测或搜索出一些概念、规律和方法，尝试在问题的目标和条件之间寻找联系。

一旦确定某一或某些概念、规律和方法可能建立起这种联系时，便将其应用于求解这个给定的问题，从而得到一个结果。

然后将这一结果反馈检验，若结果是肯定的，则问题解决；若结果是否定的，则进行矫正，即修改或重新猜测，搜索出新的概念、规律和方法，再次去求解……这种循环往复，利用“猜测—试错”最终使问题解决的思维程序，就是物理问题解决（实际上也适用于其他问题解决）的基本模式。

二物理问题解决的行动模式我们可以将解题的认知过程视为三个状态：解题者所处的最初情境（条件和对条件的认识），称为初始状态；达到目标过程中所处的情境（寻求联系的种种认识），称为中继状态；达到目标时的情境（建立新的认知结构），称为目标状态。

从初始状态开始，存在着多种途径、方法和选择。

例如，面对一个力学问题，就存在静力学、运动学还是动力学问题的认识和选择；若一旦确定是动力学问题，又存在着是使用牛顿第二定律或动量定理或动能定理来解决问题的认识和选择；若一旦确定使用动量定理，又存在着是否守恒的认识和选择……解题者一旦作出某种选择，就改变了原有状态，处于一种新的状态。

可见，在初始状态和目标状态之间，存在着许多的中继状态，解题者所能达到的所有中继状态构成了一个问题空间。

物理问题解决的过程实质上就是对物理问题空间的搜索过程。

怎样的搜索更为有效？有哪些指导搜索的方式呢？从问题解决的基本模式可以演绎出两种搜索问题空间的主要方式，我们因其对搜索行动具有指导意义而称之为行动模式。

1.尝试错误式尝试错误式是由进行无定向的尝试，重复无效动作，纠正暂时性尝试错误，直至出现解决问题得以成功的动作等，一系列反应所组成的。

在没有或辨不清意义联系形式的问题的场合，尝试错误式是不可避免的。

例如在解决一些光学黑盒和电学黑盒问题时就常用这种方式。

例1 如图8－3所示。

黑盒内装有一个电源和几个阻值相同的电阻连成的电路。

盒外有从电路引出的四个接线柱，用理想的电压表测得各接线柱之间的电压为U12=5V，U24=0V，U34=3V，U13=2V。

试画出盒内电阻的结构，要求所用电阻个数最少。

本题的解答即需要用尝试错误的方式，去确定电阻个数和组合形式①。

所得最后结果如图8－4示。

2.顿悟式和尝试错误式的一系列刺激—反应形成联结的解题方式相比，顿悟式解决问题则具有一定的“心向”。

它致力于发现手段与目标之间的有意义的联系，而这种联系正是问题赖以解决的基础。

顿悟式解决问题就其特征来说，好像是突然出现的。

阿基米德在入浴时，由于浴缸的水外溢，而顿悟孕育已久的解决测定王冠含金量问题，就是一个典型的例子。

对于许多繁难的物理问题，从初态通向目标状态的途径十分隐蔽，而且在中途还会出现许多岔道。