物理問(wèn)題解決策略及教學(xué)策略探討

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［摘要］問(wèn)題解決是一種復(fù)雜的學(xué)習(xí)活動(dòng)，是學(xué)生獲取知識(shí)的主要途徑。文章依據(jù)認(rèn)知心理學(xué)理論，將物理問(wèn)題解決過(guò)程分為四個(gè)階段，即問(wèn)題表征、策略選擇、應(yīng)用求解、檢驗(yàn)與反思，然后選取綜合性問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)分析，提出了促進(jìn)物理問(wèn)題解決的具體教學(xué)策略。

［關(guān)鍵詞］大學(xué)物理；問(wèn)題解決；問(wèn)題解決策略；教學(xué)策略

一、引言

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，問(wèn)題解決被廣泛和深入研究，成為了認(rèn)知心理學(xué)家重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。認(rèn)知心理學(xué)家根據(jù)信息加工理論，把人看作是主動(dòng)的信息加工者，探討了有關(guān)問(wèn)題解決各個(gè)方面的內(nèi)容。其中，問(wèn)題解決策略的研究是關(guān)注的焦點(diǎn)之一。問(wèn)題解決是指一系列有目的、有指向性的認(rèn)知操作活動(dòng)過(guò)程[1]。從該定義可看出：1.問(wèn)題解決具有目標(biāo)指向性，需要達(dá)到某個(gè)特定的目標(biāo)狀態(tài)；2.問(wèn)題解決包含一系列操作；3.問(wèn)題解決必須進(jìn)行認(rèn)知操作。問(wèn)題解決策略一般是指為了填補(bǔ)問(wèn)題的空隙，選擇、組織、改變或操作背景命題的一系列規(guī)則[2]。簡(jiǎn)而言之，它是指解決問(wèn)題的一般途徑與方法。問(wèn)題解決的策略是屬于通用的學(xué)習(xí)策略和學(xué)科解題實(shí)踐的結(jié)合。解決問(wèn)題時(shí)采取何種策略，取決于問(wèn)題的內(nèi)容、性質(zhì)和個(gè)體的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。好的策略能降低任意嘗試的次數(shù)、減少解決問(wèn)題的時(shí)間和提升解答問(wèn)題的效率。因此，對(duì)于問(wèn)題解決者來(lái)說(shuō)，學(xué)會(huì)問(wèn)題解決策略并熟練運(yùn)用，是十分重要的。物理問(wèn)題產(chǎn)生于物理學(xué)習(xí)過(guò)程，解決物理問(wèn)題是學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵所在。大學(xué)物理是理工科各專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，其學(xué)科特點(diǎn)是以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題為根本目的。物理問(wèn)題解決是學(xué)生能否學(xué)好物理的關(guān)鍵。

二、物理問(wèn)題解決過(guò)程的一般模式

物理問(wèn)題解決過(guò)程是信息加工過(guò)程，這些信息來(lái)源于問(wèn)題本身和大腦的長(zhǎng)時(shí)記憶。前者是指通過(guò)讀題、審題獲取的信息，主要是問(wèn)題的條件、目標(biāo)等方面；后者主要包含相關(guān)的物理概念、規(guī)律、方法和物理問(wèn)題結(jié)構(gòu)等。物理問(wèn)題解決過(guò)程既是對(duì)問(wèn)題的信息進(jìn)行處理以達(dá)到問(wèn)題目標(biāo)狀態(tài)的過(guò)程，也是問(wèn)題信息與問(wèn)題解決者大腦中的認(rèn)知結(jié)構(gòu)相互作用的過(guò)程。物理問(wèn)題解決過(guò)程可分為四個(gè)階段：?jiǎn)栴}表征，策略選擇，應(yīng)用求解，檢驗(yàn)與反思。

（一）問(wèn)題表征問(wèn)題表征是指學(xué)習(xí)者根據(jù)問(wèn)題信息和自身的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建問(wèn)題空間的過(guò)程[3]。表征問(wèn)題是解決問(wèn)題的首要環(huán)節(jié)，是解決問(wèn)題的關(guān)鍵[4]。這是因?yàn)閱?wèn)題在難度上的差異來(lái)源于兩個(gè)方面：一是問(wèn)題自身的結(jié)構(gòu)；二是問(wèn)題解決者表征問(wèn)題方式的不同。因此，問(wèn)題解決的必要前提是進(jìn)行正確的表征，否則問(wèn)題解決活動(dòng)無(wú)法順利進(jìn)行。KintschW等認(rèn)為[5]，問(wèn)題解決者能否正確表征主要是取決于是否具備相應(yīng)的問(wèn)題圖式。圖式的水平?jīng)Q定表征的程度、影響表征的質(zhì)量。圖式理論認(rèn)為人腦中存儲(chǔ)的知識(shí)都能分成單元、形成組塊、組成系統(tǒng)，這些單元、組塊與系統(tǒng)就是圖式。在物理問(wèn)題解決過(guò)程中，許多學(xué)生常出現(xiàn)“聽(tīng)得懂、看得會(huì)、做不對(duì)”的情況，這主要是因?yàn)閷W(xué)生具有的知識(shí)較為零亂，還未形成物理問(wèn)題解決的圖式。每個(gè)具體的問(wèn)題解決是形成圖式的基礎(chǔ)，由于同一類(lèi)問(wèn)題具有不同的變式，所以當(dāng)問(wèn)題解決者多次解決不同變式的同類(lèi)問(wèn)題后，大腦中這一類(lèi)問(wèn)題的解決就會(huì)演化成代表一類(lèi)問(wèn)題的圖式。當(dāng)問(wèn)題解決者對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行表征時(shí)，會(huì)從大腦中提取出與之相同或相似的圖式；若遇到的是難度較大的問(wèn)題，在對(duì)問(wèn)題表征時(shí)則需要靈活整合現(xiàn)有的問(wèn)題圖式，甚至是嘗試建立這類(lèi)問(wèn)題的新圖式。在專(zhuān)家的圖式中，知識(shí)單元間高度聯(lián)結(jié)，包含學(xué)科領(lǐng)域的陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)。當(dāng)圖式激活后，能迅速對(duì)問(wèn)題進(jìn)行正確地表征，表現(xiàn)出問(wèn)題解決的知識(shí)優(yōu)勢(shì)。而初學(xué)者的圖式中知識(shí)單元聯(lián)結(jié)松散，學(xué)科領(lǐng)域的陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)較少，一般只能對(duì)問(wèn)題表面進(jìn)行簡(jiǎn)單的表征，較難形成正確的問(wèn)題表征?？梢?jiàn)，問(wèn)題表征對(duì)于問(wèn)題解決來(lái)說(shuō)具有不可替代的作用，問(wèn)題解決者應(yīng)采取合理的方式表征問(wèn)題，形成一個(gè)良好的問(wèn)題空間，全面認(rèn)識(shí)問(wèn)題的初始狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)。

（二）策略選擇表征影響策略的選擇，圖式影響表征的質(zhì)量。問(wèn)題解決者應(yīng)根據(jù)圖式選擇合理的策略加以運(yùn)用，這是從問(wèn)題發(fā)生的起始點(diǎn)向終點(diǎn)過(guò)渡的中間狀態(tài)，問(wèn)題解決的一般策略有以下幾方面。1.順向推理策略：順向推理是從最上位的知識(shí)點(diǎn)開(kāi)始，將問(wèn)題表征為概括性較高的物理知識(shí)范疇中的問(wèn)題，然后根據(jù)問(wèn)題中呈現(xiàn)的情境，選擇符合問(wèn)題要求的下位知識(shí)[6]。其解題過(guò)程是從一般到具體的邏輯過(guò)程，是問(wèn)題情境和各知識(shí)的產(chǎn)生式條件進(jìn)行匹配、識(shí)別的過(guò)程。2.逆向推理策略：逆向推理是從問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)出發(fā)，激活與其相關(guān)的物理知識(shí)，將這些知識(shí)作為各種可能的解決思路保留在記憶中，對(duì)多個(gè)可能的假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)和選擇[6]。這是一種從未知條件出發(fā)，經(jīng)若干次假設(shè)，逐步拓展到問(wèn)題的已知條件，最終得出結(jié)果的過(guò)程。根據(jù)有關(guān)專(zhuān)家和新手解決問(wèn)題的研究得知：新手一般是采用逆向推理策略解決問(wèn)題，從問(wèn)題的未知條件出發(fā)，試圖從自身熟悉的內(nèi)容或想用的解決方法開(kāi)始，去推算如何得到問(wèn)題的結(jié)果。專(zhuān)家則能夠認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的深層結(jié)構(gòu)，一般采用順向推理策略。這是因?yàn)楫?dāng)采用順向推理策略解決問(wèn)題時(shí)，問(wèn)題解決者的大腦中需要擁有更多的知識(shí)儲(chǔ)備、解題經(jīng)驗(yàn)或圖式，一般新手通常缺乏這些條件，所以一般會(huì)采用逆向推理策略來(lái)解決問(wèn)題。但是，采用逆向推理策略時(shí)要建立許多目標(biāo)與子目標(biāo)，同時(shí)在推理的過(guò)程中還需記住它們，這將會(huì)給問(wèn)題解決者的工作記憶帶來(lái)更大的壓力。關(guān)于問(wèn)題解決策略的研究一般認(rèn)為，建立在問(wèn)題表征上的順向推理更為有效，這樣可以充分利用問(wèn)題的已知條件，從整體上把握問(wèn)題狀態(tài)與解決方案。若是從問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)提出假設(shè)，進(jìn)行逆向推理，即從假設(shè)出發(fā)尋求支持的初始條件，如果假設(shè)未得到給定條件信息的支持，就需要提出新的假設(shè)，所以這是一種低效的假設(shè)檢驗(yàn)策略。當(dāng)然也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)問(wèn)題解決能力水平高的被試（即專(zhuān)家）在遇到新穎問(wèn)題時(shí)，由于先前沒(méi)有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)作為問(wèn)題圖式，他們也會(huì)采用逆向推理策略，或者將這兩種策略結(jié)合起來(lái)使用。3.類(lèi)比遷移策略：類(lèi)比遷移是一種通過(guò)提取人腦已有知識(shí)結(jié)構(gòu)中的有效信息去解決新問(wèn)題的方法。運(yùn)用該策略的關(guān)鍵在于待解決問(wèn)題與原有知識(shí)之間有相似或可類(lèi)比之處。

（三）應(yīng)用求解當(dāng)明確物理問(wèn)題涉及的情景與解決方向后，問(wèn)題解決者就要采用相關(guān)的解題資源來(lái)構(gòu)建解題步驟，如運(yùn)用已知條件、相關(guān)的理論與規(guī)律，畫(huà)出示意圖，建立方程式，利用數(shù)學(xué)作為工具來(lái)進(jìn)行分析、推理和論證等。總的來(lái)說(shuō)，問(wèn)題解決者需要簡(jiǎn)潔明了地表達(dá)出應(yīng)用過(guò)程與結(jié)果。

（四）檢驗(yàn)與反思問(wèn)題解決的最后一步是檢驗(yàn)與反思。檢驗(yàn)通常是指當(dāng)執(zhí)行解決方案并得出結(jié)果后，運(yùn)用合理的策略對(duì)解題思路、過(guò)程、方法、結(jié)果的正確性進(jìn)行判斷的過(guò)程。得出結(jié)果后不僅要檢驗(yàn)其正確性，同時(shí)也要反思問(wèn)題的結(jié)構(gòu)與解題過(guò)程。這是一種類(lèi)似于反饋的自我反思的高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)，有助于鞏固所學(xué)的知識(shí)，促進(jìn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重組與構(gòu)建，形成問(wèn)題解決的程序性圖式，對(duì)于提高問(wèn)題解決者解決問(wèn)題的能力非常重要。

三、基于物理問(wèn)題解決模式的實(shí)踐案例

大學(xué)物理課程主要包含力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、狹義相對(duì)論及量子物理基礎(chǔ)等內(nèi)容。大學(xué)物理問(wèn)題可分為四種類(lèi)型。1.基礎(chǔ)性問(wèn)題：這類(lèi)問(wèn)題考查的是課程基本概念、理論、物理公式的理解與應(yīng)用。2.靈活運(yùn)用問(wèn)題：這類(lèi)問(wèn)題通?？疾榻忸}者的邏輯思維和分析能力，需要靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)以及相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)和物理方法。3.綜合性問(wèn)題：這類(lèi)問(wèn)題物理過(guò)程較復(fù)雜，屬于多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用，需具備較強(qiáng)的分析綜合能力，其中一些問(wèn)題的已知條件要多于求解所需。4.探究性問(wèn)題：這類(lèi)問(wèn)題難度較大，需要對(duì)知識(shí)有更高層次的理解，問(wèn)題形式靈活多樣。對(duì)于大學(xué)物理課程而言，綜合性問(wèn)題的考查面最廣，問(wèn)題數(shù)量和所占比例最高，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)問(wèn)題難度最合適，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的分析綜合能力。為此筆者選取這種類(lèi)型的問(wèn)題來(lái)進(jìn)行教學(xué)分析。教學(xué)問(wèn)題：如圖1所示，銅線橫截面積為S，其中OA、DO＇兩段保持水平不動(dòng)，ABCD段是邊長(zhǎng)為a的正方形的三邊，它可繞OO＇軸無(wú)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)導(dǎo)線放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，B的方向豎直向上。已知銅的密度為ρ，當(dāng)銅線中電流為I時(shí)，導(dǎo)線處于平衡狀態(tài)，AB段、CD段與豎直方向的夾角為α，求OO＇軸所受力的大小。針對(duì)這道題，首先從整體上把握它的起始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行正確的表征。根據(jù)“線框可繞OO＇軸無(wú)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)”和“當(dāng)銅線中電流為I時(shí)，導(dǎo)線處于平衡狀態(tài)”這兩處信息可分析出問(wèn)題的關(guān)鍵特征。線框可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，涉及力矩；導(dǎo)線達(dá)到平衡狀態(tài)，意味著線框所受的合力與合力矩都為零，線框受3個(gè)力（重力、磁力、軸上的支撐力），軸上的力對(duì)軸本身無(wú)力矩，故重力矩和磁力矩必然大小相等、方向相反。其次利用順向推理策略，分析已知條件與目標(biāo)變量之間的關(guān)系。本題需分別求出重力矩、磁力矩的大小，進(jìn)而求得磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，這樣才能得到軸線所受力的大小。然后，根據(jù)已知條件、力與力矩的相關(guān)理論，畫(huà)出示意圖并建立相應(yīng)的方程式，求得結(jié)果。應(yīng)用求解過(guò)程如下所示：據(jù)圖2可知，軸線OO＇水平方向受的力與磁力FBC大小相等、方向相反；豎直方向受的力與ABCD段受到的重力大小相等、方向相反。最后，需要對(duì)整個(gè)解答過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)和反思。檢查求出的結(jié)果是否為軸線所受力的大小，力與力矩的求解公式是否正確，最終結(jié)果是否均為已知量。而且還可通過(guò)前文中提到的另一種方法求出磁力矩的大小，比較所得結(jié)果是否相同。另外，需要對(duì)問(wèn)題的結(jié)構(gòu)進(jìn)行反思，思考能否將問(wèn)題結(jié)構(gòu)進(jìn)行變換并求解。例如，將軸線所受力的大小作為已知條件，夾角α作為未知條件，組成一個(gè)新問(wèn)題。

四、物理問(wèn)題解決中的教學(xué)策略問(wèn)題解決

在教學(xué)中的運(yùn)用，與建構(gòu)主義理論有很大聯(lián)系。該理論強(qiáng)調(diào)認(rèn)知個(gè)體在認(rèn)知過(guò)程中的主體性、建構(gòu)性，與其相適應(yīng)的教學(xué)模式是以學(xué)習(xí)者為中心，可見(jiàn)，以問(wèn)題為中心的教學(xué)最能實(shí)現(xiàn)這個(gè)理念。在問(wèn)題解決過(guò)程中，學(xué)生作為質(zhì)疑者、探究者等角色，分析、解決問(wèn)題和建構(gòu)知識(shí)，提高自身的問(wèn)題解決能力。大學(xué)物理應(yīng)該重視問(wèn)題解決教學(xué)，采用合適的教學(xué)策略。1.促進(jìn)學(xué)生物理知識(shí)的積累。物理知識(shí)基礎(chǔ)是影響學(xué)生物理問(wèn)題表征能力最顯著的因素。基本概念掌握得牢固，就容易被問(wèn)題的情境信息激活，實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的正確表征。2.促進(jìn)學(xué)生知識(shí)整合和知識(shí)重構(gòu)能力。根據(jù)廖元錫的研究[4]，優(yōu)生與差生具有的知識(shí)形態(tài)不一樣，優(yōu)生的知識(shí)具有簡(jiǎn)約性、結(jié)構(gòu)性，而差生的知識(shí)一般較為零散。因此，需要教導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識(shí)的策略與方法，幫助學(xué)生形成層級(jí)化的知識(shí)結(jié)構(gòu)，只有學(xué)生自己建構(gòu)起來(lái)的知識(shí)結(jié)構(gòu)才是最有結(jié)構(gòu)性、可激活性的。另外，在教學(xué)中，物理知識(shí)的學(xué)習(xí)要和問(wèn)題解決的實(shí)際情境結(jié)合起來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生建立豐富的物理問(wèn)題解決圖式，幫助學(xué)生掌握知識(shí)精細(xì)加工的方法，促進(jìn)知識(shí)整合。3.加強(qiáng)原始物理問(wèn)題教學(xué)。原始物理問(wèn)題是指自然界與社會(huì)中客觀存在的，能夠反映物理概念、規(guī)律等，且未被加工的典型物理現(xiàn)象與物理事實(shí)[7]。原始物理問(wèn)題的已知條件，通常是隱藏在真實(shí)的物理現(xiàn)象中，學(xué)生需要對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析、概括，建立對(duì)應(yīng)的理想物理模型，從而得出結(jié)論。通過(guò)一定量的原始物理問(wèn)題訓(xùn)練，不但能有效地學(xué)習(xí)物理知識(shí)、訓(xùn)練物理技能，還可以提高學(xué)生的解題能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，更重要的是能夠有效地破除“題海戰(zhàn)術(shù)”現(xiàn)象，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)物理學(xué)。4.培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的元認(rèn)知能力。元認(rèn)知是指?jìng)€(gè)體所具有的關(guān)于自己思維活動(dòng)與學(xué)習(xí)活動(dòng)的知識(shí)及其實(shí)施的控制，是任何調(diào)節(jié)認(rèn)知過(guò)程的認(rèn)知活動(dòng)[8]。元認(rèn)知在物理問(wèn)題解決中的作用主要表現(xiàn)在能修正物理問(wèn)題解決的目標(biāo)、能激活和改變物理問(wèn)題解決的策略、能強(qiáng)化問(wèn)題解決者在物理問(wèn)題解決中的主體意識(shí)。在當(dāng)前大學(xué)物理教學(xué)中存在著重結(jié)果、輕過(guò)程的現(xiàn)象，為解決學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行元認(rèn)知能力培養(yǎng)。為此，在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.對(duì)學(xué)生進(jìn)行目標(biāo)激勵(lì)和目標(biāo)強(qiáng)化；2.為學(xué)生創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，加強(qiáng)思路教學(xué)，活化問(wèn)題解決的思維活動(dòng)；3.構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化；4.注重物理問(wèn)題教學(xué)中的及時(shí)反饋?？偟膩?lái)說(shuō)，問(wèn)題解決是一種復(fù)雜的學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生物理問(wèn)題解決能力的提高非一朝一夕所能實(shí)現(xiàn)的。在今后的大學(xué)物理學(xué)習(xí)中需要師生共同努力，逐步提高學(xué)生解決物理問(wèn)題的能力。

作者：童宇軒 陳曙光 田澤安 鄧輝球 蔡孟秋 單位：湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院