研究复习参考高中物理开放问题教学的初步

改革开放的三十多年，我国经济得到了巨大的发展，已经从依赖资源、廉价劳动力的时代进入知识经济时代。知识经济条件下，创新将成为经济增长的根本所在。何以创新？人力资源管理成为关键。公司若要在竞争的社会中立于不败之地，必须把人才资源放在第一位，只有有效、合理、科

高中物理开放问题教学的初步研究

南京师范大学物理科学技术学院99级教育硕士 何善亮

前 言

本论文试图通过对物理开放问题结构形式和特点的研究，就如何结合物理教学内容编选物理开放问题、物理开放问题解决策略和如何开展物理开放问题教学等内容进行较为系统和深入的探讨，并试图对当前物理问题解决教学提出一些参考性意见。

0.1选题的缘由和目前研究的现状

问题解决（problem solving）亦称解决问题，它是陈述性知识、智力（慧）技能和认知策略

等三类知识的综合应用。作为一个心理学术语，它是指“当个人在面对问题情境而没有现成的方法可以利用时，指向于将已知情境转化为目标情境的认知过程①。”

高中物理问题解决教学主要研究物理学科教学中的问题解决。在传统物理教学中，传授知识是物理教学的中心任务，教材的习题通常具有“完备的条件”和“固定的答案”，这种习题我们称为封闭性问题（从问题状态的清晰程度而言是“定义完善的问题”）。然而在现实生活中，人们遇到的许多重要问题大多是“定义不良的问题”：它没有一个明确说明的既定状态（条件不完备），或者没有一个明确的但希望达到的目标状态（答案不固定），甚至也没有普遍赞同的解决问题的策略和运算子（推理过程、问题解决方法）。因此，为提高学生的现实适应能力和创新能力，在物理问题解决教学中加强物理开放问题教学就显得十分必要。

然而，在目前物理教学实际中，由于应试教育的导向作用，“题海战术”屡批屡用，其中大量的封闭性问题在训练学生的形式运演思维能力上存在着明显不足；而对物理开放问题的研究又相对欠缺，已有的研究也大多停留在某一具体问题和某一特定教育价值上，缺乏一定的系统性。在这一背景下，本论文试图在物理开放问题教学研究方面进行初步的探索和尝试，同时也对一般物理问题解决教学（习题教学）的有关问题进行深入分析和思考。

0.2本文主要探讨的问题及论文结构

在某种程度或某种意义上，物理开放问题教学是物理封闭问题教学的进一步发展，也是一般 ① 皮连生：《智育心理学》，人民教育出版社，1996年4月第1版，p.204。

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问题解决的心理学理论与物理学科的专业知识相互结合或综合的必然结果。这一事实引导我们产生这一观念：传统的物理问题解决教学的实践经验和一般的问题解决心理学的研究成果对物理开放问题解决以及物理开放问题教学都具有十分重要的意义。基于对物理开放问题教学的这一认识，本课题试图在物理开放问题的一般理论、物理开放问题解决的有效策略、物理开放问题教学的实验尝试等三个方面对物理开放问题教学展开深入探讨，并期望能总结出一些有益的经验。

本论文总体上分为三个部分：物理开放问题的理论研究（第一章）、物理开放问题解决的策略研究（第二章）和物理开放问题教学的实验研究（第三章）。对物理开放问题教学实验中尚存在的问题，在论文的第四章进行了反思和简单小结。

本课题在以下一些方面取得了初步的研究成果： ① 物理开放问题的理论研究方面

根据物理问题的自身特点着重讨论和总结了物理开放问题的结构形式，并按照问题的结构将物理开放问题细分为情境开放问题、条件开放问题、策略开放问题、结论开放问题和综合开放问题等五个类型；然后讨论了物理开放问题的编选原则与方法，并给出了具体的编写示例。

② 物理开放问题解决的有效策略方面

首先通过一般问题解决过程和一般问题解决策略心理学理论的学习和研究，重点探讨了物理学科问题的解决过程和学科专门解决策略，从而对物理学科问题的解决过程和解决方法有一个整体的把握。在对物理问题解决的内在心理机制深入分析的基础上，提出了提高学生解决物理开放问题能力的五项教学指导策略：培养学生解决问题积极性——增强动机、坚定信心；完善学生认知结构——为双向推理找到思路；教给学生问题解决策略——掌握、熟练到迁移；促进学生形成问题图式——为搜索联想准备素材；提高学生元认知水平——旨在自发地生成策略。

③ 物理开放问题教学的实验探索方面

在明确提出物理开放问题教学目标和教学原则的基础上，着力构建了以学生主动建构为特征的物理问题解决课堂教学模式。接着，给出了三个具体的物理开放问题的教学案例：在开放情境中建构“黑洞”意义；基于人体的问题建构；电学实验设计策略和结果的开放等。最后，提出了物理开放问题教学的评价应当注意的几个问题。

本课题研究所取得的上述初步成果，对高中物理开放问题教学和物理问题解决的教学理论研究具有一定的参考价值。

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第一章 物理开放问题的理论研究

作为物理学科问题的一部分，物理开放问题虽然具有其学科专业性的特点，但与心理学所论及的一般性问题存在着必然联系；物理开放问题解决与心理学理论所研究的一般性问题解决也有许多相通之处。为有效开展物理开放问题教学，本章从现代认知心理学关于问题及问题解决的有关研究入手，着重分析物理开放问题的结构形式和基本特点，并就物理开放问题的编选原则与编选方法进行了初步探讨。

1.1有关概念的界定

1.1.1问题及其基本成分

在直觉的水平上，每个人都知道什么是问题。我们大家都经常需要解决问题。在现实生活中，问题是多种多样的，内容和形式也千差万别；但一般来说，当人们面临一项任务而又没有直接手段去完成时，于是就有了问题。而一旦找到了完成任务的手段和方法，问题就可以得到解决。

“问题”的英文是problem，也可译成“难题”。尽管问题是多种多样的，心理学家们对问题的表述也不尽相同，但是多数心理学家都认为，所有的问题都含有三个基本成分：①给定——一组已知的关于问题条件的描述，即问题的起始状态；②目标——关于构成问题结论的描述，即问题要求的答案或目标状态；③障碍——正确的解决方法不是直接显而易见的，必须间接地通过一定的思维活动才能找到答案，达到目标状态。任何一个真正的“问题”都是由这三个成分组成的，它们有机地结合在一起。问题的条件和目标之间存在着内在的联系，但是把握这种联系、由起始状态达到目标状态都不是简单地通过知觉或回忆而能实现的，其间存在着障碍，需要进行思维活动。因此也可以把问题定义为：“给定信息和目标之间有某些障碍需要被克服的刺激情境。”

②

①

1.1.2问题解决

“问题解决”的英文是problem solving，也称“解决问题”。可以定义为：“当个人在面对问题情境而没有现成的方法可以利用时，指向于将已知情境转化为目标情境的认知过程。”其中原有知识经验和当前问题的组成成分必须重新改组、转换和联合，才能达到既定目标。这一定义包含四个要点：①问题解决是以目标定向的，旨在求得问题的答案，因此无目标的幻想不是解决问题；②问题解决是在头脑内或认知系统内进行的，只能通过解题者的行为才能间接推测它的存在，如用绳子打结，虽是有目的的，且有一系列操作，但不是解决问题，而是动作技能；③解决问题的活动包括一系列心理运算，也就是问题解决者要操作自己已有的知识，即对自己内部的符号表征进行认知的运思（operation），因此，像回忆一个朋友的电话号码这样的简易活动不是解决问题；④问题解决是个人化的，如“8+5=？”对成人不构成问题，但对学前儿童构成问题，所以一个情境是否构成问题，总是相对于个人的原有知识和技能而言的。 ① 王 甦 汪安圣：《认知心理学》，北京大学出版社，1992年4月第1版，p.277。 ② 邵瑞珍：《教育心理学》，上海教育出版社，1997年6月第1版，p.126。

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问题解决是一种重要的思维活动，它在人们的实际生活中占有特殊的地位，与概念形成和推理思维活动相比，问题解决显得更为开阔，甚至可以将它看作思维活动的一个最普遍的形式。问题解决早就得到心理学的重视和研究，人们就问题解决曾经提出过不同的学说，其中影响较大的有联想理论和格式塔理论。在20世纪50年代认知心理学兴起以后，问题解决的研究出现了转折，认知心理学将人看作主动的信息加工者，为问题解决的研究开拓了新的方向。 1.1.3问题空间

现代信息加工心理学家区分了问题的客观方面和主观方面。问题的客观方面称课题范围(task domain，也译“任务领域”)，指课题的客观陈述。问题的主观方面是指解题者对问题客观陈述(任务领域)的理解，称问题空间（problem space）。问题空间由三个部分组成：①任务的起始状态，即任务的给定条件；②任务的目标状态，即任务最终要达到的目标；③任务的中间状态，即任务从起始状态向目标状态转化的若干可能途径。每一解答途径又由若干步骤构成，并把这种使问题从起始状态向目标状态转化的操作称为算子(operator)。所以，问题空间是由问题的起始状态、目标状态和一些算子构成的。人们在解决问题的过程中，将任务领域转化为人的问题空间就实现了对问题的表征和理解，而问题解决就是应用各种算子来改变问题的起始状态，使之转变为目标状态，换句话说，就是对问题空间的搜索，以找到一条从问题的起始状态达到目标状态的通路。因此，认知心理学从信息加工观点出发，将问题解决看作是一种以目标定向的搜索问题空间的认知过程。这种看法是Newell，Shaw和Simon(1958)最早提出的，并成为认知心理学关于问题解决的主导看法。

现代信息加工心理学认真分析了问题解决者对问题客观陈述的理解，根据个人的问题空间在问题的起始状态、目标状态和从起始状态到目标状态的途径上的知识差异，可以把问题空间分成如图1——1所示的四种类型。

②

①

目标 目标

A 起点 目标 ？ ？ ？ ？ B 起点 目目目C 起点 D 起点 图1——1 四种不同类型的问题空间 ① 王 甦 汪安圣：《认知心理学》，北京大学出版社，1992年4月第1版，p.281。 ② 邵瑞珍：《教育心理学》，上海教育出版社，1997年6月第1版，p.127。

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如图1——1中，A图表示问题空间起始状态和目标状态明确，而且达到的两条途径都是相同的。B图表示问题空间起点和目标状态明确，但有两条不同效率的达到目标的途径。C图表示问题空间的起始状态和目标状态明确，但不知如何达到目标。这是人们遇到新颖性问题时常有的问题空间状态。D图表示问题空间只有起始状态是明确的，目标和达到目标的途径或方法都不明确。 1.1.4封闭性问题与开放性问题

现实生活中的问题是各种各样的，想把问题做详细的分类研究，目前还不可能。现在人们公认的是把问题分为两大类：一类属于有固定答案的问题，另一类属于未定答案的问题。属于有固定答案的问题很多，学校中用于教材的各种知识几乎都属于这类；未定答案一类问题在学校教材中虽然不多，但在生活中和社会实践中却处处皆是，而且对人类创造性思维来说则更为重要，此类问题可能根本没有答案，可能有很多答案，也可能有答案但尚未肯定。例如，大家都认为儿童的食物营养与其身心发展有密切的关系。但如打破沙锅问到底，究竟应该吃些什么食物会最有利于儿童智力的发展呢？这个问题不是没有答案，而且有很多可能的答案，但没有唯一肯定的答案。

现代信息加工心理学对问题空间的分析使我们对问题分类有了更全面的认识。根据问题的起点、目标和容许操作(运算)的清晰度不同，人们又把问题分为定义明确的问题(well-defined problem) 和定义不明确的问题(ill-defined problem)。前者是指问题的三个成分都明确的问题，也称常规性问题(routine problem)；后者是指问题的三个成分有部分不明确的问题，也称非常规性问题。

结构良好问题(well-structured problem)和结构不良问题(ill-structured problem)是研究问题时的又一种分类方法。在传统教育中，学生所解决的大多是结构良好问题（即相当于有固定答案问题），它可以通过特定的步骤获得问题的确切答案；然而，在现实情境中，结构不良问题却普遍存在着，人们所面临的绝大多数问题则为结构不良问题（即相当于未定答案的问题），它没有确定的问题解决途径，甚至问题的起点、问题的终点（目标状态）也不明确。事实上，在所有领域，只要将知识运用到具体情境中去，它所产生的问题就带有大量的结构不良特征。

从本质上看，把问题分为封闭性问题与开放性问题，也是人们对问题空间进行深刻分析的结果。事实上，封闭性问题与有固定答案问题、结构良好问题、定义明确问题几乎等价；而开放性问题则与未定答案问题、结构不良问题、定义不明确问题有相同或相近的内涵。

③

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1.2物理封闭性问题的作用和不足

开放性问题是相对于传统封闭性问题而言的。传统物理教学以传授知识为中心，教材配备的习题通常有“完备的条件”和“固定的答案”，物理问题的情景十分理想，解决问题的策略程序化。 ① 叶奕乾、何存道、梁宁建：《普通心理学》，华东师范大学出版社，1997年8月第1版，p.293。 ② 高 文：《一般的问题解决模式》，《外国教育资料》，1999年第6期，p.20。

③ 陈 琦 刘儒德：《当代教育心理学》，北京师范大学出版社，1997年第1版，pp.101——105。

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我们称这类习题为封闭性问题。

封闭性问题要求学生由已知条件出发，通过有严格限制的推理，得出某些固定的答案。若是在解决问题的过程中发现某些条件多余而用不着，那是不可想象的。封闭性问题条件完备、答案固定，练习的针对性强，可以在不同的情境下重复同一种推理，定向地巩固学生的推理技能，使问题解决的技能更完善；同时也便于检查学生掌握知识的情况，这是封闭性问题的长处。然而，从相反的视角来看，封闭性问题的优点亦正是它自身的不足。作为科学教育重要组成部分的物理学科教育，不仅要培养学生从具体的或观察所及的事物通过经验归纳获取知识的能力,而且要发展学生从概念、规律经假设而演绎新的知识，进而判断、评价和发展学生的创新能力，在这一方面，封闭性问题存在着明显的局限。

与封闭性问题相反，物理开放问题没有“完备的条件”和“固定的答案”。正由于没有固定的答案，问题解决的策略也不是唯一的——问题答案的开放是第一步；接着是问题解决策略的开放，即多样性；最后是问题本身的开放，一个问题可以变化出许多新的问题。随着人们对物理开放问题在测试学生能力水平，特别是测试学生学会学习能力和创造能力水平中重要作用的认识的不断发展，物理开放问题开始进入物理高考试卷。例如下面[例1.2.1]则是1999年全国高考物理试题中的一个选择题，它与传统习题相比表现出很大的不同。

a2b2c[例1.2.1]地球同步卫星到地心的距离r可由r?求出。已知式中a的单位为m，b的24?3单位是s，c的单位是m/s2。则：

①、a是地球半径，b是地球自转的周期，c是地球表面处的重力加速度； ②、a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是同步卫星的加速度； ③、a是赤道周长，b是地球自转的周期，c是同步卫星的加速度；

④、a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是地球表面处的重力加速度。 随着高校招生制度的改革，人们对学生的综合实践能力要求也愈来愈高，这一要求也反映在综合考试“3+x”的试题上。例如2000年浙、苏、吉三省高考理科综合的压轴题([例1.2.2])就是一个典型的物理开放问题——问题要求学生设计实验，用测量值表示网络中的电阻值，不同的信息获取和选择将会有不同的解决方法和结果，突出了理论与实践的有机结合，考查了学生的创新能力和科学素养。

[例1.2.2]电阻R1、R2、R3连接成如图所示的电路，放在一个箱中（虚框所示），箱面上有三个接线柱A、B、C，请用多用电表和导线设计一个实验，通过对A、B、C的测量，确定各个电阻的阻值。

相对物理问题的最终结果或答案的有无、多少而言，物理开放题更A 重视问题的思考过程、思考方法和对物理问题的建构，在2000年高考物

B 例1.2.2图 C R2 R3 R1 理（上海）卷中，开放题被放到了突出的位置。例如第15题，题目提供了一名宇航员“漂浮”在地球外层空间的照片，要求学生根据照片展现的情景提出两个与物理知识有关的问题。这就要求

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学生在照片提供的情景和自己的认知结构之间建立联想，从中发现有意义、有价值的问题，其想象空间十分开阔、答案也是很开放的。而第20题([例1.2.3])则是条件开放问题，它要求考生在条件不足（去建构一定质量的气体为研究对象）、另一方面条件又多余（实验器材中弹簧称用不上）的情况下设计实验方案，并根据方案选用器材以估测当时的室内温度。

[例1.2.3]现有一根粗细均匀长约40厘米、两端开口的玻璃管，内有一小段水柱，一个弹簧秤，一把毫米刻度尺，一小块橡皮泥，一个足够高的玻璃容器，内盛有冰和水的混合物。选用合适的器材，设计一个实验，估测当时的室内温度。要求：（1）在右边方框中（略）画出实验示意图；（2）写出要测定的物理量，写出可直接应用的物理量；（3）写出计算室温的表达式。

与第15题和第20题相比，2000年上海高考物理试卷的试卷第21题则表现出更大的开放性——没有现成的公式原理可以套用来解决这一问题。为了解决这一问题，学生只能从题目中去捕获与问题有关的因素，运用材料中已知和隐含的信息去建立模型、发现规律，并构建问题的答案，这对培养和提高学生学会学习的能力和学生未来的持续发展有着十分重要的意义（第21题文字较长，有意者可参看2000年上海高考物理试卷）。

目前，对物理开放问题的概念还没有一个严格的界定，其表现形式也各种各样，例如讨论题、信息题、模糊题、估算题、综合题等。但是，从物理问题自身的结构特点来研究和探讨物理开放问题是十分有益的。

1.3物理开放问题的结构形式和基本特点

1.3.1物理开放问题的结构形式

物理开放问题的具体表现形式多种多样，依据不同的标准有不同的分类方法。皮亚杰的认知发展阶段理论对于物理问题解决教学和物理开放问题的分类产生了很大的影响。皮亚杰指出，从11-12岁到14-15岁，儿童能够在具体运演的基础上进行形式运演，即可根据语言文字资料进行假设演绎推理，其思维过程可以用“假设（IF）??推理（THEN）??判断(THEREFORE)??”的形式来表达。皮亚杰称之为形式思维。

根据形式思维组成的三个要素（假设、推理、判断）和物理问题的自身特点，按照物理问题构成要素的发散倾向，可以粗略地把物理开放问题分为：条件开放——其未知的要素是假设，条件不足或多余；策略开放——其未知的要素是推理；结论开放——其未知的要素是判断；情境开放——物理问题背景与现实生活联系紧密且丰富；综合开放——其条件、解决策略与结果都(至少有两项)要求主体在情境中自行设定或寻找，或者问题本身要自己发现并提出。现分类举例如下：

[例1.3.1]（条件开放问题）光线通过一个小圆孔，在光屏上会发生什么现象？

由于题目所给的条件具有很大的伸缩性，因此要回答这一问题应分三种情况进行讨论。当小圆孔较大时，屏上将出现一个小光斑；当小圆孔较小时，会发生小孔成像，屏上将出现一个倒立的像；当小圆孔很小时，会发生光的衍射现象，屏上将出现很多彩色或明暗相间的同心圆。

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[例1.3.2]（策略开放问题）有两只伏特表A、B，量程已知，内阻未知。另有一干电池，其内阻(未知)不能忽略。只用这两只伏特表、电键和一些导线，能通过测量计算出这个电池的电动势（已知电池电动势不超出任一伏特表量程，伏特表读数准确，干电池不许拆开）。①试画出测量所用的电路图。②以测得的量作为已知量，导出计算电动势的式子。

为了测量电源的电动势，可把伏特表A、伏特表B分别与电源相联构成闭合回路，亦可把伏特表A与伏特表B相串联或相并联后接入待测电源。不同的组合与测量，电表有各自的示数，据此可得到各不相同的电源电动势的表达式，解题策略相当开放。

[例1.3.3]（结果开放问题）有一用电器，其额定电压为6V，额定电流为0.1A。现用电动势1.5V、内阻为1Ω的干电池组成电池组向用电器供电。若每个电池允许输出的电流不大于0.05A，问：应怎样联接组成电池组？需串联多大的降压电阻？

根据用电器的正常工作要求，至少需要两组并联电池支路（也可选三条或四条等），每一电源支路要有几个相同电池串联（亦可先并后串）。不难看出，本题有很多种解决方法，每一种电池联接需要相应的分压电阻。当然，若从最少电池要求，可选两组并联电池支路，每组电池5个，相应串入12.5Ω的电阻分压，其效率也较好(达80%，具体分析略)。

[例1.3.4]（情境开放问题）据报道，1992年7月，航天飞机“阿特兰蒂斯”号进行了一项卫星金属悬绳发电实验，实验取得部分成功。航天飞机在赤道上空离地面约3000千米处飞行，相对地面速度为6.5×10米/秒，从航天飞机上发射一颗卫星，携带一根长为2×10米、电阻为800欧的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直作切割磁感应线运动。假定这一范围内的地磁场是均匀的，磁感应强度为4×10特，且认为悬绳上各点的切割速度都和航天飞机的速度相同，根据设计，悬绳中可产生约3安的感应电流。试求：①金属悬绳中产生的感应电动势；②金属悬绳两端的电压；③航天飞机绕半径为6400千米的地球一周悬绳输出的电能。

金属悬绳切割磁感应线相当于普通直流电路的电源部分（有内阻的内电路），因为有持续的电流，总有一个外电路，而且总可以认为金属悬绳的两端与外电路相联。我们可以这样想象：在离地面3000千米高处，那里是几乎没有空气的太空，但存在所谓的范艾伦辐射带，有许多带电粒子约束在辐射带上。金属悬绳上接航天飞机，当其切割磁感应线在上下两端集累电荷时，上下均可能与辐射带上的电荷中和放电，好似外层空间构成闭合回路而形成电流。于是，根据法拉第电磁感应定律ε=BLv、闭合电路欧姆定律U=ε-Ir和电功公式W=IUt很容易计算出结果(具体从略)。尽管就问题的解决而言，我们不必弄清楚外电路究竟是怎样的，但我们仍感到物理情境的开放对我们的挑战。

[例1.3.5]（综合开放问题）试构建中学物理中符合X=X1X2/(X1+X2) 的物理问题。

例如:电阻并联其等效电阻R=R1R2/(R1+R2) ；两电容器串联其等效电容C=C1C2/(C1+C2)；两弹簧串联后的等效倔强系数 k=k1k2/(k1+k2)；温度不变时，一定质量的理想气体，体积为V1时其压强为P1，体积为V2时其压强为P2，体积为（V1+V2）时，其压强为p=p1p2/(p1+p2)；??

与这一问题相仿,诸如构建形如x=2x1x2/(x1+x2)的物理问题、结合人体构建有关物理问题等，

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其情境、条件和策略等都是相当开放的。 1.3.2物理开放问题的基本特点

从上述物理开放问题的结构分析可以看出，物理开放问题具有以下一些基本特点： ①物理开放问题的条件具有一般性，需要动态地分析所有可能的情况；

②物理开放问题的结论是不确定的或不唯一的，存在着多种乃至无数的解答，但重要的还不是答案本身的多样性，而在于寻求解答的过程中主体通过比较各种解答的途径实现认知结构的重建；

③物理开放问题的解决策略是相当丰富的，有时表现出直觉地发现——没有现成的解题模式可以套用，但它总需要主体在求解过程中从多个角度、正反方向进行思考、探索和推理；

④物理开放问题的情境往往是真实的，其数据往往也是实际问题中真实数据，对这类问题的解决，主体必须学会排除次要因素、突出主要因素、采用近似手段、从学科角度将其建模；

⑤物理开放问题鼓励学生参与对问题的建构，使学生能结合自己已有的知识经验和思维能力积极主动的参与，而不管其属于何种程度和水平；

⑥物理开放问题特别是综合开放问题有助于培养学生的创新能力和实践能力，有助于培养学生学会学习和解决现实问题的能力。

1.4物理开放问题的编选原则及编选方法

1.4.1物理开放问题的编选原则

目前，物理开放问题教学的现成内容还不是很多，在实际教学中，物理开放问题还需要教师自己编选。在物理开放问题编选过程中，必须遵守以下几个原则：

①主体性原则

物理开放问题的编选应能体现学生的主体地位，没有学生的积极参与，不可能对开放问题做出最好的解答；而要体现学生的主体地位，物理开放问题无论在内容上、难度上都要适度——学生熟悉且在学生的最近发展区。

②目的性原则

在目前中学物理教学中，习题基本上是为了使学生了解和掌握物理概念、规律而设计的，在这种情况下，学生在学习过程中产生了以死记硬背代替主动参与、以机械方法代替智力思考的倾向，为了改变这种状况，使物理教学更多体现积极探究的精神，适当增加物理开放问题是必要的。

③趣味性原则

物理开放问题的内容应该富有趣味性，问题的背景及情境应是学生熟悉的，其难度也应控制在学生的现行知识和能力可以解决的范围内。开放问题应具有一定的灵活性，使其能根据学生的兴趣和能力进行变化。

④互补性原则

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开放问题和封闭问题在物理教学中应该并存互补而不是互相排斥。按照皮亚杰发生认识论的观点，封闭问题主要引起认知结构的同化——量的变化，而开放问题则引起认知结构的顺应——质的变化。这两种心理过程结合在一起进行多次循环，乃是智能的适应和解决问题能量发展的原因。

⑤发展性原则

物理开放问题应使学生能够获得各种水平的解答，这些解答可以是各不相同的，也可以表现在不同的层次上。同时，根据物理开放问题的结果往往能导出一般的结论，或者能发展成为另一个新的问题，这正是现实生活丰富多彩、实际问题多种变因的反映。

⑥建构性原则

对物理开放问题来说，获得多种解答固然重要，但更为重要的是学生获得解答的过程。物理开放问题的编选还应当为学生提供某一实际情境，然后让学生基于这一情境自主建构问题、并寻求问题的答案，这对培养学生的问题意识和质疑能力是大有裨益的。 1.4.2物理开放问题的编选方法

基于物理开放问题的编选原则，物理开放性问题有以下一些编制方法： ①弱化陈题的条件，使其结论多样化

[例1.4.1]考察题目：一个物体，受三个力的作用，处于静止状态，如图所示。现撤去一个力（比如F3），物体将怎样运动？

现弱化问题的条件，把“静止状态”改为“平衡状态”，问题的结果便多样化了。

[例1.4.2]粗心的某同学做平抛物体运动实验时，虽然描出了竖直方向，但遗漏了原点，且在靠近槽口附近也缺少记号（弱化条件），如图所示。在获得一系列正确的点连成一段曲线后，如何求出平抛小球的初速度？

[例1.4.3] 考察题目：总长L=50cm的粗细均匀玻璃管内装有水银h=19cm，大气压p0=76cm汞柱，当开口向上竖直放置时，被封闭气柱长l=15cm。当开口向下竖直放置时，被封闭气柱长l

‘

F1 F2 [例1.4.1]图 F3 [例1.4.2]图 为多少？

现弱化问题的条件：玻璃管“总长L未知”，于是需要讨论各种情况。 ②隐去陈题的结论，使其指向多样化

[例1.4.4]质量为m的物体以水平初速度v0滑上原来静止在光滑水平轨道上的质量为M的小

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车上，物体与小车上表面间的动摩擦因素为μ，设小车足够长。试求物体在小车上滑行的距离。

对上述例题可以改变设问的角度，使其指向多样化；也可以适当变化问题情境，从而使指向更开阔。

问1：物体从滑上小车到相对静止所经历的时间多长？ 问2：物体对外做功多少？ 问3：小车获得多少机械能？ 问4：全过程系统产生多少热量？

问5：若要物体不会从小车上滑下，小车至少多长？ ??

③比较某些对象的异同点

比较，是确定事物同异关系的思维过程和方法，是一种整理、加工经验和实验材料并使之上升为理性认识的不可缺少的逻辑手段；鉴别，则是通过比较识别事物的共同点和差异点。比较和鉴别是中学物理中经常应用的一种科学思维方法，要鉴别就得进行比较，有比较才能鉴别。通过比较和鉴别，可以发现相近物理现象、物理规律的相异点及其相互联系，可以消除理解上的含混，因而构成了物理开放问题编选(也是物理开放问题教学)的一项重要内容。

[例1.4.5]写出核反应与一般化学反应的不同点。

本题是一道典型的跨学科问题，它要求学生有较强的分析、比较和归纳能力，并且要跳出物理学科的界限，作横向比较：

对单位质量的物质而言，核裂变反应释放的能量远远大于化学反应的能量。

核反应是原子层次上的变化，而化学反应是分子层次上的变化，换言之，核反应前后元素发生变化，化学反应前后元素保持不变。

一种同位素不论处于何种价态，它们的核反应性质是相同的，而两者的化学性质是不同的。 同一元素的不同同位素（例如C和C ），两者的化学性质是相同的，但它们的核反应性质是不同的。

[例1.4.6]比较牛顿第三定律和二力平衡条件中两个力的关系。

[例1.4.7]在实验室测量电阻通常有几种方法？试对这几种测量方法进行比较？

在物理问题解决教学中，用比较方法编选物理开放问题的教学内容十分丰富，例如可以让学生比较质量和重量、动量和动能，比较万有引力定律和库仑定律、动量定理和动能定理、动量守衡定律和机械能守衡定律，机械振动和机械波、振动图形和波动图形，比较摆长相同、带电量相同的几个钢球在不同电磁场中的振动周期等问题。

④实际问题中，寻求多种解法和结论

在实际问题中，寻求问题的多种解法和结论，这也是编制物理开放问题的有效方法。例如在 ① 张 越：《特级教师导学物理》，上海交通大学出版社，2000年9月第2版，p.454。 ② 查有梁：《物理教学论》，广西教育出版社，1996年12月第1版，pp.428——429。

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②

12

13

①

物理实验中，即使实验目的和要求相同，但依据不同实验原理和选择不同实验器材，实验方案也往往具有多样性([例1.4.8])；如果给定一些实验器材而没有其它限制，也可以让学生进行发散性的电学实验设计([例1.4.9])。

[例1.4.8]测量电池的电动势和内电阻是高中物理的一个重要实验。利用电学实验中常用的仪器和仪表，可能有哪几种测量电池电动势和内电阻的方法。试画出实验电路，说名其测量原理和方法，并讨论哪些方法是比较精确的。试就你想到的各种方法加以归纳，你从中能得到测量电池电动势和内电阻的一般规律吗？

[例1.4.9]在电学实验中，提供以下实验器材：安培表（0～0.6安～3安）、电压表（0～3伏～15伏）、滑动变阻器（0～50欧、2安）、电池、小灯泡、几个阻值不一的定值电阻、电键和若干导线。要求利用上述器材尽可能多地设计一些电学实验。

⑤对给定的问题，探讨问题各要素之间的相互关系

[例1.4.10]两只伏特表串联起来接到一个高内阻的电源上，第一个表的读数为12伏，第二个表的读数为6伏，若将第二个表单独接到电源上，读数为12伏。由上述条件，你能得出关于电源及伏特表的哪些物理量或它们间的什么关系(例如电源内阻和伏特表内阻的关系、两个伏特表内阻间的关系、电源的电动势、第一个电表单独接到电源上的读数等)？

[例1.4.11]试根据磁电式仪表工作原理，分析提高仪表灵敏度的措施。

在研究着一问题时，你想到了什么？电动机、或是发电机？什么样的磁场？如何提高带电粒子在电场中偏转的灵敏度？如何提高交流发电机的最大电动势？

⑥联系生活实际

联系生活实际不仅使编选物理开放问题具有取之不尽的素材，而且还有助于提高学生将理论知识应用于实际的能力。例如，在现行高中物理课本中就有这样的问题②：

[例1.4.12]用气筒给自行车打气时打气筒筒壁的温度会升高，请你对这种现象的原因提出两种解释，并分析哪种是主要的，然后设计简单实验验证你的分析。

问题的情境是开放的，它需要学生先提出猜想（假设），再设计实验对假设加以验证，并反思实验设计的科学性、合理性。

[例1.4.13]刚出炉的爆米花为什么并不烫手？按照这一道理，如果把充满气的自行车内胎的气门芯拔去，待不再对外放气时，胎内气体的温度怎样？从这里分析，你理解等温膨胀、等压膨胀、绝热膨胀、自由膨胀了吗？

[例1.4.14]冷的水滴和热的水滴落地时声音为何不同？ ??

①

① 方维华：《以设计性实验为载体，培养学生的创造性思维能力》，《物理教学》，2000年第4期，pp.11——14。 ② 人民教育出版社物理室：《高中物理课本（试验本·必修）》第二册，人民教育出版社，2000年12月第2版 ，p.21。

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值得提及的是，在美国物理问题解决教学中，很多知名物理教育专家和教师都提倡在物理习题教学中，对较高水平的学生或以讨论式教学的小组，使用一种知识面宽、且需要跨学科知识的“广涉及问题”(contest-rich problem)的习题形式，在问题的编制上注意与人文科学的综合、与物理学发展史和物理学科的现代前沿结合、与科学方法紧密联系、与真实问题缩小差距等，这些对我们编选物理开放问题具有一定的启发意义。事实上，正如物理开放问题本身具有开放性一样，物理开放问题的编选方法也是开放的。

①

① 仲新元：《美国物理教学中的“广涉及”问题》，《物理教学探讨》，2000年第4期。

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第二章 物理开放问题解决的有效策略

教学的根本目的是为了促进学生的发展，培养学生分析问题、解决问题的能力是促进学生发展的一个重要方面，也是广大教育工作者始终关心和努力探讨的问题。本章在一般问题解决过程和一般问题解决策略的心理学研究基础上，对物理学科问题解决过程和物理学科问题解决策略进行了专门分析和讨论，并从一般和特殊辩证关系出发提出了提高学生解决物理（开放）问题能力的五项教学建议。

2.1一般问题解决过程的心理学研究

问题解决很早就引起了心理学家的兴趣。自50年代以来，计算机科学和认知心理学领域的专家学者一直致力于开发可用于各种情境的问题解决方式，他们应用先进的研究方法，为我们勾画出了一般问题解决的整个过程。

2.1.1问题的识别

问题识别看起来很简单，事实上却是解决问题的一个十分重要步骤。正确识别问题需要学生的创造性、坚持性以及尽力避免如此迅速但却草率地给出解答。

研究表明，阻止学生有效识别问题的障碍有四个，它们是：①缺乏定义问题的经验；②缺乏专业领域的知识；③在清晰地定义问题之前就急于得到问题的解决方案；④进行幅合性思维的倾向。

通常，学生识别问题的经验来自于先前学习的课程。然而，在这些课程教学中，大部分问题都是定义完善的，而且是由教师和课本直接提供的，学生并没有受到识别问题、定义问题的足够训练和由此获得相关的经验。另一方面，某一具体专业领域的知识和背景知识无论在一般问题解决中，还是在问题的识别中都起着十分重要的作用。在清晰地定义问题之前就急于得到问题的解决方案和进行幅合性思维的倾向，对学生的问题识别也产生重要的负面影响。 2.1.2问题的表征

一般问题解决过程的第二步是问题的表征。对问题如何表征直接影响到问题解决的难易和快慢。

既然问题的表征对问题的解决至关重要，那么我们该如何去表征问题呢？问题的表征可以用各种变化的方式，例如以抽象的方法、把问题写下来、或绘制成图片、图表、草图和列表等方法 ① 高 文：《一般的问题解决模式》，《外国教育资料》，1999年第6期，pp.19——24。

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①

问题识别 问题表征 策略选择 应用策略 结果评价 图2——1 布朗斯福特与斯特恩开发的五步问题解决模式 以简化对问题的思考。问题的表征有两种基本形式：内在表征（心理表征）和外在表征。由于工作记忆的容量有限，而许多问题又是如此复杂，以至于工作记忆很容易超载。所以，运用视觉或书面的问题表征常常是十分有用的，因为它有助于在一个大的情境下建构问题的框架、并将问题与学习者现有的知识背景联系起来，从而减少工作记忆的负担。 2.1.3策略的选择

策略的选择，亦即制定解决问题计划，是一般问题解决过程的第三个步骤，这是问题解决最重要的一步，也是人们感到最困难的地方。

广义地说，任何解决问题的过程都是设法找到一条从问题起始状态达到目标状态的通路，或者也可说是从已有知识中推理出未知知识的过程。在这一过程中，采用联想搜寻和逻辑推理（双向推理、知识关联）是获得问题解决思路的最一般、也是最常用的方法。联想搜寻的应用是以一定数量的问题结构图式为前提的，它需要解决问题经验的长期积累；而逻辑推理的应用实质上是在已有知识和未知知识之间建立关联；两者构成一个有机联系的整体。 2.1.4策略的应用

经过问题的表征和策略的选择之后，就是策略的应用阶段，即执行问题解决计划。策略成功应用的关键是清晰地说明和表征问题并选择一个适宜的类比。如果该过程的起始阶段能有效地完成，那么该策略的应用就其本质而言就是一种常规。

在策略的应用这一环节上，存在着明显的个别差异。有些人对问题解决的方法相当熟悉，执行起来毫不费力，能够迅速地解决问题。而有些人则会出现相反的情况。在执行过程中，还可能会遇到意外的情况，有经验的问题解决者会很快地变换思路，采用更合适的方法来解决问题，显示出较强的灵活性。 2.1.5结果的评价

对问题解决的评价是在问题解决之后，因而有人认为这一步对问题解决是无关紧要的。其实不然。有关元认知与自我调节的研究表明，大部分的发展性成长和学习经验改进发生在源于有效评价问题解决成果之中。

结果的评价作为问题解决的最后步骤是十分重要的。在这一过程中，对问题解决的评价可以使学生更好地理解某一具体方法的适应性；通过对一种方法在一种情境的不适用的仔细考虑，有助于学生在其它情境中更好地利用；通过对问题解决结果真实性的评价，可以使学生避免把尽快找出答案作为问题解决的唯一目标，进一步明确问题解决是一个合乎逻辑的过程，只有合乎这一前提，问题解决的结果才有意义。

结果的评价也是学习者常常感到困难的一个步骤。事实上，任何复杂的问题解决，都应伴随两种评价：对结果的评价和对过程的评价。从上述五步问题解决模式可以看出，对问题解决的回顾与总结（结果评价）是在问题解决之后，更贯穿于问题解决的整个过程之中。为了加深对问题

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解决过程的理解和显著改进问题解决的技能，学习者应当自我询问：最终结果是最好的解决方法吗？有没有其它我们未曾考虑到的方法？问题解决得怎么样？怎样提高问题解决的技能？??

对一般问题解决过程的上述分析使我们看到：识别问题是自己对问题的意识、发现或者应用语言学知识和事实性知识达到对问题表述的字面理解；表征问题是将问题中的具体情境内化到相应的专业知识领域范畴，使问题的外在表征转化为内在表征；策略选择是在问题表征基础上应用陈述性知识、程序性知识和策略性知识对问题解决的方向、计划、原则等进行宏观规划调控 (是问题解决最为重要的一步)；策略应用是应用陈述性知识和程序性知识对问题做出定性的判断或进行定量的分析；结果评价是对问题解决结果和问题解决过程的概括性反省和调控，对促进学生问题解决能力的发展具有特别重要的意义。

①

2.2一般问题解决策略的心理学研究

在问题解决过程中，策略、方法、技巧都是问题解决的手段，它们都属于方法的范畴。但是，问题解决策略是从宏观的角度来考虑问题解决的途径，因而是最高层次的解决问题方法，它所涉及的是问题解决的方向、原则、目标等，是对问题解决途径的概括性认识。

现代认知心理学认为，人们解决问题一般有两种搜索策略：算法式和启发式。算法式，即指按照解决问题的各种可能性逐个尝试、最终找到问题答案的方式。这种不依赖已有的问题解决经验、通过排除错误的逐个尝试方法能够保证获得正确的答案，但它费时费力，是解决问题的弱方法。相反，启发式是指人们根据规律或根据已有的知识、经验和窍门去解决问题，这种方式冒着不能解决问题的风险，但可以把尝试的次数减到最少，而且能快速、经济地解决问题。这种利用经验迅速地找到答案的方式是解决问题的强方法，也是我们最为关心的问题解决策略。根据对一般问题解决过程的心理学分析和前人已有的研究成果，可以总结概括出以下启发式问题解决策略。

2.2.1识别问题的策略——模式识别

心理学家认为，学生不能解决问题的一个重要原因可能是他们缺乏问题识别的能力。由于大脑工作记忆的容量有限，加之在问题解决中人们又倾向于把注意力集中在问题新的方面，因此，在认知结构中储存一定数量和质量的问题结构图式（问题原型及问题解决方法），对使用模式识别策略——程序性知识的产生条件与问题情境之间的合理匹配、并应用已经熟悉的问题解决经验来解决新问题无疑是有益的。为此，在解决问题时我们可以经常向自己问这样一些问题：

我能够将问题重新叙述，使之更像一个熟悉问题吗？ ① 孙立仁：《谈物理学习中问题解决能力的培养》，《学科教育》，1998年第4期，pp.30——32。 ② 郑青岳：《提高物理解题能力的根本措施》，《课程 教材 教法》，1999年第5期，pp.40——45。 ③ 刘电芝：《学习策略（八）》，《学科教育》，1997年第8期，pp.40——43。

④ 张庆林：《解决学科问题的有效思维策略刍议》，《课程、教材、教法》，1994年第8期，p.16。

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④

③

②

我能够发现与眼前问题有关的一个曾经解决过的问题吗？ 我能够找到一个与眼前问题类似的但更简单点的问题吗？ 眼前问题与已有问题结构图式相比较，在哪些方面表现不同？ ??

一些问题之所以觉得困难，常常是由于并未搞清楚究竟要解决什么问题。一旦能把陌生的问题转化为自己熟悉的问题，我们不仅完成了问题识别的任务，而且能运用已有的问题解决经验来解决眼前的新问题；或者在问题模式不能被识别时，有限的心理能量也便于集中到问题新的方面。 2.2.2表征问题的策略——图解表征

心理学家通过对专家与新手的问题解决比较研究显示：专家比新手花更多的时间、并在更深水平上来表征问题。对于模糊问题，专家要用更多的时间来表征问题；对于清晰问题，专家也花大量时间来表征问题。与新手易受问题表面和无关特征的影响相比，专家的问题表征则集中于问题的内在结构。

问题的外在表征方式多种多样。当问题中给出的信息可被归入不同类别时，可采用方阵的形式表征；当所要解决的问题相当复杂，每一步还需要额外几步，可以用树状图加以表征；当问题涉及一系列的安置操作时，可以建立具体实在的操作模型；而最容易做到的则是将问题一个一个写下来。无论对专家还是新手，运用视觉或书面的外在问题表征对于问题的解决总是有用的。没有外在的问题表征形式，要解决复杂问题一般是很困难的。

在问题的外在表征方面，图解表征策略通过图形把问题具体化、直观化，从而使人们容易把握整体关系，并搜寻到问题解决的途径。图形不仅直观、形象，利于思考，而且其信息量大，概括性强，通常一个简单的图形可以表示出需要长长文字才能表达清楚的信息，图形成了帮助思考的拐杖。因此，教会学生根据问题性质画出草图或示意图，既有助于使问题明朗化，也是提高学生一般问题解决能力的重要内容。

2.2.3策略选择的策略——联想搜索和双向推理

策略选择的过程即是制定问题解决计划的过程，它牵涉到问题解决的方向和思路，是问题解决的核心和关键，也是人们感到最为困难的部分。常识的观察已经发现：我们不可能成为所有领域的问题解决专家；成为任何一个领域的专家都要花很多时间；通过解决问题的实践可以提高问题解决的能力；形成问题解决一般过程和一般策略的意识能够有效地改善人的问题解决技能。启发式问题解决策略集中表现在制定问题解决计划的过程中，概括起来主要有双向推理策略（手段——目的分析法、顺向推理法、逆向反推法、双向逼近法）和联想搜索策略（联想法、相似思考法、提取类比物法）。

应用逻辑推理的方法解决问题，人们思考的方向有顺向和逆向两种情形。在顺向推理时，思 ① 皮连生：《现代认知学习心理学》，警官教育出版社，1998年8月第1版，p.219。

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①

维的方向从已知向未知前进，它既可以使信息增殖——由已知条件推断出更多新的已知条件，还可以使问题的起始状态更容易被我们注意到，从而缩短起始状态和目标状态的距离。相反，在逆向推理时，思维的方向从未知向已知靠近，它方向明确——始终把问题的目标状态作为思维的出发点进行逆推。当然，两种推理都存在自身的不足。顺向推理的思维方向不明确，并且容易使我们一旦走上错误的思维方向而迷途难返；为免于此，顺向推理时一定要“充分”使用已知条件，并学会从多角度去推断新的已知条件。逆向推理的困难在于未知和已知相距甚远、目标状态和起始状态不易接通；为免于此，逆向推理时一定要在确定现有子目标的前提下尽可能多的产生其它子目标，防止定势的产生。在多数情况下，实际的问题解决最好采用双向推理——利用顺向思维推理能知道更多的供选择使用的已知条件；使用逆向思维推理能更加明确思维的方向；双向推理则结合了两方面的优势，它起始状态和目标状态的相互逼近。

与逻辑推理方法不同，应用联想搜索策略解决问题实质上是利用原有的问题解决经验、选择和启用合适的（相应或相近）问题图式（有时也需要对问题图式加以变化或调整以适应新的情况）以解决较为常规、较为熟悉问题的方法，它基于问题的相似性，并通过联想、类比和模式识别等途径来解决问题，也是产生解决问题思路最重要的方法之一。

事实上，在实际确立问题解决思路和制定问题解决计划过程中，双向推理策略和联想搜索策略是同时起作用的，两者相互渗透、相互促进。 2.2.4策略应用的策略——过度练习和克服定势

策略的应用过程亦即实施问题解决计划的过程。在某一领域内，专家由于经过长时间的练习，执行一些基本技能会比一般人快。这一事实说明，适当的过度练习有助于提高问题解决技能的自动化水平。当然，应用过度练习策略不仅要注意数量的多少，而且还必须考虑质量的要求。在最初阶段，问题解决者只需对相似情景问题进行接触和反应，而随着知识的渐趋稳定和巩固，问题解决者应能够解决与原先问题情景完全不同的新问题，通过具体操练以实现问题解决技能的迁移。目前，人们对过度练习在数量上如何最佳还没有具体的实验，但过度练习肯定有助于使知识组块（chunking）和运算的自动化，而有关记忆、复述的研究结果也具有一定的参考意义。

在实施问题解决计划过程中，人们还必须学会克服定势障碍。一般地说，当某些知识结构较之其他知识结构更容易为人想起时，就会发生定势效应。这些知识可以是问题解决的步骤或是问题解决所必须的，它就会促进问题的解决；如果不是必须的，那就会阻碍问题的解决。因此，在实施问题解决计划过程中，你必须学会放弃自己不合适的想法，并且尝试其他新的方法。 2.2.5结果评价的策略——反思总结

问题解决的目的不仅仅是为了获得问题的答案，更重要的是从中学到新的东西。通过问题解决过程的反思完成陈述性知识的结构化、程序性知识的条件化和问题解决方法的策略化，促进自 ① 张建伟：《基于问题解决的知识建构》，《教育研究》，2000年第10期，pp.58——62。

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①

身在解决问题方面的认知结构的构建，这是进行反省认知的高级活动，是提高解决问题能力的关键。然而，在现实生活中，人们十分关心问题是否得以解决，而往往忽视了对问题解决过程的回顾和问题解决方法的概括，因此，我们有必要特别强调问题解决后反思总结策略的作用。

一般说来，对于非常顺利解决的问题没有必要过多反思；但对于那些费了很大周折才解决或经人指点才解决的问题，反思总结具有重要的意义。事实上，反思总结应当贯穿于问题解决全程中的任一时刻：我正在做什么？我已经做了什么？我下一步将准备做什么？在问题解决之后，这种思路总结可从以下几个方面来进行：

回忆自己问题解决的结果和过程，找出其中出错的地方，明确正确解决问题的思路和方法。例如：自己在哪些地方走了弯路？什么地方是思维的关键？这种关键在什么条件下可以运用于其它什么类型的问题？力图概括出条件化和策略化的问题解决思路。

分析问题解决过程中出现障碍或错误的原因，提出改进措施，防止以后类似问题再次发生。例如：对问题中所涉及的专业知识是否理解？问题解决的依据是科学原理、直觉经验还是胡乱猜测？是否缺乏一定数量的问题结构图式以识别问题？在问题的表征方面是否还不够具体化等。

思考还有没有更简捷、更佳的问题解决办法，或思考变换问题条件将如何影响问题的解决。例如：在问题解决中自己的思路是否混乱？在实施问题解决计划过程中是否能灵活放弃无效的思路？是否能坚持虽不太明确但却是正确的思路？在与他人比较和讨论中，能否确定最佳、也是最简单的问题解决方法？

反思自己是否通过问题解决学到了什么新的东西，与问题有关的认知结构是否得到了改善，例如：知识的条件化组织程度如何？问题解决方法的策略化水平如何？是否别人一说就明白、就是自己想不到等。这是反思总结过程的最为核心内容，也是应用反思总结策略的终极目标。

此外，当我们在不熟悉的领域遇到问题，使用请教专家策略非常有效。专家都在各自的领域内积累了大量的知识，有丰富的解决实际问题的经验，因此，听取专家的分析和建议使我们能够较为科学合理地解决问题。当然，从某种意义上说，请教专家本身并不是问题解决的方法，但在现代信息社会，“知道谁有知识——获取信息和使用信息的知识”同样是十分重要的。

①

2.3物理问题解决的学科教学研究

从根本上来说，问题解决活动是一种个体的行为，同一问题对于不同的人常常有不同的解决方法。但作为一种心理活动，它仍然有着一些普遍的规律和共同特征。上述关于一般问题解决过程和策略的心理学讨论对于我们开展物理问题解决过程的学科教学研究具有一定的启发意义。 2.3.1物理学科问题解决的一般过程

物理问题的形式很多，根据评卷方式可分为客观性问题和主观性问题，而按照问题的文字结构及其组织情况又可将物理问题分为选择题、填空题、作图题、实验题、计算题、推理论证题等 ① 黎加厚：《现代教育技术与教育改革》（专题报告），上海师范大学教育技术系教授，2001年5月。

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形式。各种不同形式问题都有其独特的价值，也有其各自独特的问题解决特点，但在问题解决的思维程序上存在着共同的规律性。我们可以将这一规律性概括为物理问题解决的几个基本环节（如图所示），它规定了我们解决物理问题时的一般思维方向①。

●读题与审题

读题，就是读题目，以发觉问题表达的字面意义；审题，就是审察问题的条件和目标。读题与审题的过程就是对问题信息的发现、辨认、转译的过程，它是主体的一种有目的、有计划的知觉活动，并伴有思维的积极参与。

从本质上看，读题与审题的目的是为了识别问题。通过读题与审题不仅要寻找问题解决的有关信息，更重要的是要为问题解决确立明确的目标，这是物理问题解决的起点。为完成识别问题的任务，首先要读题——对问题的文字和附图要阅读几遍；审题时要先粗后细，由整体到局部、再回到整体，即先对问题全貌有一个粗糙的认识、然后再细致地考察各个细节、最后对问题整体建立起一幅比较清晰的物理图象。在这一系列活动中，具体的要求是：

理解问题叙述中关键词语的意义；

辨别问题中所给的有用信息和干扰信息，知道哪些不利信息可以变成有用信息； 弄清问题中明显给出的已知条件是什么。挖掘问题中隐含的已知条件是什么； 明确问题的目标状态是什么；

弄清问题研究的对象是什么，它可看作什么模型； 研究对象与外界有哪些联系，经历了什么变化；

在问题涉及的各个物理变化过程中，哪些量是不变的，哪些量是随别的量的变化而变化的，问题中给出了哪些隐含信息，如何根据物理意义进行转译；

??

在读审这一环节，不要急于猜测问题解决方向和盲目解题；利用认知结构中原有的问题结构图式虽然有助于识别问题，也一定要注意问题新的方面。 ●理解与建构

理解与建构的过程是物理图景的形成和建立过程，它实质上是物理问题的表征过程。 所谓问题图景，是指经过简化和纯化之后的物理对象，在一定的规则联系下按照一定的时间顺序和空间联系，在研究者头脑中形成的静态或动态形象。相对于一般图景的建构——知觉的直 ① 查有梁：《物理教学论》，广西教育出版社，1996年12月第1版，pp.362——367。

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读题审题 理解建构 制定计划 实施计划 回顾反思 图2——2 物理问题解决的一般过程

接反应或是知觉形象的回忆和重现，物理图景建构不再仅属于感知水平的再生性形象思维过程，它是在物理概念、规律和表象共同作用下的抽象思维和形象思维的有机结合，具有较高的认知水平，这就是学生常感到物理问题困难的症结所在。也正是这一原因，物理问题解决活动是有效促进学生智力发展的有利因素。

物理图景的建构过程是进一步明确解题方向的过程。在这一过程中，通常要经历模式的再认、合理的想象、科学的抽象、形象化思考等几个阶段：

模式再认是利用大脑中原有问题结构知识对物理问题的识别，或者是对问题新方面的注意； 合理想象是在模式再认的基础上搜索出有关的物理概念和规律，并在物理概念、规律指导下对物理对象、物理状态、物理过程及相互关系的想象；

科学抽象是在合理想象的基础上对物理研究对象、物理状态、物理过程本质特征和问题实质涵义的深刻把握；

形象思考则是对物理研究对象、物理状态、物理过程的形象化表征，其作用是使科学抽象形象化，并可借助于图示、图形等可视化语言将物理问题的内在表征转化为外在表征。

??

在物理图景的建构过程中，物理模型发挥着重要的作用。物理问题总要涉及一些研究对象，对这些对象的简化和纯化便形成了物理模型，它可以是研究物体的，如质点、轻杆、理想气体、检验电贺、薄透镜等；也可以是关于研究过程的，如匀变速直线运动、绝热膨胀、恒定电流、连续介质作用等；还可以是关于制约条件的，如光滑平面、缓慢移动等。事实上，这些关于物体、过程和制约条件的模型及其相关的问题情景是构成物理问题结构的重要内容。 ●计划的制定

从物理问题解决的全程看，读题与审题阶段为问题解决确立了问题起点和目标，物理图景的建构为问题解决提供了背景框架，但它们仍然仅仅是问题解决的准备阶段。物理问题解决的教学实践表明，制定解题计划亦即寻找物理问题的解决思路才是问题解决的中心环节，也是学生感到最为困难的一步。

物理问题解决过程是一个信息加工的过程，这些信息来自两方面，一是来自问题本身，是指通过读题和审题而获得的关于问题的条件和目标等方面的信息；二是来自大脑的长时记忆，这类信息包括物理事实、概念、规律、原理、方法和一定类型的物理问题结构。物理问题解决过程就是解题者为实现问题的目标状态而对题目信息进行充实、加工、增殖的过程，是问题本身的信息和解题者的原有认知结构相互作用的过程。人们正是根据问题解决的信息加工机制和一般问题的解决过程分析来选择和制定物理问题解决计划的。

物理问题解决思路的确立有两种基本的策略：双向推理策略（顺向推理法、逆向反推法、双向逼近法）和联想搜索策略（联想法、相似思考法、提取类比物法）。

双向推理策略的第一种极端情况是顺向推理法，这是专家在解决专门领域问题时常采用的方法。顺向推理法建立在以结构化物理知识对问题整体表征的基础上，推理是沿着结构化知识的产

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生式网络自上而下进行的。从最上位的知识点开始，首先将问题表征为概括性较高的物理知识范畴中的问题，然后依据题目中的问题情境，选择符合问题要求的下位知识。按照这一方式，自上而下分析各已知条件和目标变量之间的关系，直至形成满足问题要求的当前联合规则——物理问题的解决思路（就是通常的从已知到未知）。

逆向反推法是对问题不能进行整体表征情况下所采取的问题解决方法，是一般问题解决“目标——手段分析法”在物理问题解决中的具体应用，是双向推理策略的又一种极端情况。在片断地表征问题基础上，推理从目标变量（未知）出发——激活与问题有关的各个物理概念、规律、公式和方法，并将与问题相关的各种联系作为各种可能思路的假设保存在记忆中。然后将每一假设中出现的中间未知量与问题中的已知条件加以比较和对照，选择最接近题给条件的假设作为进一步推理的思路。

顺向推理使我们在已知的基础上向前走几步，逆向反推使我们从要解决的问题状态向后退了几步。所以，成功的解题者总是充分获取题目的条件和目标所提供的信息，并以这两个状态互为远点、由远及近向对方靠近——双向逼近，从而有效缩短了从已知到未知的距离，使我们能在心理视野的范围内（短时记忆的容量内）“看清”已知与未知之间的联系，进而发现从已知通向未知的途径——找到物理问题的解决思路。

问题解决练习的另一种情况是人们所面临的问题并非完全陌生，或者还有些熟悉（这是更为经常的情况），这时候，采用联想搜索策略来解决问题是非常有效的。由于学习者具有一定数量的问题图式——某类问题的特征描述和该类问题的解决方法，因此解决较为常规、较为熟悉问题的过程基本上就是选择和启用合适（相应或相近）问题图式的过程（有时也需要对问题图式加以变化或调整以适应新的情况）。莫斯科大学教授C.A.亚诺夫斯有一次发表“解题意味着什么”的演讲时，她的回答简单得出乎听众意料之外：“解题??就是意味着把所要解决的问题转化为已经解过的问题。”波利亚也说：“解题者所做的脑力工作就在于回忆他的经验中能用得上的东西。”笛卡尔曾有一句名言：“我所解决的每一个问题都将成为一个范例，以用于解决其它问题。”从这些论述中可以看到：基于相似性的有效办法愈多，则问题解决能力愈高；天生的智力不能代替知识的积累，经验是没有任何东西可以替代的；问题图式的形成需要长时期的积累。但也必须指出，基于问题相似性的联想搜索策略是解决问题的一种“经验性准则”——常常能、但并不保证一定能解决问题。

在实际确立物理问题解决思路和制定问题解决计划的过程中，双向推理策略和联想搜索策略是共同起作用的，两者相互渗透、相互促进。 ●计划的实施

物理问题解决思路的确立只是对问题的求解提出了一种假设，计划能否顺利实现还需要具体的实施。求解则是展开解题思路、构思解题步骤、实施数学运算的过程，也是对原来问题解决方 ① 刘电芝：《学习策略研究》，人民教育出版社，1999年11月第1版 ，p.125。

② [美]G.R.安德森，杨 清、张述祖译：《认知心理学》，吉林教育出版社，1989年2月第1版，pp.338——378。

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②

①

案是否切实可行的检验、修正、补充、完善或重新制定新方案的过程。

问题求解的过程是智能技能（智慧技能、智力技能）的外显过程，也是大脑内部加工过程从主要靠意识控制转向加工自动化的过程。为此，在问题求解过程，要明确研究的对象；要寻找解题的依据；要建立有关的方程，然后按照建立方程的逻辑顺序给出简明、扼要的处理；要考虑方程是否合乎实际情况、方程的数目是否足够；要及时整合各推理步骤中所提取的公式以缩小问题的范围；要随时检验整个推理思路的有效性并努力寻找可能的其它推理步骤和发现问题中隐含的其它条件??

概括起来，求解的环节需要注意下述三个方面： ① 善于灵活选择，学会克服定势

物理问题的求解不要以求得答案为唯一目的，而应当有意识的从问题的不同侧面去寻求不同方法的解答。对优秀学生和中差生的解题对照研究发现：优秀学生总是能考虑几条不同的思路，并最终在多次尝试失败之后找到一条正确的思路；而中差生解题时往往只考虑一条思路，当这一条思路走不通时，就感到束手无策了。因此，在解决物理问题时要从多种角度看问题、从多种途径找答案，尽力避免在解决物理问题时爱钻牛角尖和一条思路走到底的思维定势。

② 善于比较评价，学会集中思维

许多物理问题，往往有多种解法，究竟采用哪一条思路来解决问题需要较强的思路评价能力，它是思维成功定向的先决条件。没有这种评价能力，分不清轻重主次，是找不到最优思路的。而所谓最优思路，应当能带来更多的可能有用的“推理出来的已知条件”，也有助于使已知条件和未知条件发生关联，它还是使问题得以解决的尽可能便捷的最简思路。在物理问题解决计划的实施过程中，最优思路的获取来自于思路之间的比较——既要善于否定和迅速放弃自己不正确的思路，又要随时准备接受和寻找新的更有价值的思路。

③ 善于组织决策，学会规范表达

物理解题好比造一座房子，为了造房子，必须选择合适的建筑材料。但是，光有材料是不够的，一堆砖瓦毕竟还不是房子，只有按照一定的蓝图将这些材料组织起来才成为房子。为了实现问题的目标，我们仅仅知道关于问题的条件和目标的信息、及通过推理或联想而回忆起大脑中与问题有关的信息是不够的，还需要在工作记忆中利用原认知结构对新信息进行一系列的思维加工（同化和顺应），并将它们组织起来，使之成为一个有意义的整体。这就是组织和决策的过程，其结果常以根据物理概念、规律等所建立的有关数学方程来体现。当然，组织和决策结果的表达还必须注意解题规范化的要求，做到：解答过程有条理、文字符号要统一、单位使用要规范、计算数据要准确、问题解答有意义?? ●回顾与反思

回顾与反思是物理解题过程中的最后一环，也是极为重要但又是解题者相对容易忽视和疏漏的一环。波利亚在《怎样解题》一书中指出：“通过回顾所完成的解答，通过重新思考与重新检验这个结果和得出这一结果的路子，学生们可以巩固他们的知识和发展他们的解题能力。一个好的

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教师应当懂得并且传授给学生下述看法：没有任何问题是可以解决得十全十美的，总剩下些工作要做。经过充分的探讨和钻研，我们总能提高自己对这个解答的理解水平①。”

解题的目的不只是为了获得答案，而是要从中学到新的东西、促进认知结构的结构化、条件化、策略化的组织程度，因此，解答物理问题必须做到“举一反三”，发展能力。要达到这一目的，最重要的是解题后的反思和回顾，因为只有通过反思才能使我们从具体的问题解决中概括出普遍适用的条件化、策略化知识。在物理解题中，应当回顾和反思的主要内容有：

检验题解的正确性，这是回顾环节最首要的任务。在实际中，为检验题解的可靠性，人们可以用另一种方法来解决原题，但更乐于采用一些简短的方式，例如事实性检验——看题解是否符合实际、对称性检验、特殊性检验、协调性检验等；

分析题解的结构，讨论待求量的相关因素和无关因素，以及各因素对题解的影响等； 将题解进行演绎讨论或将题解向更高层次概括。由一般性意义的文字解出发，导出典型特例下的结论，使我们对题解的认识更加具体和丰满，从而使思维从抽象上升到具体；

从题解中发现新的规律，并将题解用于新的问题情境，形成一定的问题结构图式； ??

反思和回顾也是学生常常感到困难的一个步骤，因为它涉及到学生的自我意识水平和有无自我评估的习惯。事实上，任何复杂的物理问题解决，都应伴随两种评价：对结果的评价和对过程的评价。从上述物理问题解决模式可以看出：对问题解决的回顾与总结（结果评价）是在物理问题解决之后，更贯穿于物理问题解决过程的始终；而养成学生自我评估的习惯是促进学生主动发展的一个重要方面。

综合前面的分析研究可以看到，物理问题解决过程的几个环节不是孤立的，而是相互联系、相互作用的，它们构成了从问题的起始状态（条件）向目标状态（待求）逐渐接近的连续思维序列：读题与审题的过程是为了识别问题；理解与建构的结果是物理图景的形成和建立；制定解题计划亦即寻找物理问题的解决思路；求解则是解题计划的实施亦即解题思路的展开；反思才能使我们从具体的问题解决中概括出普遍适用的结构化、条件化、策略化知识。毫无疑问，在实际的物理问题解决中，具备一定的物理问题解决过程意识，无论对物理问题本身解决、还是对提高物理问题解决能力都是有益的。 2.3.2物理问题解决的学科专门策略

鉴于一般问题解决策略与专业知识结合不甚紧密而缺乏学科针对性的不足和物理问题解决活动中的特殊方法技巧很多而不可能一一枚举的原因，分析和讨论物理问题解决活动、特别是在制定物理问题解决计划中有代表性的物理解题策略具有十分重要的现实意义。

一般而言，物理问题解决的心理机制无外乎同化（熟悉的问题）和顺应（新颖的问题）；物理 ① [美]G.波利亚，阎育苏译：《怎样解题》，科学出版社，1982年1月第1版。

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问题解决的一般策略表现在物理解决过程的识别、表征、选择、应用和反思各个环节上；一些特定物理问题的特殊解题技巧为我们提供了大量的解决物理问题的具体方法。在实际物理问题解决过程中，我们经常用到的具有学科特征的问题解决策略有模式识别、问题转化、逻辑推理、结合关联、极端分析策略等（许多人对此已做过专门的讨论，例如郑青岳的《物理解题理论》、张耀华主编的《高中物理解题方法与技巧》、王溢然与束炳如主编的《中学物理思维方法丛书》等，限于篇幅，不再赘述）。此外，图解表征、双向推理和回顾反思等问题解决的一般策略，在物理问题解决过程中也发挥着特别重要的作用。

需要指出的是：物理开放问题在很大程度上更接近于心理学所讨论的一般问题，解决这类问题的有效策略也集中表现在问题解决过程的识别、表征、选择、应用和反思等各个环节上，为避免重复，不再赘述。另外，在探索物理学科问题解决的专门策略时，也应当在熟练掌握三种思维方式（抽象思维、形象思维和直觉思维）对物理问题解决的作用、并对物理问题解决过程有一个全面把握的前提下才会更为有效和有益。

2.4提高学生物理开放问题解决能力的教学指导策略

教学效益是由教学时间和教学效果两个因素共同决定的。传统的物理问题解决教学大多采用低效高耗的“题海战术”，结果苦了学生，也苦了教师。怎样才能在问题解决教学中既减轻师生负担、又提高教学效益呢？怎样才能从根本上提高学生物理（开放）问题的解决能力呢？基于前面对一般问题解决和物理学科问题解决过程和策略的理论分析及笔者多年的教育教学实践经验，本人认为：在物理教学中注重培养学生解决问题积极性、完善学生知识结构、促进学生形成问题图式、教给学生问题解决策略和提高学生元认知水平等做法，对于提高学生的物理问题解决能力将会产生十分积极的影响。

2.4.1培养学生解决问题积极性——增强动机、坚定信心

在解决问题中，态度成分十分重要，没有强烈的动机和坚定的信心，解决问题将受到很大的影响，有时甚至无法进行。著名的美国教育心理学家加涅认为，态度是通过学习形成的影响个体的行为选择的内部状态。这一定义意味着态度首先是一种内部状态——反应的倾向性或反应准备状态，它不是实际反应本身；态度决定了人们的行为选择，即决定人们愿不愿意完成某些任务；态度不是天生的，而是个体通过与其环境相互作用、通过经验组织或学习而形成的。在态度构成中，不仅有认知成分，还有情感成分和行为成分，其中情感成分——伴随个体对态度对象所具有的带有评价意义的观念和信念而产生的情绪和情感是态度的核心。因此，在物理问题解决教学过程中，培养学生解决问题的积极情感体验（态度）是提高学生问题解决能力的首要任务。

根据有关态度学习和改变机制的研究及教学实践可以看出，培养学生解决问题的积极情感体 ① R.M.加涅，皮连生、王映学译：《学习的条件和教学论》，华东师范大学出版社，1999年11月第1版，pp.250——262。

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①

验要注意教学问题的适合性——问题本身要有趣、有用，问题难度、广度要适宜，问题在“重复”中要富有新意、并要有一定的针对性，问题要表现出阶梯、并具有适度的开放性等，只有选用这样合适的问题、并通过学生成功地解决这类问题的实践活动，才能有效培养学生解决问题的积极情感体验，也才能使学生真正感到成功解决问题的意义。

从学生自身角度看，帮助他们对成功解决问题或解决问题失败进行合理的归因分析，也是提高他们解决物理问题积极性的一条有效途径。 2.4.2完善学生认知结构——为双向推理找到思路

理论研究及教学实践均表明：大量的专业背景知识是制约有效问题解决的最重要因素，因为它能在问题解决过程中为双向推理找到有效的思路和突破口；而离开了相关学科或专门领域的知识基础，某些相关领域问题则根本就无法解决。

在一定意义上，学生的物理问题解决活动就是按照给定的问题情景对各物体间、各现象间、各过程间、全局与局部间、整体与部分间进行辩证分析，然后根据物理学科知识进行定性或定量的“关联”。要有效地实现这一“关联”，物理教师不仅应当积极促进学生学科知识“量”的增多，更应该努力提高学生物理学科知识的“质”——帮助学生了解物理学科知识的总体结构，深刻理解每一知识点在整体知识结构中的地位、特色及运用特点，在大脑深处形成因果、源流、主次、轻重、隶属、对比等有机协调的学科知识逻辑体系，以提高学生的物理知识的组织化程度。例如，在物理总复习阶段，可引导学生将某些物理量（比如“功”的概念）与其他物理量（如动能增加、势能减少、电场力的功、电流的功、光电子逸出功等）之间的关系加以沟通，使学生对物理知识有一个全面的把握，这是解决物理问题所必须的基本功。

其实，现代认知心理学根据知识的不同表征方式和作用，将知识分为陈述性知识、程序性知识和策略性知识。前面论及的作为解题者重要资本的“货源充足和组织良好的知识仓库”是就陈述性知识而言的，它着重解决“是什么”和“为什么”一类的问题；而程序性知识和策略性知识则是关于“怎样做”以及“怎样去思考”、“怎样去学习”的学问，它直接涉及到问题解决过程如何从已知状态向目标状态转化的具体操作和问题解决的思路确定，因此是完善学生认知结构最为重要的方面。

2.4.3教给学生问题解决策略——掌握、熟练到迁移

教学实践表明：问题解决单靠量的积累并不必然地导致质的提高；优秀学生与中等学生解决物理问题能力差异的最主要原因并不是基本知识的差异，而是问题解决策略上的差异；不同的问题图式中也含有特定的问题解决策略。因此，在物理问题解决教学中，教师应当将解决物理问题的有效思维策略十分清楚地提炼出来，明确地、有意识地教给学生，并让学生在物理问题解决的实践活动中掌握使用各种策略。

物理问题解决策略具有丰富的内容，人们在物理问题解决时经常用到的有模式识别策略、问题转化策略、逻辑推理策略、结合关联策略、极端分析策略、图解表征策略、双向推理策略、回

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顾反思策略等。此外，促进学生形成对问题解决一般过程的意识和对问题解决一般策略的了解，也是问题解决策略教学的一项重要内容。

在进行解决问题策略的教学时，应当注意以下一些问题：

①讲明问题解决策略的意义和价值，有助于提高学生学习和使用策略的热情； ②讲清策略使用的条件，以减小搜索策略的范围，提高检索策略的速度； ③要循序渐进，先易后难，逐步积累；

④一次不要教给学生太多的策略，要留给他们足够的时间去理解、掌握、熟练； ⑤要给出丰富的变式，使学生对策略形成概括性的认识，并能在广泛的范围内迁移。 2.4.4促进学生形成问题图式——为搜索联想准备素材

对物理问题解决过程的仔细研究知道，形成“物理问题图式”有利于提高物理问题解决能力的内在机制源于它能为搜索联想提供素材上的丰富准备。因为问题解决往往首先是问题的识别和问题的表征，而利用已有类似问题的解决经验对新问题的解决无疑会产生积极的帮助。

在物理教学实践中，要形成一定“量、质、类”的物理问题图式——物理问题的原型（又称问题的深层结构）和该种类型物理问题的解决模式，可以考虑以下一些基本途径：

① 问题图式的变式训练

抽象性与具体性要求之间的矛盾在解决问题场合最为突出，学生学会了对具体问题的解决方法，不一定就能够解决其他问题。解决问题的能力或解决问题的迁移形成必须要对问题解决方法进行抽象，但是，教师抽象出来的图式却不能为学生直接接受，它需要学生在具体的问题解决活动中通过排除不重要细节、概括问题解决规则、比较多种变式情境等过程加以自我建构。例如学生要形成一般的碰撞问题图式，他（她）必须通过各种具体碰撞问题的求解——两个物体接触力的碰撞、不接触力的碰撞；冲力的碰撞、摩擦力的碰撞；力学中的碰撞、热学中的碰撞、电学中的碰撞、微观粒子的碰撞等——来实现。

② 问题图式的样例学习

样例学习是与例题教学不同的一种教学处理①。例题教学是由教师讲解例题，然后再让学生做大量的习题。样例学习是向学生书面呈现一批解答好的例题，学生可以自学这些样例，再试着去解决问题，并通过这些问题与样例的熟悉和比较形成物理问题图式。从图式的形成机制来看，样例可以使同样的规律信息在学习者的加工记录中反复出现，因而便于学习者察觉规律，同时消除与加工规律无关的信息和加工环节，提高人的自动化加工能力。

③ 问题图式的开放性训练

认知发展心理学认为，“手段——目的”分析的问题解决策略属于比较幼稚的、急功近利性的解决问题思路，它不利于从学科的知识体系去认识问题，因而不利于形成问题图式，最终阻碍解决问题能力的发展。与此相反，专家的顺向推理思路则立足于从大的知识体系出发对问题作规律 ① 李晓文、王 莹：《教学策略》，高等教育出版社，2000年8月第1版，p.91。

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性的分析——一看到问题的条件马上就会形成对问题的组织推理，即把问题涉及的条件和任务纳入该学科的问题体系中去。基于这一认识，教学中应设法使学生形成反映知识体系的问题图式，为此，在物理问题解决教学中通过对物理问题一题多解的归纳和一题多变的拓展、并通过在此基础上对物理问题的进一步抽象、概括和归类，特别是采用无特殊（具体）条件和无特殊（具体）问题的开放式训练，即从一种情景进行辐射、以此网罗同类操作模式，将有利于学生形成关于物理问题图式的一种体系化的认识。

2.4.5提高学生元认知水平——旨在自发地生成策略

策略性知识学习的最高水平是学习者不仅能在熟悉的问题情境中应用某种学习过的策略，而且能把习得的策略迁移到新的问题情境中。换言之，从学生向老师学习策略、到策略在新情境下的正向迁移、再到学生能根据新的问题情境自发地生成策略，是学生问题解决能力发展变化的三个阶梯，也是学生之间问题解决能力差异的主要原因。能够自发地生成策略是学生问题解决能力发展的最佳境界。

新近的研究表明，要实现问题解决策略从学习、迁移、到自发生成这一最终目标的顺利发展，必须把策略的学习提高到反省认知水平，即学习者必须清晰地意识到所学习的策略是什么（what），它所适用的范围（where），怎样应用（how）、何时应用（when）以及应用的效果（what effect）。很明显，解决这五个“w”（实际上为“4w+h”）的问题实际上就是学生对自己认知过程和结果的认知——反省认知或称为元认知问题。

从元认知的构成成分来看，它包括元认知知识、元认知体验、元认知监控。在这三种成分中，元认知监控能不断评价认知过程、获得认知活动质量的信息，能适时地调整计划、选用恰当策略以保证有效完成任务，并能评价认知结果、估计完成任务的程度，因而是元认知的核心。由于元认知是“认知主体对自身心理状态、能力、任务目标、认知策略方面的认识，同时又是认知主体对自身各种认知活动的计划、监控和调节”，所以，问题解决中的元认知集中表现在学生不断思考：

我已做了什么？我正在做什么？我将要做什么？ 我应用了什么策略？策略有效吗？是否要做一些改动？ 和以前相比，我的最大收获是什么？ ??

把问题解决策略的学习提高到元认知水平，教师可以在自己评估之前为学生提供对自己的答案加以评估的机会，使学生养成良好的自我评估习惯，并能够根据新的问题情境自发地生成问题解决策略，这是教师试图帮助学生发展的一个重要方面，对提高学生的物理问题解决能力具有特别重要的意义。

在实际教学中，从教给学生物理问题解决策略到学生自发地生成问题解决策略，实质上也是学生主要靠外部评价向自我评价、从外控向内控的转变。为了实现这一转变，“启发式自我提问方

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法”或者“元认知训练问题提示单”是极为有效的途径，它能把思维过程控制的主动权交给学生，使学生对物理问题解决过程的监控由外控向内控不断地过渡、由有意识向自动化逐渐地转化，最终形成稳定而有效地调控自己思维过程的元认知技能，自发地生成问题解决策略，从而最大限度地促进学生问题解决技能的迁移和问题解决能力的发展。

当然，和物理概念教学、规律教学、实验教学一样，物理问题解决教学也只是物理教学的一部分，仅就问题解决而研究问题解决，其效果也必然是有限的。因此，只有将物理问题解决教学放在整个中学物理教学的全过程中来研究，才能获得高的效益和好的效果；与此相应，也只有让学生深刻理解和掌握物理概念、规律、实验、方法，并通过一定质和量的物理问题解决活动，才能使学生的物理问题解决能力得到真正地提高。

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①

程素萍：《高中物理解题策略的训练方法》，《课程 教材 教法》，2000年第1期，pp.27——30。

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第三章 物理开放问题教学的实验研究

在物理开放问题教学理论研究和物理开放问题解决有效策略分析的基础上，本章讨论了物理开放问题教学的目标定位和教学原则，构建了物理问题解决课堂教学模式，提供了物理开放问题教学的具体案例，并就物理开放问题教学的评价问题进行了初步思考。

3.1物理开放问题教学的目标和基本原则

3.1.1物理开放问题教学目标定位

物理开放问题的结构特点决定了它的巨大教育价值。概括起来，物理开放问题教学目标主要定位在以下几个方面：

① 激发学生学习兴趣、发挥学生主体精神

物理问题的开放性(情境开放、条件开放、策略开放、结论开放等)为学生提供了许多要求他们积极思考、富有挑战性的任务。因此，调动每一位学生的学习积极性、激发学生的学习兴趣、发挥学生的主体精神，促进学生形成主动学习的内驱力，这是物理问题解决教学的首要目标和开展有效物理问题解决教学的内在根据，也是促使学生物理知识生成和人格丰满的更为根本的方面。

② 优化学生认知结构、发展学生学习策略

在物理问题解决教学中，物理封闭问题一般用于巩固知识——通过问题解决中的同化作用，促使学生认知结构量的变化；而物理开放问题则便于学生利用各自的观察和经验、整理自己的解题思路、获取新的推理方法，通过问题解决中的顺应作用引起认知结构的质的变化或优化。与此同时，学生的学习策略也得到了相应的发展。

③ 训练学生发散思维、培养学生创新能力

物理开放问题的解决策略相当丰富，它决定了物理开放问题教学需要开阔学生的思维方向，鼓励学生在求解过程中能够从多个角度、正反方向进行思考、探索和推理，从中发现新的问题解决方法；与此同时，注重引导学生对各种解答的优劣加以分析，促进学生发散思维和聚敛思维的有机统一，优化学生的思维品质，培养学生的创新能力。

④ 联系学生实际生活、提高学生实践能力

物理开放问题的情景往往是真实的，与实际生产、生活和现代科学技术密切相关，因此，物理开放问题教学有利于理论联系实际以提高学生的实践能力。

⑤ 训练学生反省思维、提高学生元认知水平

物理开放问题教学还必须着意于培养学生的诊断反思习惯和反思监控能力，提高学生的元认知意识和水平。

⑥ 培养学生综合素质、增强学生现实适应性①

培养学生综合素质、提高学生信息素养、发展学生合作意识、优化学生学习策略、特别是增 ① 陈 勃、申继亮：《指向问题解决的教育思路》，《教育理论与实践》(太原)，2000年第5期，pp.51——53。

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强学生的现实适应性等都是物理开放问题教学的应有目标。 3.1.2物理开放问题教学的基本原则——整合的建构主义学习理论

建构主义是在认知主义基础上发展起来的，不仅形成了全新的学习理论，而且也逐渐形成了全新的教学理论和与之相关的教学模式、教学方法和教学设计思想，它的一些基本观点为我们提供了一种与传统教学完全不同的教学理念和教学指导原则。

① 激发学生学习兴趣、发挥学生主体性原则

建构主义认为，学习应该是积极的。学习者必须积极地做一定的事情，他们不是被动地接受外在信号，而是主动地根据先前认知结构注意和有选择性地知觉外在信号，并对信号加以重新解释，重新构造其意义。因此，在物理课堂教学中，教师要想方设法在教学的各个环节中促使学生主动学习，积极思考，像磁石一样紧紧地吸引学生的注意力，这是学生能够主动建构知识的前提。

② 营造良好学习环境、加强多方互动性原则

人们的认识活动（问题解决活动）总是在一定的社会环境中完成的，因此建构活动具有社会性。事实上，每个学习者都以自己的方式建构对于事物的理解，由于不同的人看到的是事物不同的方面，学习者通过合作可以使理解更加丰富和全面。因此，建构主义学习特别强调学习者之间的充分沟通与合作，强调学习者之间有效的交流和互动，强调学生从动手实践中获得知识。

③ 设立具体教学目标、确保目标指引性原则

目标定向是建构主义学习的又一特征，只有学习者清晰地意识到自己的工作目标，并形成与获得所希望的成果相应的预期时，学习才可能是成功的。因此，在物理问题解决教学中教师应首先把教学目标具体化（问题情境、明确问题），并在此基础上将其进一步转化为学生的学习目标，确保学生在目标指引下自主建构，实现对问题的真正解决。

④ 发展学生学习策略、突出自主建构性原则

学习是建构性的。学习过程不仅仅是简单的信息输入、存储和提取，在这一过程中，学习者必须对新信息进行精制并将其与其它信息关联起来，深刻理解新信息、新知识，才能实现“意义建构”这一教学过程的最终目标。与此相适应，教师在物理教学中必须由传统的权威角色转变为学生学习的辅导者和学生学习的高级合作者，教师除了在教学内容方面辅导学生，更应在新的学习技能和技术方面指导学生，促使学生在学会的过程中获得物理学习的策略，学会独立的探究，学会学习。

⑤ 优化学生认知结构、注重学习累积性原则

学习是累积性的。一切新的学习都是以决定学什么、学多少、怎样学的方式建立在以前学习的基础上或是在某种程度上利用以前的学习建构自己的理解。因此，在物理问题解决教学中，教师不能忽视学习者的已有知识经验采用简单强硬地从外部对学习者实施知识的“填灌”，而是应当把学习者原有的知识经验或知识层次作为新知识的生长点，引导学习者从原有的知识经验中生长新的知识经验，通过问题解决形成合理的问题结构图式。

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⑥ 提高学生元认知水平、实施主体取向评价原则

建构性学习不是简单地占有别人的知识，而是建构自己的知识经验，形成自己的见解。建构性学习要求学习者承担更多的管理自己学习的任务，更注重主体取向的质性评价方式，要求学习者必须从事自我监控、自我测试、自我检查、自我评价等活动。因此，在物理问题教学中，教师应努力提高学生的元认知水平，通过问题解决中的诊断与反思，判断自己的学习进展及与目标之间的差距，进而采取各种增进理解和帮助思考的策略，完成问题解决的任务，进而实现对知识的深层次建构。

①

3.2构建物理问题解决的课堂教学模式

教学设计理论指出，针对不同的教学目标和教学内容要选择不同的教学模式。为此，笔者以有关教学设计理论为参照，同时将自己的教学实践经验规范化、系统化、理论化，构建了以学生主动建构为特征的物理问题解决课堂教学模式，为物理开放问题教学提供了具体的操作指导。 3.2.1教学流程

以学生主动建构为特征的物理问题解决课堂教学模式流程图如下： 认识的一般过程 明确问题 教师活动 创设情境 目标反馈 探究问题 启发点拨 分层指导 过程反馈 共同研究 引导提示 合作分享 结论反馈 解决问题 指导建构 揭示结果 应用反馈 新的问题 激励评价 促进迁移 教学相长 图3—1 物理问题解决的课堂教学模式

3.2.2核心思想

物理问题解决课堂教学模式的设计以学生学习为出发点和归属，对学生的心理发展历程和师生之间的互动作用给予了特别的关注和强调，较好地把握了“问题、探究、合作、建构、创新” ① 张建伟：《简论建构性学习和教学》，《教育研究》，1999年第5期，pp.56——60。

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师生互动 导向激趣 学生活动 明确目标 学生心理发展过程 目标定向指引 积极思考 丰富学习体验 组织交流 促进全面理解 认知建构 建构问题意义 反思内化 发展提高创新 等诸多因素的辨证统一关系，并在一般意义上规定了教师和学生的双边活动、特别是学生的主体活动程序：以合适问题（物理问题的开放度）为切入点、以积极思考为手段、以合作讨论为依托、以意义建构为目标、以实践创新为最终目的；反过来实践创新又促进了学生自主学习和问题意义的建构，促进学生学会分享与合作，从而实现在物理问题解决教学中培养学生自主学习能力、发展学生良好合作意识、帮助学生建构问题意义和提高学生实践创新能力的互动和互补。

该教学模式的核心教学目标是：在学生积极思考、共同合作和个体问题解决的基础上，发展学生以创新精神和实践能力为核心的素质，特别是提高学生信息时代学会学习和主动发展的能力，增强学生的现实适应性。 3.2.3理论基础

物理问题解决课堂教学模式以建构主义和布鲁纳的发现学习为理论基础，提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习和解决问题。也就是说，既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用。教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者；学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。

从认识发展角度看，以学生主动建构为特征的物理问题解决课堂教学模式符合人类认识发展的一般历程，特别强调问题解决在新知识建构中的重要作用——从提出问题、分析问题、共同研究、解决问题、然后再提出新的问题，通过问题解决的连续思维序列实现个体的认知发展。 3.2.4教学步骤

一般而言，以学生主动建构为特征的物理问题解决课堂教学模式是由创设问题情境、实施分层指导、组织学生交流、揭示问题意义、促进学生迁移五步构成。这五步可以构成一堂课的完整教学，也可能一堂课的教学只是该模式的一个环节。

①创设问题情境：这一过程实质上是启动学生思维活动的过程，同时又是激发学生内在机制运转、促进学生识别问题关键和明确探究学习目标的过程。

②实施分层指导：由于不同的人看到的是事物的不同方面，每个学习者都以自己的方式建构对于事物的理解和思考，因此，实施分层指导有助于学生更加积极地以自己的方式思考问题、表征问题，制定问题解决计划等。

③组织学生交流：人的认识活动总是在一定的社会环境中完成的，学习者通过合作可以使理解更加丰富和全面、使问题解决得更为圆满，并在这一过程中学会合作和分享。

④揭示问题意义：是学生思维突破的关键过程，也是学生深刻理解所学知识、进而实现有效的认知建构——对科学概念体系的深刻理解，并将其转化为个体内在的认知结构；

⑤促进迁移创新：对问题解决的反思可以使学生更好地理解某一具体方法的适应性，通过对一种方法在一种情境的不适用的仔细考虑，可以使学生在其他情境中更好地迁移和利用。有关元认知与自我调节的研究表明，大部分的发展性成长和学习经验上的改进发生在源于有效反思和评价问题解决过程和成果之中，这是提高学生问题解决能力最为重要的一步。

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3.2.4教学实例

为改变教学方式单一沉闷局面和鼓励学生积极参与教学过程，笔者结合高中物理“用单摆测定重力加速度g”的学生实验，选择了“如何用不规则的重物做摆锤测定重力加速度g”的物理开放问题，应用上述物理问题解决课堂教学模式，对如何促进学生主动建构进行了有益的探索和尝试。

课始，首先带领学生复习单摆的组成和周期公式，进一步理解公式的成立条件和公式中每一物理量的意义及其测量方法；然后通过实验室中的单摆与实际生活中的摆相比较创设问题情境，向学生介绍“如何用不规则的重物做摆锤测定重力加速度g” 的问题，确保学生明确学习目标、知道问题的实质涵义——问题的困难在于无法确定摆锤的质心位置，从而不能直接测定摆长。

接着，学生就如何回避测量摆长的困难来解决测定重力加速度g的问题进行个体思考。这时，针对不同层次和不同水平的学生，需要教师提供适时、适量的帮助和指导，因为适度的困惑可以诱发深入的探究，但过度的困惑则可能使学生丧失兴趣。教学实践表明，在教师提示和帮助下，学生大多能领会和掌握解决这一问题的差值方法或图线方法①(限于篇幅，略)。

进一步，组织学生交流讨论。由于每个学生都以自己的方式建构对于事物的理解，不同学生看到的是事物的不同方面，通过学生之间的讨论和交流既可以改善学生个体思考的缺陷，又有助于培养学生的合作能力。事实上，要减小测量g的相对误差，必须减小测量摆长差值L的相对误差，所以L值要适当地取大些，如40～50㎝；为了使装置接近单摆，l2也不能取得太短，可取70～80㎝；在L值较大条件下，T1与T2之差也较大，上式中分母(T12-T22)的相对误差也会小些?? 对差值方法的上述分析和讨论为学生全面理解和意义建构提供了良好条件。

最后，引导学生进行反思，以促进迁移。教学中引导学生对差值方法与图线方法进行分析比较、并介绍差值方法与图线方法在其他方面的应用实例等，不仅能从认知、情感、社会性、创造性等方面帮助学生全面达成教学目标，而且有助于改进学生的学习策略。

教学模式是教学理论的具体化，是教学经验的系统概括②。从模式的角度来研究课堂教学的基本结构和程序，有助于动态地、有机地把握教学过程的全局，同时也在教学理论和教学实践之间架起了一座桥梁。

3.3渗透物理学前沿内容 在开放题教学中建构意义（教学案例1——情境的开放）

中学物理教学注重与现代物理发展相联系，在近年来物理课程、教材和高考改革中得到了充分印证，物理教学内容的现代化已引起人们愈来愈多的关注。然而，传统观点认为，中学物理教学内容是物理学科基础中的基础，是经典物理学中的一些基本概念和基本规律，中学物理与现代物理发展之间存在着巨大的鸿沟。事实上，只要我们转变观念，善于挖掘，完全可以于中学物理 ① 阎金铎：《物理典型课示例》，山东教育出版社，2001年6月第1版，pp.82—86。 ② 高 文：《现代教学的模式化研究》，山东教育出版社，2000年6月第1版，p.480。

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的一些具体问题中渗透物理学的前沿内容、思想和观点。本案例以物理开放问题（情境开放）教学为依托，联系黑洞研究的最新进展谈谈如何促进学生建构 “黑洞” 的物理意义。

[例3.3.1]一个密度均匀的球形天体，它的质量等于太阳质量M日=2×10㎏，问它的半径R最大为多少时，才会使它的第一宇宙速度大于光在真空中的速度？

这一临界半径就是黑洞的临界半径。因为第一宇宙速度v1是物体能环绕星体表面作圆周运动的速度。若v1=c(光速)，则从星体表面发射的光子肯定到不了远处，因而从远处“看到”是黑的。

[例3.3.2]所谓黑洞，产生于某些类型的星体的最后演化阶段。当星体变得如此之小(相对一定星体的质量)以至于从它表面发射的光不再具有足够的能量离开它，它就成了一个黑洞。有些黑洞问题可以利用守恒定律以及频率为υ的光子具有质量m?②

30

①

h?的假定，求解到一个数量级的2c近似值。把一个星体看成质量为M的均匀球。当它们变成黑洞时，其半径的极限有多大？

对一个具有太阳质量的星体，这个值是多大？

设一个频率为?0、能量为h?0的光子从半径为R、质量为M的星体射出。当它与星体中心相距r时，根据能量守恒定律和引力势表达式?GM有 r h?0(1?GMGM)?h?(1?) c2Rc2r这里G为引力常数。当光子脱离星体的引力场（r趋于无穷）时，我们得到 ???0(1?GM) 2cR?必须是正的，因此星体的半径极限是

R?GM c2对太阳，R?1km。用这种方法推导出的表达式同根据爱因斯坦理论引力理论得到的表达式相差一个2的因子（并不影响结果的数量级）。

[例3.3.3]黑洞产生于某些类型星体的最后演化阶段，有些黑洞问题可以利用频率为υ的光子具有质量m?h?和圆周运动的条件（星体对光子的引力提供光子绕星体运动的向心力）的假定，c2求解到一个数量级的近似值。把一个星体看成质量为M的均匀球，当它们变成黑洞时，其半径的极限有多大？

[例3.3.4]天文学家根据天文观测宣布了下列研究成果：银河系中可能存在一个大黑洞，距黑 ① 人民教育出版社物理室：《高中物理课本(试验修订本·必修)》第一册，人民教育出版社，2000年2月第2版 ，p.110。

② W.H.Jarvis 编，宣桂鑫等译：《物理竞赛示范题解》，上海交通大学出版社，1984年2月第1版，p.12。

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洞60亿千米的星体以2000㎞/s的速度绕其旋转；接近黑洞的所有物质即使速度等于光速也被黑洞吸入。试求黑洞的质量和黑洞的最大半径。

[例3.3.5]假设我们的宇宙就是一个黑洞，即我们不可能把光发射到宇宙之外。所以即使在宇宙之外还存在空间、还存在天体的话（这完全是一种假设——在历史上也有人提出过这一宇宙模型），那么，外面的天体看我们的宇宙就是一个大黑洞。试从这一假定出发估算我们的宇宙半径。设宇宙是密度均匀的球体，宇宙的平均密度约为ρ=10㎏∕m的数量级。

设宇宙质量为M，半径为R，则 M?由于黑洞的临界半径 Rc?所以

-26

3

①

43?Rc? 3GM c23c2 Rc??1026m

4?G?事实上，通过变换，上式也可写成

3c2 ??

4?GRc2这意味着黑洞半径愈小，黑洞的密度愈大；黑洞的密度愈小，黑洞半径愈大。例如，对半径为1㎞的黑洞，其密度大到1020kg/m3的数量级；而目前对于宇宙的天文观测表明，宇宙的大

②

小(总星系)为100——200亿光年，数量级恰好为10m，其中是否仅仅是一种巧合还说不清楚。

??

黑洞是作为一种智力想象而出现的，它虽然神秘，但并不虚幻，它在宇宙中实实在在地存在着。尽管绝大多数的恒星级黑洞或者根本不在双星系统中、或者虽在其中但两星之间相距太远因不能吸积而被观察到，尽管宇宙中星系级的黑洞仍处于间接论证的水平，但无论如何，视界的发现使得人类在探测黑洞的历史上向前迈出了决定性的一步；更为令人高兴的是，我们能够利用中学物理的有关匀速圆周运动、人造卫星的宇宙速度、能量守恒（引力势能表达式?③

26GMm）、光子r概念、引力红移等物理知识对黑洞的本质有了大概的把握，其意义远远超出了理解黑洞本身。

3.4基于人体建构问题 培养学生综合素质（教学案例2——问题的建构）

① 江苏物理学会：《物理奥林匹克》，南京大学出版社，2000年7月第1版，pp.458——459。 ② 钱振华：《现代宇宙学概说》(学术报告)，华东师范大学物理系教授，2001年10月。 ③ 何善亮：《黑洞观察及其证认》，《现代物理与中学物理》课程作业，2001年5月。

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实际中，人们并不是很容易地发现问题。通常情况下，我们大多数人并未养成主动寻找问题的习惯——我们总是让问题来找我们，而不是我们主动地去发现问题。不容易发现问题的另一原因是人们未具备与问题相关的专业知识——缺乏相关的专业知识致使人们可能对某些问题会熟视无睹。当然，专业知识的积累需要人们在某一领域花费大量时间并经过亲身实践习得，而养成主动寻找问题的习惯则应在学生时代加以培养。本着这一思想，同时也从培养学生的综合素质考虑，笔者以学生十分熟悉的自身（人体）为对象，充分调动学生的学习积极性，让学生进行合理的问题建构。 3.4.1问题的汇集

要建构问题，首先要发现问题；发现问题的基础是了解问题。为此，在教学中教师可以先确定某一内容作为研究主题，然后发动全体学生收集这方面的有关问题，教师在此基础上加以汇集、分类、补充和整理，为学生进一步开展问题的建构做好准备。例如在人体的问题建构教学中，学生就提出了关于人的反应时间、人的能量输出、人的空气消耗、人的感觉阈限、人体自身结构、人体综合知识等几十个问题，内容涉及力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、相关学科等，以下是其中的一部分。

[例3.4.1]某驾驶员手册规定，具有良好刹车的汽车在以80km/h的速度行驶时，可以在56m的距离内被刹住；在以48km/h的速度行驶时，可以在24m的距离内被刹住。假设在这两种速率下驾驶员所允许的反应时间与刹车的负加速度都相同，则允许驾驶员的反应时间约等于 秒。

[例3.4.2]已知奔跑中主要的功是随着每迈一步对腿的加速和减速完成的。腿离开地面时，腿从静止直到接近等于身体速率v，然后再回到静止状态，往复循环。现考虑一个以6m/s奔跑的70㎏的人，他每条腿的质量为10㎏，设步子长度为2m。求两腿的输出功率。再设肌肉的效率为0.25,求每秒人的能量消耗。

[例3.4.3]人的心脏每跳一次大约输送8×10米的血液， 正常人血压（可看作心脏压送血液的压强）的平均值为1.5×10帕，心跳约每分钟70次，据此估算心脏工作的平均功率为 瓦。

[例3.4.4]试估算：正常人一生呼吸空气的质量约为 千克，正常人一生饮用水的质量约为 千克。设人的平均肺活量为1升，呼吸速率约为15次/分钟，人的寿命约为70年。

[例3.4.5]关于眼睛：眼睛视觉效应的最小能量为10J。已知普朗克常数h=6.63×10J.s，若进入人眼3个光子就可引起视觉，则进入人眼的这种光的平均波长为 m。在人的眼睛中，有角膜、水样液、晶状体、玻璃体、睫状体等，引起视觉的部位是 ，人眼这个光学系统相当于一个 。色觉正常的人能分辨绿、红、黄、蓝等颜色，不能分辨各种颜色或两种颜色的人，称为患色盲病，色盲病属于 。

[例3.4.6]放射性同位素

14

-18

-34

4

-5

3

C被考古学家称为“碳钟”，它可以用来判定古生物体的年代。C

14

14

的生成和衰变通常是平衡的，即空气中生物活体

14

C的含量是不变的；当有机体死亡后，机体内

的C含量将会不断减少。若测得一具古尸遗骸中C含量只有活体中的12.5％，则该具古尸遗骸

14

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死亡距今已有多少年？

[例3.4.7]试估算：一般成人头上头发数量约为 根，一般成人体内细胞的数量约为 个。假设人体头部可看作球形，一半的面积上覆盖着头发，头发密度约为25根/厘米；裸眼的最小分辨率为0.1毫米，用放大倍数为20倍的放大镜可以看到细胞，人体组织的密度约为1×10kg/m。

[例3.4.8]某人血液中血浆的体积份数为55％,血浆与水比重为1.03，而血细胞与水比重为1.08，求此人血液密度。

此人心脏每收缩一次射血70ml，每射出1L 的血液心脏做功1875J。现在他要在2分钟内爬上24米高的塔，已知此人的体重为50㎏，他运动时心脏所做的功的40％转移给ATP释放出来，则此人爬塔时心率为多少？

?? 3.4.2问题的建构

发现问题是问题解决的最困难和最富有挑战性的方面，因为它需要创造性和坚持性。有些问题现在看来是很明显的，但当初发现它时并非如此。人们只有意识到问题的存在，才会主动的去建构问题，也才会有以后的一系列解决问题的行为。在汇集了上述人体问题并进行有关分析的基础上，便可以在课堂教学中组织学生开展新的问题建构活动。

[例3.4.9]有关人的体能消耗问题的建构：一个成年人在睡着的时候，每秒钟大约消耗80焦耳的能量，即功率消耗约为80瓦特，才能维持其身体功能的运转，故这一功率消耗称为基本代谢率。当人醒着的时候，进行不同的活动和工作，其功率消耗是不同的。在进行一般脑力劳动时，例如同学在物理课中，消耗的功率约为150瓦特，其中约80瓦特为基本代谢率。在中等激烈的运动中，例如以5米/秒的速度骑自行车时，一个人消耗的功率约为500瓦特。在比较激烈的运动中，例如打篮球，消耗的功率约为700瓦特。在更激烈的运动情况下，例如百米赛跑中，一个优秀运动员所消耗的功率可超过1000瓦特。

那么，人要维持生命和进行活动，就必须消耗能量。人在一秒钟要消耗多少能量呢？为解决这一问题需要获取哪些信息？借助于什么模型？生物学、医学能否给我们提供一些有益的启示？

[例3.4.10]有关人的感觉阈限问题的建构：学生操场上的双杠是两条钢管制成的。如果给你一只卷尺、一块秒表、一只小铁锤，允许你的同学帮忙，并知道声音在空气中的传播速度。请你从理论上设计一个方案，以测出声音在钢管中的传播速度，并讨论这一方案的实际可行性。

本题期望学生采用声波在不同介质中传播速度不同、传播相同距离所需时间不同的这一事实来解决问题，具体方法如下：用卷尺量出钢管的长度L，请同学用小铁锤轻击一下钢管的一端，

①

3

3

2

① 皮连生：《现代认知学习心理学》，警官教育出版社，1998年8月第1版，p.206。

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记下耳朵在钢管另一端听到两次打击声的时间差?t，据?t?LLL。实际?可推得v1?Lv2v1??tv2上，上述方法无法实现，这是因为只有当两个声音相隔时间大于(1/15)秒时，人耳才能将两个声音分辨出来，这要求钢管的长度大于25m，而双杠钢管的长度大约只有2m，人耳根本无法听到两个声音。再说，即使能听到两个声音，但?t的测量误差也很大，测量结果也没有多大实际意义。

[例3.4.11]有关人体血液总量的问题建构：为测量人体血液的总量，可设法利用人工放射性元素作为示综原子的性质。把一定量的放射性物质（总原子数为N）注入人体静脉，待稳定后再抽取5ml血液，测量其中放射性原子数n，于是可测出人体血液总量。试讨论是否还有其他方案。

??

必须说明的是，学生所建构的问题可能并无新新意，有些或者直接就是他们学习过程中遇到而未搞清楚的问题，但在这一过程中，大家能够围绕同一主题从不同视角进行思考和建构、在相互启发和思维碰撞（大脑风暴法）中学会了倾听、交流与合作，而一些富有价值的新问题或者由此产生，学生提出问题的能力也将得到提高，其意义是十分明显的。

3.4.3学生发现问题能力的培养——形成问题意识、掌握提问技能、养成提问习惯

作为人的素质的一个基本组成部分，发现问题与提出问题的能力十分重要，它是人的创造发明的源泉，同时也是促进人的终身发展的一个重要方面。然而，在目前教育教学过程中，很多教师发现，现代中小学生乃至大学生思想活跃、敢想敢干，但很少有问题意识，培养学生发现问题与提出问题的能力便成为摆在广大教师面前的一项极为重要和迫切的任务。

心理学研究表明：没有问题的思维是肤浅的思维、被动的思维；意识到问题的存在则是思维的起点。而所谓问题意识，是指学生在认识活动中意识到一些难以解决的、疑惑的实际问题或理论问题时产生的一种怀疑、困惑、焦虑、探究的心理状态，这种心理状态驱使学生积极思维，不断提出问题和解决问题。在教学中强调培养学生的问题意识，有助于学生通过真实而又具体的问题解决活动储备丰富的知识信息和形成一定的思维方法，有助于通过积极地探究一切自己感到怀疑的现象发展学生良好的个性，有助于通过在“做中学”（高级学习）使学生解决问题的需要和强烈的内驱力转化为现实的创造力。

培养学生的问题意识，意味着要促使学生产生心理的不平衡或认知矛盾，为此，教师应充分利用语言、设备、环境、活动等各种手段，为学生创设符合需要的问题情境。前苏联教育科学院院士м.и.马赫穆托夫根据实验教学的成功经验提出了一些常用的创设问题情境的方法：①激发学生去解释现象、事实以及它们之间的外部的抵触或矛盾；②布置旨在解释现象、解释所研究概念的实质、或探索其实际应用方法的问题性作业；③激发学生分析现实中日常生活概念与关于 ① 姚本先：《论学生问题意识的培养》，《教育研究》，1995年第10期，p.10。 ② м.и.马赫穆托夫：《问题教学》，《华东师范大学学报（教育科学版）》，1989年第2期，pp.11——22。

39

②

①

这些事实的科学概念发生矛盾；④让学生对事实、现象、结论、规则、作用等进行比较、对照和对比，并独立作出概括；⑤向学生介绍那些似乎是不可解释的、但在科学史上却导致提出科学问题的事实；⑥组织学科之间的联系，其目的在于利用一门学科的规则、原则、结论解释另一门学科的结论或事实等等。基于人体的问题建构事实上就是为学生提问创设一个关于人体的熟悉情境。

有现代科学之父之称的爱因斯坦在更高的境界上阐述了发现问题与提出问题的重要性，他指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或是实验上的技能而已，而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”从上面的分析可以看到，意识到问题的存在是思维的起点，也是发现问题与提出问题能力的生长点，但真正能提出问题还需要使学生的一次次问题意识逐步由模糊变得清晰，在深刻把握问题本质的基础上学会提问的技能。为使学生的提问具有明确的目的性、科学性、针对性，教师要让学生明了提问的种类（如就知识提问、理解提问、应用提问等低级认知提问和分析提问、综合提问、方法提问、评价提问等高级认知提问）及其内涵要求，并针对学生的身心特点和学科的教学内容，在课前、课中、课后的学习中分别提出从敢于提问水平、简单模仿水平、初具意识地思考后水平、带着问题钻研后水平、到融会贯通后提问水平的不同层次的要求，使学生产生不同水平、不同种类的问题，掌握提问的技能。

在提出问题之后以及在提出问题的过程中，也常常伴随着对问题的评价。通过评价既可以进一步明确问题的意义，进而找到问题解决的策略；也能够对原来的问题进行横向或纵向的拓展、使问题更具有发展性。与此同时，通过对所提问题价值的评价和成功解决一部分适度的问题，学生还能够透过事物的现象抓住问题的本质，并能从中尝到学习的甜头和亲自发现的喜悦、获得个体成功的体验，进而掌握提问的技能、养成提问的习惯，使自身的科学探索精神和创造能力得以更好地生长、发扬和光大。

基于人体建构问题的教学启示我们，现实生活中存有大量熟悉的主题可供选择，例如宇宙爆炸问题、太阳问题、地球问题、月亮问题、铱星问题、环境问题、河流问题、体育运动问题等，都可以成为学生建构问题的情景依托。只要我们平日多加留心收集这样的主题及其相关资料，并适时组织学生开展丰富多彩的问题建构教学活动，让学生在学习中、在生活中、并在与他人的社会交往中自主进行问题的建构，这对学生问题意识的培养、问题本质的认识、提问技能的掌握、提问习惯的养成，并最终提高发现问题与提出问题的能力必将会产生积极的影响。

①

3.5高中物理电学实验设计的思想、原则和方法（教学案例3——策略的多样）

电学实验设计是高中学生必须掌握的重要内容之一，学生在解决这类问题时往往感到不知从何入手。本人在教学实践中体会到，教学过程中若能有层次地引导学生理解实验设计思想、懂得实验设计原则、掌握电路结构特点、明确器材选择策略、学会线路连接方法，必将有助于学生解 ① A.爱因斯坦，L.英费尔德：《物理学的进化》，上海科学技术出版社，1962年3月第1版，p.66。

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