“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”在物理問題解決中的應(yīng)用

葉秋香

(廈門市禾山中學(xué)，福建 廈門 361009)

0 引言

“科學(xué)思維”是物理新課標(biāo)的四大核心素養(yǎng)之一，主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。建構(gòu)與應(yīng)用模型是物理學(xué)最重要的研究方法之一，也是物理學(xué)的核心學(xué)科特色[1]?！皢栴}解決”是由一定的情景引起的，按照一定的目標(biāo)，應(yīng)用各種認(rèn)知活動(dòng)、技能等，經(jīng)過一系列的思維操作，使問題得以解決的過程。如在“中國天眼”的維護(hù)和檢修中，科學(xué)家首次使用了“微重力蜘蛛人”方案就是一個(gè)著名的用科學(xué)思維實(shí)現(xiàn)“問題解決”的例子。在物理教學(xué)中，通過建構(gòu)“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”，可以讓學(xué)生像科學(xué)家們一般去思考，從而促使學(xué)生的科學(xué)思維和解決問題的能力大大提升。

1 “目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”在問題解決中的獨(dú)特優(yōu)勢

學(xué)生學(xué)習(xí)物理時(shí)，普遍存在上課能聽懂，而在面對較復(fù)雜的新問題時(shí)卻一籌莫展的現(xiàn)象。究其原因，主要是不少學(xué)生在面對陌生復(fù)雜的問題時(shí)，不知道排除無關(guān)因素的干擾而無法找到解題的突破口?，F(xiàn)代信息加工心理學(xué)認(rèn)為，問題的解決是一種以目標(biāo)定向的搜尋問題空間的認(rèn)知過程。其中原有知識經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前問題的組成成分必須重新改組、轉(zhuǎn)換或聯(lián)合，才能達(dá)到既定的目標(biāo)[2]。運(yùn)用“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”解決問題時(shí)，要求學(xué)生“通過通讀情境信息，明確最終要解決的問題，然后從問題入手，根據(jù)問題的性質(zhì)和類型搜尋并匹配頭腦中儲存的物理知識，有針對性地去尋找解決問題所缺的條件”，這樣能大大縮小“搜索問題的空間”，把問題中的內(nèi)隱條件一一倒逼出來，省時(shí)高效地形成完整的解題思路。

2 “目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”在問題解決中的建構(gòu)過程

“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”的構(gòu)建過程中，解題者需要將最終要解決的問題（原目標(biāo)），分解成一系列子目標(biāo)（圖1 中的轉(zhuǎn)換目標(biāo)1、2、3……），并從題中尋找每一個(gè)子目標(biāo)的所需條件，在實(shí)際情境中提取有用信息，看看每個(gè)子目標(biāo)中所要用到的物理量能否在題中直接找到。若能，則目標(biāo)與條件匹配完成（這一過程叫匹配判斷），解決問題的方案已找到，思維鏈條可以終止。否則思維還要繼續(xù)，將目標(biāo)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，直到所求問題與現(xiàn)有條件完全匹配為止。

圖1 “目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”的建構(gòu)過程

那么，在具體問題的解決過程中，該如何運(yùn)用“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”呢？下面結(jié)合例1 如圖3 所示進(jìn)行具體說明。

例1.如圖2 所示，將邊長為20cm 的正方形物塊輕輕放入水中，靜止時(shí)該物塊露出水面的高度5cm,求該物塊的密度。（ρ水=1.0×103kg/m3，g=10N/kg）

圖2

在解答例題1 時(shí)，若是沒有經(jīng)過思維訓(xùn)練的學(xué)生可能會比較迷茫，無從下手。而利用“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”來分析，從最終要解決的問題出發(fā)，向現(xiàn)有條件反推，直到達(dá)到現(xiàn)有條件為止，再逆著“來路”返回，一步一步正向求解，這樣能很好地找到答案（圖3 所示）。如果題目簡單，對應(yīng)的思維鏈條就短，反之題目越難，對應(yīng)的思維鏈條就越長，分支就越多。在越難問題的解決中，越能體現(xiàn)用“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”來思考問題的優(yōu)勢。

3 “目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”在問題解決中的教學(xué)策略

目標(biāo)導(dǎo)向思維要外化為學(xué)生解題的自覺行為，得先將其內(nèi)化到學(xué)生的思維體系中，使其成為一種解決問題的思維能力。該如何將“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”根植于學(xué)生的頭腦中呢？

3.1 教師示范，模型建構(gòu)可視化

初中生正處于形象思維向抽象思維過渡的階段，抽象思維能力較弱，因此“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”的建構(gòu)離不開教師用可視化的手段進(jìn)行“示范”（圖3），幫助學(xué)生把碎片的知識整理出來、間斷的思路銜接起來、模糊的策略明晰開來，讓思維從“隱性”到“顯性”、從“模糊”到“清晰”，讓學(xué)生從“無模型”到“有模型”、從“無意識”到“有意識”，也從“拔劍四顧心茫然”變?yōu)椤敖忸}從此有抓手”。

3.2 學(xué)生模仿，練習(xí)編制配套化

“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”的建構(gòu)離不開“學(xué)生模仿”?！罢n上聽來終覺淺，絕知此法要躬行”，教師的“法”要轉(zhuǎn)化為學(xué)生的“招”，離不開學(xué)生的親力親為和刻意練習(xí)。練習(xí)時(shí)，習(xí)題的難度要與學(xué)情配套，先易后難，循序漸進(jìn)。一開始可設(shè)計(jì)一些思維鏈短、分支少的題組，讓學(xué)生容易上手跟著學(xué)。等學(xué)生對思考的流程和操作步驟較熟后，逐步拋出較難的題。如例2，就是學(xué)生在初步掌握“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”流程后拋出的較難的題。筆者啟發(fā)學(xué)生“物體所受的摩擦力怎么求？依據(jù)是什么？”，一步步引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用目標(biāo)導(dǎo)向思維法畫出的解題思路（圖5）。讓學(xué)生體會到該思維模型在聚焦問題、快速找到答案上的獨(dú)特優(yōu)勢，他們才會有想學(xué)想用的迫切愿望。

圖4

圖5 解答例題2 的“目標(biāo)導(dǎo)向思

例2，如圖4 所示，一環(huán)狀物體穿在水平橫桿上，受風(fēng)力作用向左做勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)將桿豎直放置，且所受風(fēng)力不變時(shí)，物體在桿上豎直向下運(yùn)動(dòng)。已知物體重為G，物體在桿上所受的摩擦力與物體對桿的壓力成正比，比例系數(shù)為k（k＜1），則物體在豎直桿上向下運(yùn)動(dòng)時(shí)物體所受的摩擦力為。

再如例3 第（1）小題較簡單，可讓班上基礎(chǔ)較弱的學(xué)生畫思維路徑。而第（2）小題是多對象、多條件限制的動(dòng)態(tài)變化題，筆者要求成績較好的學(xué)生來完成，并適時(shí)地提示“為什么R2為有范圍？如果R2 太小會怎樣？如果R2 太大又會怎樣？”。經(jīng)過不斷的引導(dǎo)，不少能力稍弱的學(xué)生也能順利畫出解答的思維過程（圖7）。品嘗到用“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”解決問題的甜頭，這也大大提升了他們戰(zhàn)勝“難題”的信心。

圖6

圖7 “微重力蜘蛛人”方案中的“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”

例3.在如圖6 所示的電路中，電源電壓9V 保持不變?；瑒?dòng)變阻器上標(biāo)有“20Ω/2A”字樣，電流表的量程為0～0.6A，電壓表的量程為0～3V，電阻R1 的阻值為4Ω。閉合電鍵求：

（1）當(dāng)滑片在滑動(dòng)變阻器的最右端a 點(diǎn)時(shí)，通過電阻R1的電流。

（2）為了保證電路能正常工作及各電表不致?lián)p壞，滑動(dòng)變阻器的取值范圍。

3.3 持之以恒，策略形成自動(dòng)化

“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”的應(yīng)用離不開持之以恒的強(qiáng)化。形成一種新的思維方法，絕不是一朝一夕的事。教師有必要堅(jiān)持不懈地要求學(xué)生在實(shí)踐中用目標(biāo)導(dǎo)向法畫出思維路徑并用此支架去解決問題。若學(xué)生在比較難的問題中、關(guān)鍵的環(huán)節(jié)上，能自動(dòng)地運(yùn)用該模型進(jìn)行聚焦并順利解決問題，說明此時(shí)他已將此思維模型完全內(nèi)化，甚至已將其變?yōu)樽约旱囊环N認(rèn)知策略了。如文首所述，“中國天眼”設(shè)計(jì)師們首次使用“微重力蜘蛛人”檢修方案，這一創(chuàng)舉，其實(shí)就是利用“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”認(rèn)知策略解決問題的一個(gè)絕佳實(shí)例（如圖7）?？茖W(xué)家們良好的思維品質(zhì)和認(rèn)知策略，一定是經(jīng)過長期而系統(tǒng)的訓(xùn)練才形成的。唯有持之以恒，方可彰顯久久為功之成效。

由此觀之，在“目標(biāo)導(dǎo)向思維模型”的建構(gòu)及應(yīng)用中，經(jīng)歷了從“具體問題→提煉思路→形成認(rèn)知策略→廣而用之”的思維進(jìn)階過程，學(xué)生的深度學(xué)習(xí)在這一過程中自然而然地發(fā)生，潤物無聲中核心素養(yǎng)得到了培育。通過“歸納→建?！鷳?yīng)用”也即“特殊→一般→特殊”的兩次建模轉(zhuǎn)換，使物理問題解決的教學(xué)，賦予了方法論滲透的意義，進(jìn)而完成一種“從題到類，從類到法”的智能升級[3]，避免了就題論題、題海戰(zhàn)術(shù)帶來的沉重負(fù)擔(dān)，這種問題解決的教學(xué)策略正呼應(yīng)了當(dāng)下“雙減政策”減負(fù)提質(zhì)的要求。