應(yīng)用結(jié)構(gòu)不良問題培養(yǎng)高中學(xué)生物理科學(xué)思維的策略

羅瑩　鄭淵方

摘? ?要：發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維是重要的教學(xué)目標(biāo)之一。因此在教學(xué)中不僅要教會(huì)學(xué)生解決問題，還應(yīng)注重對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。文章對(duì)在習(xí)題課中應(yīng)用結(jié)構(gòu)不良物理問題培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的意義進(jìn)行研究，并探討解決不同類型的結(jié)構(gòu)不良物理問題對(duì)提高學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力的作用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)不良問題；科學(xué)思維；模型建構(gòu)；質(zhì)疑創(chuàng)新；推理論證

引言

高中物理課程目標(biāo)指出：發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力是重要的教學(xué)目標(biāo)之一。通過高中物理課程學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)。“科學(xué)思維”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?？茖W(xué)思維包含如此多的要素，在教學(xué)中應(yīng)該如何去培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維無疑是個(gè)難題。在一線教學(xué)中習(xí)題教學(xué)是教師常用的培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)方式之一。比如：毛金華提出物理長(zhǎng)作業(yè)有利于促進(jìn)學(xué)生思維的系統(tǒng)性、深刻性、靈活性和獨(dú)創(chuàng)性，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力[ 1 ]。陳志軍認(rèn)為可以通過設(shè)計(jì)進(jìn)階式問題鏈和變式探究強(qiáng)化推理論證，優(yōu)化思維品質(zhì)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)科學(xué)思維[ 2 ]。的確，解決問題是學(xué)生的高級(jí)認(rèn)識(shí)活動(dòng)，這個(gè)過程可以促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展，因此在習(xí)題教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。本文將以結(jié)構(gòu)不良問題為出發(fā)點(diǎn)，研究培養(yǎng)高中學(xué)生物理科學(xué)思維的策略。

1? 結(jié)構(gòu)不良問題的定義及特征

解決問題屬于人的認(rèn)識(shí)活動(dòng)，對(duì)個(gè)人而言，解決問題是促進(jìn)自我成長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值的一個(gè)途徑；對(duì)人類而言，解決問題是理解自然現(xiàn)象和社會(huì)現(xiàn)象，促進(jìn)人類文明進(jìn)步的一個(gè)過程。問題有不同的類型，Reitman以問題的空間界定為出發(fā)點(diǎn)于1965年首次從認(rèn)知心理學(xué)的角度區(qū)分了結(jié)構(gòu)良好問題和結(jié)構(gòu)不良問題。他把結(jié)構(gòu)不良問題定義為初始狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)、算子等至少有一個(gè)不明晰的問題；把初始狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)、算子都明晰的問題定義為結(jié)構(gòu)良好問題[ 3 ]。

美國(guó)學(xué)者Jonassen在Reitman的研究基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的研究，他系統(tǒng)概述了結(jié)構(gòu)不良問題的特征。他將結(jié)構(gòu)不良問題的特征簡(jiǎn)述為以下幾點(diǎn)：?jiǎn)栴}的結(jié)構(gòu)不明確；目標(biāo)界定含糊不清；解決策略不唯一；評(píng)價(jià)解決策略的標(biāo)準(zhǔn)不唯一；可操控的參數(shù)少；沒有原型案例可以參考；無法明確哪些具體概念、規(guī)則對(duì)問題解決的必要性；需要個(gè)體表述自己的觀點(diǎn)或信念等[ 4 ]。基于此，結(jié)構(gòu)不良物理問題的特征主要有“情境化”、結(jié)構(gòu)不確定、解決策略多樣化、結(jié)論開放等。

根據(jù)結(jié)構(gòu)不良物理問題具有的不同特征，結(jié)構(gòu)不良物理問題可以分為內(nèi)容開放型、條件開放型、結(jié)論開放型、策略開放型、綜合開放型這五種類型[ 5 ]。在習(xí)題教學(xué)中應(yīng)該針對(duì)不同教學(xué)情境選擇不同類型的結(jié)構(gòu)不良物理問題。

本研究將選擇具有不同特征的結(jié)構(gòu)不良物理問題來研究培養(yǎng)高中學(xué)生物理科學(xué)素養(yǎng)的策略。

2? 應(yīng)用結(jié)構(gòu)不良問題培養(yǎng)高中學(xué)生物理科學(xué)思維的策略

2.1? 去“情境化”，培養(yǎng)模型建構(gòu)能力

模型建構(gòu)是一種重要的思維方法，在習(xí)題教學(xué)中應(yīng)當(dāng)注重對(duì)學(xué)生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)。課標(biāo)中提到能不能把問題中的實(shí)際情境轉(zhuǎn)化成解決問題的物理情境，建立相應(yīng)的物理模型是解決問題的關(guān)鍵。故而要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，使得學(xué)生在真實(shí)情境中運(yùn)用物理概念解決實(shí)際問題，以此來培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。而結(jié)構(gòu)不良物理問題具有“情境化”的特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)不良物理問題用到習(xí)題教學(xué)中，學(xué)生解決這類問題就相當(dāng)于在實(shí)際情境中獲得解決問題的知識(shí)和策略，發(fā)展科學(xué)思維。

例1（改編自人教版課本習(xí)題）：環(huán)保人員在一次檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有一根排污管正在向外滿口排出大量污水。這根管道水平設(shè)置，管口離地面有一定高度。請(qǐng)估算該管道每秒鐘排出污水的質(zhì)量。（用物理量表示）

如例1所示，這是一道具有“情境化”特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不良物理問題，該題要求學(xué)生估算出管道每秒排除污水的質(zhì)量，然而題目中并沒有明確解決方法與對(duì)應(yīng)的物理觀念。解決這個(gè)問題首先要將排污管流出污水的情境抽象為如圖1所示的平拋運(yùn)動(dòng)這個(gè)物理模型，然后將平拋運(yùn)動(dòng)分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)，結(jié)合平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律以及質(zhì)量和密度的關(guān)系計(jì)算得出該管道每秒排出污水的質(zhì)量。學(xué)生在解決此類情境化的結(jié)構(gòu)不良問題的同時(shí)能夠培養(yǎng)他們從真實(shí)情境中建構(gòu)模型的能力，提高科學(xué)思維。

2.2? 證“缺失化”，培養(yǎng)推理論證能力

2019年高考考綱指出：高考物理在考查知識(shí)的同時(shí)注重考查能力，并把能力的考查放在首要位置。目前高考物理所要求考查的能力有：理解能力、推理能力、分析綜合能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。其中?duì)推理能力的考查要求為能夠根據(jù)已知的知識(shí)和物理事實(shí)、條件，對(duì)物理問題進(jìn)行邏輯推理和論證，得出正確的結(jié)論或做出正確的判斷并能把推理過程正確地表達(dá)出來?；诖?，在習(xí)題教學(xué)中不能只局限于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決物理問題的能力，還要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理、科學(xué)論證能力。條件開放型的結(jié)構(gòu)不良物理問題需要學(xué)生從所給定的信息中篩選出準(zhǔn)確信息，然后運(yùn)用這些信息分析、推導(dǎo)、驗(yàn)證、得出結(jié)論，這系列的問題解決活動(dòng)能很好地發(fā)散學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的推理論證能力。

例2：如圖2所示，球1和球2的質(zhì)量分別為m1和m2，放置在光滑的水平地面上，球1以一定的水平初速v1向右沿兩球連心線運(yùn)動(dòng)，球2則靜止。兩球連心線右側(cè)有一豎直彈性墻，設(shè)兩球之間以及球與墻之間的所有碰撞均為完全彈性碰撞。為了使球能發(fā)生且只能發(fā)生兩次碰撞，試問兩球的質(zhì)量之比m1：m2應(yīng)滿足什么條件？

如例題2所示，這道題屬于條件開放型結(jié)構(gòu)不良物理問題。它考查的是彈性碰撞，要求學(xué)生求出兩小球能發(fā)生且僅發(fā)生兩次碰撞時(shí)兩球的質(zhì)量之比，首先學(xué)生要能推理出兩小球可以發(fā)生且僅能發(fā)生兩次碰撞的情況下兩小球兩次碰撞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其次是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與質(zhì)量的關(guān)系。題干中給出了球1的速度，并給出所有碰撞都是完全彈性碰撞這個(gè)背景，于是可以得出球1與球2碰撞時(shí)系統(tǒng)動(dòng)量守恒、機(jī)械能守恒。由動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒的公式計(jì)算發(fā)現(xiàn)第一次碰撞后球1的速度方向與兩球的質(zhì)量之比有關(guān)系，也就是說要往下推導(dǎo)第二次碰撞的一個(gè)條件是知道m(xù)1和m2的大小關(guān)系，然而題目中沒有給出這個(gè)條件，要解決這個(gè)問題就要對(duì)m1和m2的大小關(guān)系進(jìn)行分類討論，可以分為m1<m2，m1=m2，m1>m2三種情況去分析在兩次碰撞中球1與球2的速度大小與方向，根據(jù)推理兩小球能發(fā)生且僅發(fā)生兩次碰撞時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及兩球速度之間的關(guān)系求得兩球的質(zhì)量之比。解決條件開放型的結(jié)構(gòu)不良物理問題，要求學(xué)生能夠?qū)栴}進(jìn)行分析、推理而后獲得結(jié)論，學(xué)生解決問題的過程中，推理論證能力也得到了訓(xùn)練。

2.3? 解“多樣化”，培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力

質(zhì)疑創(chuàng)新是科學(xué)思維的重要組成部分，同時(shí)素質(zhì)教育要求培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。然而大多數(shù)的習(xí)題作業(yè)沒有對(duì)習(xí)題進(jìn)行篩選，采取題海戰(zhàn)術(shù)，長(zhǎng)期如此，致使學(xué)生養(yǎng)成固有思維或是利用相似問題的解決范式去做題，無法培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力，背離素質(zhì)教育的初衷。結(jié)構(gòu)不良物理問題具有答案不唯一、解決方法不唯一的特征，解決這樣的物理問題就可能出現(xiàn)一題多解或者多題一解的情況。在習(xí)題教學(xué)中教師可以運(yùn)用結(jié)構(gòu)不良物理問題引導(dǎo)學(xué)生從多個(gè)角度思考問題，用不同的方式解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新質(zhì)疑能力。

例3：在生活中物體的質(zhì)量常用電子秤或臺(tái)秤來稱量，對(duì)于地球，我們?cè)鯓尤シQ量他的質(zhì)量呢？需要哪些材料？

3? 結(jié)論

教育的意義在于培養(yǎng)一個(gè)人的思維，而非技能。在習(xí)題教學(xué)中教師不僅要教給學(xué)生解決問題的方法，還要提升學(xué)生的科學(xué)思維，那么就要避免題海戰(zhàn)術(shù)以及填鴨式教學(xué)。傳統(tǒng)的習(xí)題大多屬于結(jié)構(gòu)良好問題，學(xué)生很容易從例題或者曾經(jīng)做過的問題中找到解題模版，這種題目做多了并不能鍛煉學(xué)生的思維能力，還加重學(xué)生的負(fù)擔(dān)。結(jié)構(gòu)不良物理問題具有“情境化”、結(jié)構(gòu)不確定、解決策略多樣化、結(jié)論開放等特征，學(xué)生沒有解決此類問題的范式，需要自己“去情境化”進(jìn)行模型建構(gòu)、構(gòu)造條件去推理論證，在解決問題的過程中，學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新能力可以得到很好的鍛煉，從而提升學(xué)生的科學(xué)思維。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 毛金華.物理長(zhǎng)作業(yè)：科學(xué)思維能力的催化劑[J].物理教學(xué)，2021，43（7）：44-47.

［2］ 陳志軍.指向科學(xué)思維的習(xí)題探究教學(xué)實(shí)踐：以一道全國(guó)高考題的探究教學(xué)為例[J].物理教師，2022，43（1）：23-25.

［3］ W.R.Reitman.Cognition and thought[M].NewYork：Wiley，1965：189.

［4］ David H.Jonassen，鐘志賢，謝榕琴.基于良構(gòu)和劣構(gòu)問題求解的教學(xué)設(shè)計(jì)模式（上）[J].電化教育研究，2003（10）：33-39.

［5］ 彭潔，郭懷中.結(jié)構(gòu)不良問題引入初中物理教學(xué)的分析與討論[J].物理教師，2015，36（4）：45-47.