中学物理电磁学问题设计研究——硕士论文

硕 士 学 位 论 文 论文题目：论文题目：中学物理电磁学问题设计研究中学物理电磁学问题设计研究 作 者： 导 师： 教授教授 系别年级：教育技术学院教育技术学院 学科专业：教育技术学教育技术学 完成日期： 年年 月月 北京师范大学研究生院 I 中学物理电磁学问题设计研究中学物理电磁学问题设计研究 摘摘 要要 加强对学生的问题意识、创造性思维以及问题解决能力的培养，是新课程改革的重 要目标之一。问题是培养学习者认知发展和高级思维技能的基础，对于教学有着至关重 要的作用。而对整个教学过程来说，各个教学环节需要不同复杂程度的问题来支撑和引 导，尤其对分层教学来说更是如此。因此，教师需要的不止是一个单独的问题，更是知 识和方法要求有层次区分的一系列问题，本研究将其称为“问题系统” 。 针对问题和问题系统的设计方法，教学设计以及物理教学论领域的专家已经做出了 一定的研究成果，但多是宏观策略和原则指导，不足以为一线物理教师的具体操作提供 帮助。以学习活动为中心的教学设计理论，提出了知识推理路径问题设计方法，尝试为 教师提供一种可操作的问题设计技术，但仍有待完善。 本文在现有研究成果的基础上，针对中学物理电磁学探索出知识关联图问题设计的 操作技术。并通过问卷调查以及缺陷分析的方法进一步完善和改进这种问题设计技术。 从设计单个问题到设计一个问题系统，本研究进一步发展和提升了物理问题设计的技术 水平。 本研究主要包括以下三部分内容： （1）物理学科知识关联图的绘制规范和问题设计的操作细节。该部分对物理学科知 识关联图的应用功能、构成成分、绘制步骤以及完备性检验方法做了详细说明，并阐述 了其相对知识推理路径的继承与创新。同时，在借鉴知识推理路径问题设计方法的基础 上，进一步完善针对知识关联图的 ADM 操作方法。 （2）中学物理电磁学问题系统设计方法。针对物理电磁学部分的知识内容，运用知 识关联图问题设计方法设计一系列问题，并在此基础上总结出问题系统的构建方法。 （3）问题系统设计成果的问卷调查与归因。通过问卷调查，分析所设计的问题及问 题系统存在的缺陷与不足，根据分析及归因的结果进一步改进和完善问题设计技术。 关键词：关键词：问题设计，问题系统，物理电磁学，知识关联图 II A Study on Problem Design of Physics Electromagnetism in Middle School ABSTRACT Enhancing the students problem awareness, creative thinking and problem solving abilities is one of the most important goals of the New Curriculum Reform. As the foundation to train learners cognitive development and advanced thinking skills, problem has a vital role for instruction. And for the whole teaching process, problems on different levels are needed in various teaching link, especially for the hierarchical teaching. What teachers need is more than just a single problem, but a series of problems which can be distinguished according to the knowledge and methods required. We call them the “problem system”. Experts in fields of Instructional Design and Physical Pedagogy have made some achievements on the methods to design a problem and problem system. But most of them are macroscopic principles which cant help the Physics teachers directly and specifically. In the study of Learning Activity-Centered Instructional Design, a method to design a problem using Knowledge Ratiocination Routes was explored. It is a operational problem design technology but still needs to be improved. In this paper, on the basis of existing research results, the problem design technology using Knowledge Relating Network has been explored and applied in Physics Electromagnetism of middle school. The author also validates this technology through questionnaire and limitation- analysis and further improves it. Designing a problem system instead of a single problem, this research develops and improves the technical level of Physics problem design. The research is composed of the following three parts: (1) Mapping rules of Knowledge Relating Network and operation details of Physics problem design. In this part, the author elaborates the function, components, mapping steps, self- consistency verification of the Knowledge Relating Network and its relationships with and differences from the Knowledge Ratiocination Routes. And the ADM operation method on Knowledge Relating Network is improved using Knowledge Ratiocination Routes Problem III Design Method for reference. (2) Problem system design method for Physics Electromagnetism in middle school. Design a series of problems on Physics Electromagnetism with the Knowledge Relating Network Problem Design Method. And then sums up the method to construct a problem system. (3) The questionnaire-based survey and attribution on the fruit of problem system design. Analyze the limitation of the problems and problem systems which are designed in this paper, and further improve the perfect the problem design technology in the light of the analysis results. KEY WORDS：Problem Design, Problem System, Physics Electromagnetism, Knowledge Relating Network 1 目目 录录 中学物理电磁学问题设计研究I 摘 要I A Study on Problem Design of Physics Electromagnetism in Middle School.II 目 录1 正文图表目录1 附录图表目录3 1 绪论1 1.1 研究背景 1 1.2 相关研究综述 2 1.2.1 问题设计的相关研究2 1.2.2 物理电磁学的相关研究4 1.2.3 研究现状分析总结5 1.3 研究意义 6 1.3.1 理论意义6 1.3.2 实践意义7 2 研究的整体设计7 2.1 关键词界定 7 2.1.1 “问题”的界定7 2.1.2 问题系统9 2.2 研究目标与内容 9 2.2.1 研究目标9 2.2.2 研究内容9 2.3 研究过程设计 .10 3 知识关联图问题设计技术.11 3.1 知识关联图介绍 .11 3.1.1 知识关联图及其功能.11 3.1.2 知识关联图的构成成分.12 3.1.3 知识关联图的绘制方法.13 3.1.4 知识关联图与知识推理路径的联系与区别.18 2 3.1.5 知识关联图介绍小结.18 3.2 运用知识关联图进行问题设计 .19 3.2.1 绘制知识网络图.19 3.2.2 选择问题原型.20 3.2.3 ADM 操作 .21 3.3 小结 .23 4 中学物理电磁学问题系统设计.23 4.1 问题系统设计方法概述 .23 4.2 问题系统设计举例 .24 4.2.1 绘制知识网络图.24 4.2.2 选择问题原型并绘制知识关联图.25 4.2.3 针对知识关联图进行 ADM 操作设计新题.26 4.2.4 分析问题知识结构，构建问题系统.38 4.3 中学物理电磁学问题系统设计技巧 .42 5 问卷调查分析与归因.43 5.1 单个问题的调查结果统计与分析 .43 5.1.1 科学性缺陷分析和归因.45 5.1.2 教学性缺陷分析和归因.45 5.2 问题系统的调查结果统计与分析 .46 5.3 分析与总结 .48 6 后续研究与展望.48 6.1 与课堂教学相结合，深入问题设计技术的研究 .48 6.2 探索问题设计技术的自动化实现 .48 参考文献.49 附 录.51 附录 1 高中物理电磁学问题设计调查访谈提纲 51 附录 2 高中物理电磁学问题系统缺陷分析问卷 53 致 谢.60 1 正文图表目录正文图表目录 表 1 面向各科课程的教学问题设计模板.3 表 2 新题知识结构分析表.38 表 3 单个问题的调查结果统计表.43 图 1 研究流程图.11 图 2 知识关联图构成成分.13 图 3.13 图 4 知识关联图绘制举例步骤一.14 图 5 知识关联图绘制举例步骤二.14 图 6 知识关联图绘制举例步骤三.14 图 7 知识关联图绘制举例步骤四.14 图 8 知识关联图绘制举例步骤五.15 图 9 知识关联图绘制举例步骤六.15 图 10 知识关联图绘制举例步骤八.17 图 11 知识关联图删除操作举例.22 图 12 问题系统设计举例知识网络图.24 图 13 问题原型题目中图.25 图 14 问题原型知识关联图.25 图 15 新题 1 题目中图 126 图 16 新题 1 题目中图 226 图 17 新题 1 知识关联图.27 图 18 新题 2 题目中图 127 图 19 新题 2 题目中图 227 图 20 新题 2 知识关联图.28 图 21 新题 3 题目中图 128 图 22 新题 3 题目中图 228 图 23 新题 3 知识关联图.29 图 24 新题 4 题目中图.29 图 25 新题 4 知识关联图.30 图 26 新题 5 题目中图.30 2 图 27 新题 5 知识关联图.31 图 28 新题 6 题目中图.31 图 29 新题 6 知识关联图.32 图 30 新题 7 题目中图.32 图 31 新题 7 知识关联图.33 图 32 新题 8 题目中图.33 图 33 新题 8 知识关联图.34 图 34 新题 9 题目中图.35 图 35 新题 9 知识关联图.35 图 36 新题 10 题目中图.36 图 37 新题 10 知识关联图.36 图 38 新题 11 题目中图.37 图 39 新题 11 知识关联图.37 图 40 问题系统问卷统计结果图.47 3 附录图表目录附录图表目录 图 1 题 1-1 图 1.54 图 2 题 1-1 图 2.54 图 3 题 1-2 图54 图 4 题 1-3 图55 图 5 题 1-4 图55 图 6 题 1-5 图55 图 7 题 1-6 图56 图 8 题 1-7 图56 图 9 题 2-1 图56 图 10 题 2-2 图57 图 11 题 2-3 图57 图 12 题 2-4 图57 图 13 题 2-5 图57 图 14 题 2-6 图57 图 15 题 2-7 图58 图 16 题 2-8 图58 1 1 绪论 1.1 研究背景 随着 21 世纪经济时代的到来，培养学生的问题意识、创造性思维以及问题解 决的能力逐渐成为备受关注的课程目标，一系列的课程改革正是在这样的时代背 景下轰轰烈烈地展开。而问题是培养学习者认知发展和高级思维技能的基础。现 代心理学认为，一切思维都是从问题开始的。1因此，一个好的问题对于教学有 着至关重要的作用。 物理学科的新课程改革强调关注学生的学习过程，注重分析、解决物理问题 的思路。2这一目标的实现更是离不开一个好的物理问题。从课堂练习、课后巩 固到单元复习等等各个教学环节，都需要教学问题的支撑和引导。而针对一个特 定知识单元内容的教学来说，各个环节需要的问题是不同的，问题所训练或考查 的知识点的复杂度和难度都应该有所不同，尤其对分层教学来说更是如此。因此， 教师需要的不止是一个单独的问题，更是知识和方法要求有层次区分和不同侧重 的一系列问题，在此笔者称其为“问题系统” 。这一问题系统，不仅能够与教学的 各个环节相吻合，还应该能够帮助教师开展个别化教学以及分层教学等。 那么如何设计一个问题？如何设计一系列问题从而构造一个满足教学需求的 问题系统？教学设计以及物理教学论领域的专家对此已经有了一定的探讨，如问 题教学的设计与实施、问题解决能力的培养、问题设计的原则、问题的分类和各 类型问题设计思路等，这些研究成果为问题设计提供了有力的宏观指导和方向指 引。但到底如何通过一步步操作设计出满足自己教学需要的问题呢？上述研究还 不能为一线物理教师提供一个很好的答案。 以学习活动为中心的教学设计理论，提出了一套从目标知识点出发设计物理 问题的知识推理路径问题设计方法，一定程度上突破了上述研究的局限，尝试为 教师提供一种可操作的技术方法，但仍然有待完善。 本文正是在现有研究成果的基础上，试图进一步改进和发展物理问题设计技 术。为保证研究的准确性，笔者选择以中学物理课程中的重点内容之一电磁 学知识内容为载体，研究中学物理电磁学问题及问题系统的设计方法。 2 1.2 相关研究综述 1.2.1 问题设计的相关研究 培养学生解决问题的能力是一个重要的课程目标，而问题是培养学生高阶思 维技能的关键。目前问题的重要性得到国内外研究学者的普遍认可，如有学者认 为“问题有助于摆脱思维定势、问题促使思维进入后反省状态 、问题的解决带 来成功的体验、问题可促使顿悟的产生”3等等。而对问题设计的关注也逐 渐出现在国内外各个研究领域。 1.2.1.1 国外相关研究 目前国外对问题设计并没有专门深入的研究，而对问题的关注主要体现在基 于问题的学习模式（PBL）以及问题解决研究领域。 基于问题的学习模式最早应用于医学教育领域，现在已经越来越多地被其他 领域所采用，如电子工程教育及中小学教育等。目前该领域的研究主要集中在 PBL 教学模式的应用研究4，包括教学策略、教学方法以及 PBL 教学模式的有效 性研究5等。尽管在研究侧重点、研究方法以及研究结论上各有不同，但有一点 得到大家一致的认同：问题是 PBL 学习模式的核心，而问题的情境及结构则是关 注的焦点。如 Barrows 曾指出“问题应该与学生在真实情境中遇到的问题相似” ； 6Byrnes 则认为问题的结构可以是单独的情境，也可以由一系列需要重复使用相 同认知图式才能解决的问题组成，而后一种问题结构更有利于学习的迁移。7 对于问题解决的研究，国外心理学领域已经取得了非常丰硕的成果，包括问 题解决的心理机制、问题解决的过程模式、问题解决的思维策略、影响问题解决 的个性因素等。8研究问题解决教学应用的代表人物是乔纳森，他将问题按照结 构进行分类，并提出了针对不同类型问题的教学设计模式9。 总之，国外的研究虽然对具体的问题设计方法涉及较少，但是已有的研究成 果为问题情境的设计以及对问题符合学生认知规律的保障提供了很好的指导作用。 1.2.1.2 国内相关研究 国内对问题设计的研究成果主要来源于问题解决教学以及学科化教学设计的 研究。 1.问题解决教学的研究 问题解决教学的研究在数学、化学等多学科教学中得到广泛的关注，问题设 计在问题解决教学中的重要地位也得到普遍的认可，有学者认为“问题设计是问 3 题教学的精髓” 、 “如何设计出高质量、有效的问题，是问题教学成功与否的关键 所在”10等。 该领域中针对问题设计的研究比较多，但研究成果多是单独探讨问题设计的 方法、原则、策略、技巧或经验介绍等。值得关注的是，目前越来越多的研究者 意识到了问题系统设计的重要性。 朱德全从横向和纵向两个维度对数学问题系统的构建进行了探究。他指出， 构建横向问题系统即构建知识网络，使数学知识以不同问题方式展现出来，使学 生在不同方式的问题认知过程中实现认知结构的整体优化，问题方式包括操作式 问题、多变式问题、类化式问题、目标式问题和挑战式问题；而构建纵向问题系 统即构建螺旋性问题，通过剖析新知使之逐步转化为已知，问题形式包括迁移性 问题、过渡性问题、反馈性问题、强化性问题和延伸性问题。11 胡小勇则在总结 各种问题类型的基础 上，以五何、基本- 单元-内容、老-新-难、 识记-理解-应用-分析 -综合-评价等问题类 型为维度，提出了三 套教学问题集设计模 板：面向人文领域的 教学问题设计模板、 面向理科领域的教学 问题设计模板、面向 各科的教学问题设计 模板，试图为教师的教学问题设计提供帮助。其中面向各科的问题设计模板如 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.所示。 横向维度代表问题所指的问题类型，纵向维度代表知识的认知程度，而斜方 向切入的“由何”为整个问题集的设计提供情境化的导向。作者同时阐述了教学 问题设计模板的使用方法：根据课程内容自由设计问题；选择相应的教学问 题设计支架进行问题类型的质量验证，将所设计的教学问题依次定位于表格之中； 通过分析单个教学问题质量和问题集类型的整体分布，发现教学问题设计所存 在的缺陷；针对模板表格中所发现的教学问题不足之处进行再设计。12 系统性的一系列问题更有助于培养学生的高级思维技能，因此对问题系统或 问题集设计的探究，为问题设计的发展指明了一定的方向。同时，在问题教学的 研究队伍中，一线教师也做出了不容忽视的贡献。他们在挖掘教学需求总结教学 表 1 面向各科课程的教学问题设计模板 4 经验的基础上，指出了课堂教学问题设计的重要性，并总结出问题设计的原则以 及设计时应注意的问题，如设计的问题要满足基础性、科学性、针对性、启发性、 有序性、现实性、发展性；问题的设计要遵循学生的认知规律，要有利于建立学 生的思维模型13。还有一些物理教师总结出一些很值得借鉴的问题设计的技巧方 法，如通过实验设计问题、通过知识应用进行设计、通过已有知识的扩展进行设 计14等等。这些研究虽然没有形成一定的体系，但却是珍贵的教学经验总结，对 问题设计理论和技术研究的发展奠定了很好的基础。 2.学科化教学设计的相关研究 教学设计的学科化带来了对问题设计技术的迫切需求。针对单纯的教学策略、 教学模式等要素选择的教学设计理论已经不能满足学科教师的要求。新一代的教 学设计将任务设计作为教学设计的核心内容，而问题解决是一种重要的能力生成 任务，因此“问题设计将会成为教学设计理论研究的新领域” 。15 物理学科化教学设计的研究中对问题设计的关注主要有两种思路： 一是与教学过程相结合，提供不同类型问题设计的策略。如吴光超将问题按 照设问的形式、问题解答的内容、问题解决的思维类型、问题的内容性质等不同 的维度分为不同的类型，在提出分别针对物理基本概念和规律教学、科学思维方 法训练、专题复习建立知识结构、举一反三解题能力训练以及课外辅导的问题设 计策略后，以物理电磁学的教学实践为例，结合具体的教学流程阐述了问题设计 策略在各个教学环节的应用，其中包括各种类型问题设计的时机和比例等。16 二是提供一套从目标知识点出发设计问题的可操作性技术。利用知识推理路 径进行问题设计的初步探索即是这样一种思路：通过包含目标知识点的物理知识 网络图找出与其相关的已学知识点，找到已学知识点或目标知识点的问题原型， 通过对此问题原型知识推理路径的 ADM 操作，设计出适合培养或加深对目标知 识点理解的问题。这种思路源于以学习活动为中心的教学设计理论研究，张润芝 和刘亚萍的硕士论文中探讨了这样一种技术并分别将其应用于中学物理力学和中 学数学函数部分的教学设计中，17 18其中张润芝的研究为本文提供了重要的参考 和基础。 1.2.2 物理电磁学的相关研究 高中物理的主要内容是经典物理学的基础知识，其中以力学和电磁学为重点。 而电磁学内容的概念繁多且抽象等特点，对学生的知识理解和应用造成一定的困 难，通过恰当的学科问题加强学生对电磁学内容的掌握，是重要的教学手段之一。 同时这一部分内容还具有以下一些特点： 首先，电磁学研究的是电磁的基本运动形式，在解决电磁学问题时往往又贯 5 穿着力学中的力和运动、功和能这两条主线19，因此电磁学教学中需要的问题更 具有综合性、复杂性。 其次，高中物理教材将电现象和磁现象分开处理，而实际上这两种现象是紧 密联系不可分割的。20为了让学生更准确地掌握电磁学的基本概念和规律原理， 教师更需要系统化的问题来促进结构化的教学。 可见，电磁学教学需要恰当且针对性的学科问题，而上述特点也为问题设计 的研究提出了最基本的要求。 有些学者结合物理教学实践总结出一些电磁学教学以及培养学生思维能力的 方法和心得，同样对本文的研究具有借鉴意义。如有学者提出通过一题多解培养 学生的发散思维21、利用类比法增强学生对概念的理解和知识的迁移22等等。这 些经验对于电磁学问题的设计具有很好的启发和指导意义。 1.2.3 研究现状分析总结 通过以上的研究现状分析我们可以发现，问题设计的重要性已经得到普遍的 关注和认可，对于问题设计的原则、方法等宏观指导策略已经有了比较充分的研 究，教师或研究者提供的一些技巧也具有很好的借鉴作用。但是整体来说，问题 设计的研究还不够系统化、理论化。 知识推理路径问题设计的方法与其它研究有着显著的不同。首先在功能上， 它提供一种具体可操作的技术方法，可以切实地帮助教师设计自己需要的问题； 其次在对问题的理解上，知识推理路径问题设计方法更关注的是问题所蕴含的知 识结构，而非问题的外在形式。一个问题是否能够真正激发学生的思维，关键在 于问题所蕴含的知识是否能够激活学生头脑中已有的认知结构，构成问题空间的 知识网络是否足够丰富。从这两个角度讲，从目标知识点出发设计问题是问题设 计发展的正确方向。 但知识推理路径问题设计的方法研究也存在一些不足。首先，它只是针对设 计单个问题方法的初步探索，对问题系统的设计并没有涉及；其次，知识推理路 径是整个问题解决的过程，包含了问题解决者（或问题设计者）的主观判断和推 理，这样一条路径不足以客观准确全面地表达知识之间的关系，也有可能会掩盖 问题解决的其他路径，因此在用其来设计一题多解或一题多变的问题时就会受到 限制。相对知识推理路径，知识关联图描述的是问题所蕴含的知识及知识之间的 关系，是对知识网络的客观表征，更适于用来表征和设计问题。因此本研究所要 研究的知识关联图问题设计方法将是对知识推理路径问题设计方法的改进和进一 步发展。 另外，知识推理路径问题设计的已有研究只将其方法应用于高中物理的力学 6 知识，而电磁学知识相对力学知识又有着不同的特点。已有的方法是否同样适用 于电磁学甚至可以推广到整个高中物理教学，还需要进一步的研究验证。 1.3 研究意义 本研究属于物理学科教学设计研究的范畴，从理论和实践上都具有一定的研 究意义。 1.3.1 理论意义 从理论意义上来讲，本研究既是对问题设计技术的改进和提升，同时也能促 进教学设计理论的进一步发展。 1.3.1.1 促进问题设计技术的发展 问题设计的原则、技巧、方法固然能为教师的问题设计提供一定的指导，但 仅有宏观的指导没有微观具体的技术方法，难以切实满足一线老师的需求，也很 难形成一套完整的问题设计理论体系。 在将“以学习活动为中心的教学设计理论”具体化到物理教学的过程中，以 往的研究者初步提出了利用知识推理路径进行问题设计的思路。这种思路的最大 特点是提供了问题设计的具体操作方法：从特定目标出发，针对问题中知识点和 问题情境的变换设计不同的问题。23该思路为中学物理教师的理性问题设计做出 了初步探索。 知识推理路径可以清晰地展示问题所涵盖的知识点和问题情境的变化路径， 但不足的是这条路径包含了问题解决者的主观判断和推理，不足以客观准确地表 达知识之间的关系。而本文所采用的知识关联图描述的是问题所蕴含的知识及知 识之间的关系，是对知识网络的客观表征。利用知识关联图进行问题设计的技术 即是对知识推理路径问题设计方法的改进和发展。 另外，前人的研究多是只关注单个问题的设计，而本文从设计一个问题到设 计一个问题系统，这种研究思路更加符合物理教学的需要，也更能提升问题设计 技术的技术水平。 由此可以看出，本文对问题设计的研究，从研究角度和研究范围上都有所突 破创新，在一定程度上能够促进问题设计理论研究的发展。 1.3.1.2 促进教学设计理论的进一步发展 教学设计的一个重要组成部分是任务设计。因为学生通过完成任务学习知识 技能，任务决定了如何学进而决定如何教，也就是说，学习任务既是对学习内容 7 的描述，也是对学习成果和过程的描述。相对于教学策略、教学模式等形式要素 来说，任务设计是教学设计的内容要素。 目前，关注任务设计的主要是以学习活动为中心的教学设计理论研究。该研 究指出活动任务包括意义建构的任务和能力生成的任务，并提出了知识网络图和 知识网络图变形法作为任务设计的基础和操作方法。24 不论是意义建构类活动任务的设计还是能力生成类活动任务的设计，都离不 开问题设计技术的支撑。知识的理解与运用以及思维的训练都需要一个好的问题。 因此，问题设计是任务设计的关键，进而也是教学设计研究的重要领域。问题设 计技术的改进和发展将进一步促进教学设计理论研究的发展。 1.3.2 实践意义 本研究的实践意义主要在于为中学物理教师对于复杂性、综合性问题的设计 提供一种具体可操作的技术方法。 物理问题是促进学生掌握物理知识、提高问题解决能力的重要手段和工具。 一个好的问题应该能够充分地激发学生的思维，引导学生积极探索整个的问题空 间，同时还应该能够帮助教师诊断学生的知识缺陷和不足。经验丰富的物理教师 或许能够设计出自己需要的教学问题，但对于大部分新手教师来说却很困难，只 能从市面上大量的习题集中苦苦寻觅。事实上，对于复杂综合性的问题，完全凭 经验也是很难设计出的。 信息时代下教师角色的转变对教师的信息素养和教学科研等能力提出了更高 的要求。作为教学过程的设计者，25教师应该能够设计出满足教学目标的学习资 源，当然也包括能够激发学生思维的教学问题。本研究对问题设计技术的探索将 有助于中学物理教师增强问题设计的能力和理性。 为减轻教师的工作负担，这种技术最终将实现自动化，教师将能够利用计算 机快速准确地搜索或是设计出针对特定知识点的问题，以满足教学的需求。而本 研究则为最终自动化的实现做出初步探索。 8 2 研究的整体设计 2.1 关键词界定 2.1.1 “问题”的界定 关于问题的研究有很多，如基于问题的学习模式研究、问题化教学研究、问 题解决的研究以及以问题为中心的学习环境设计研究等。研究的侧重不同，对问 题的界定也有所不同。 格式塔心理学家 Karl Dunker 在 1945 年对问题的定义是：当一个有机体有个 目标，但又不知道如何达到目标时，就产生了问题，问题是一种相对存在。问题 解决研究的教父级代表人物 Newell 和 Simon 则认为问题是一种情境，包括三个主 要部分：当前状态、目标状态、从当前状态向目标状态转化所需的一系列操作 （Newell & Simon，1972） 。26从建构主义学习环境设计的研究来看，问题是被赋 予挑战性、真实性、困惑性的学习任务。27而乔纳森对问题关键属性的描述得到 普遍的认可，即首先，一个问题是某种情境下的未知实体（目标状态与现实状态 的差异） ；第二，发现或解决这一未知实体具有社会的、文化的或智能的价值。28 国外的研究对问题的分类主要从以下几个角度进行划分： (1) 界定良好问题和界定不良问题：界定良好问题有一个明确定义的初始状态 和目标状态，和一系列可能被用来缩小和消除两种状态之间差异的操作过程；界 定不良问题在初始状态、目标状态和操作过程的一个或多个方面存在不同程度的 模糊性和不明确性。 (2) 语义丰富问题和语义贫乏问题：如果解题者对所要解决的问题具有很多相 关的知识，这种问题称为语义丰富的问题；如果解题者对要解决的问题没有相关 的经验，这种问题称为语义贫乏的问题。29 (3) 专门领域的问题和非专门领域的问题：非专门领域的问题有明确的答案， 但对问题解答不要求有专门的专业训练，如河内塔问题等；专门领域问题是与问 题解决者的知识基础和教育训练有关的问题，如物理问题、数学问题等学科问题。 30 (4) 良构问题和劣构问题：乔纳森按照问题的结构将问题分为良构问题和劣构 问题，并根据问题从结构良好到结构不良的连续序列，阐述了 11 类问题的分类学 方法，包括逻辑问题、算法问题、故事问题、规则运用问题、决策问题、故障排 除问题、诊断解决问题、技巧/策略运用问题、案例/系统分析问题、设计问题和 9 两难问题。31 本研究中的“问题”指的是物理教学情境下所使用的物理学科问题。所有的 问题都是针对特定的知识点而设计的，教师可以根据需要确定问题的形式并将其 运用于课堂提问、习题训练或探究性学习活动中。显然这里的“问题”属于专门 领域的语义丰富性问题。 另外，不同的教学环节或教学目标所需要的物理问题也是不同的，如黄东兰 在其硕士学位论文中讲到数学习题的选择时提到：理解新知识要选用模仿性习题； 揭示新知识的本质要选择规律性习题；解决教材重点、难点要选择针对性习 题32而本研究所涉及的问题均是从目标知识点出发设计的针对性问题，且考 虑到电磁学的知识特点和物理教师的实际需求，本文中的问题多具有综合性和复 杂性，旨在用于培养学生运用知识解决问题的能力。也就是说，本研究中的问题， 指的是针对性特定知识点的、综合性物理电磁学问题。 2.1.2 问题系统 本研究从知识结构的角度关注问题，认为问题的形式、应用方式、呈现形式、 应用时机等，应该取决于教师的教学设计。事实上，教师在教学设计的基础上设 计自己需要的问题才是最理想的状态，本文正是要为物理教师提供这种技术方法。 关注问题的知识结构是本研究的基础，同样，这里的问题系统也是从知识结 构的角度进行界定的。本文中的问题系统指的是这样一系列问题：问题蕴含的知 识结构之间具有内在联系，所有问题包含着至少一个共同的知识点（一般是原理 类或概念类知识点） ，而问题之间在涵盖的知识点数量、问题复杂度方面具有层次 性。 知识关联图是对问题的客观表征，因此从知识关联图上可以看出问题系统内 所有问题的内在关联性。如一系列问题的知识关联图所包含的操作子节点分别为 A、AB、AC、ABC操作子组合的种类及数量取决于特定物理知识的特点以 及教学设计的需求。同时操作子节点和情境操作子节点的数量还可以为分析问题 序列的复杂度层次提供线索。 对于构成问题系统的所有问题，按照一定的顺序进行排序，可以达到特定的 教学功能。本研究所设计的问题系统均按照问题涵盖的知识点种类和数量、操作 子数量和情境操作子数量递增排序，排序方法会在第四章中详细介绍。教师可以 选择这种复杂度递增的问题系统进行巩固提高性练习，或者从中挑选合适的问题 构成子问题系统进行分层教学。总之，问题系统的具体应用取决于教师的教学设 计和具体教学要求。 10 2.2 研究目标与内容 2.2.1 研究目标 本研究拟在借鉴已有研究成果的基础上，进一步探索和完善物理问题设计技 术。针对高中物理电磁学部分的知识，尝试运用知识关联图问题设计方法，从目 标知识点出发设计一系列物理电磁学问题进而构建一个在知识结构上具有内在联 系的问题系统。最终总结出一套具有普适性和可操作性的问题及问题系统设计方 法。 2.2.2 研究内容 本文研究的内容主要包括三部分：探索物理学科知识关联图绘制规范（表征 问题） 、探索知识关联图问题设计技术（设计单个问题） 、探索问题系统构建方法 （设计问题系统） 。 2.2.2.1 探索物理学科知识关联图的绘制规范，验证完备性检验方法 张晓英博士等人在研究论文中首先提到了知识关联图是一种问题设计的工具， 33但是对知识关联图的绘制和使用方法都没有涉及。如何绘制知识关联图，物理 学科中的知识关联图应该具有怎样的绘制规范，以及如何验证知识关联图的完备 性，这是本文所探讨的重要内容之一。 2.2.2.2 探索知识关联图问题设计技术 知识关联图问题设计技术与已有的知识推理路径问题设计技术在思路上是一 致的，都是针对问题原型表征图中的节点进行 ADM 操作来设计新的问题。在设 计单个问题时是否可以继续采用原有的 ADM 操作方法，这一问题在本文中也得 到进一步探讨。 2.2.2.3 探索问题系统的构建方法 本研究针对物理电磁学部分的知识内容，运用知识关联图问题设计方法设计 一系列问题，在此基础上总结出问题系统的构建方法。 2.3 研究过程设计 本研究主要采用文献调研法、访谈法以及问卷调查法。 11 首先通过文献调研以及访谈中学物理教师确定研究意义及必要性； 其次，探索物理知识关联图绘制规范，并结合文献调研以及访谈的结果，利 用知识关联图设计针对特定知识点的物理问题、探索问题系统的构成； 然后，将设计出的问题系统，以调查问卷的方式提交给物理学科专家教师进 行审核，分析问题以及问题系统的缺陷与不足； 最后通过分析问卷调查的结果，探究缺陷产生的原因，反思知识关联图问题 设计技术本身的缺陷，最终总结改进问题设计的技术。 具体的研究流程如下图 1 研究流程图所示： 探索知识关联图绘制 规范及其完备性检验 探索知识关联图问 题设计技术 设计物理电磁学问 题并构建问题系统 修改 设计缺陷分析问卷 回收问卷，进行缺 陷分析 修修改改 对问题的缺陷进行 归因 确定研究的意义及 其研究现状 文献调研及访谈 问卷调查 图 1 研究流程图 3 知识关联图问题设计技术 3.1 知识关联图介绍 3.1.1 知识关联图及其功能 问题的本质体现于问题所蕴含的知识点及其之间的关系，知识点以各种关系 12 存在相互关联从而构成网络结构。如果我们将知识点及其关系构成的网络结构用 图表达出来，这张图我们称为知识关联图。 知识关联图是对问题所蕴含的知识点网络结构的客观表征，不同的问题对应 着不同的知识关联图，而新的知识关联图则意味着新的问题。总体来说，知识关 联图具有以下两种功能： 1. 是问题的客观表征 以网络图的形式客观地展现物理问题所蕴含的知识点、知识点之间的关系以 及问题的推理结构，相比文字描述形式更为形象直观，更有利于问题使用者对问 题的本质把握和针对性使用。 2. 是问题设计的基本工具 知识关联图问题设计的方法正是以知识关联图为基本工具设计新的问题。通 过对所选问题原型的知识关联图进行 ADM 操作，增加、删除、替换知识点，可 以针对性地设计出教学所需要的物理问题。 3.1.2 知识关联图的构成成分 知识关联图将问题所蕴含的知识点归纳为不同的类型并用不同的形状表示， 知识点间以弧或线段相连。具体包括以下构成成分： 1. 问题情境节点：物理问题情境，如“导体棒在平行导轨上切割变化磁场 做匀减速运动” 。问题情境节点用“”表示。 2. 操作子节点：解决问题需要用到的特定原理、公式或过程类知识点，如 “E=BLv” 。操作子用“”表示。 3. 情境操作子节点：指特定的操作子在具体问题情境中的表达方式，类似 于物理知识推理路径中的物理问题情境节点 2带有公式及相应数值的 算式运算过程。情境操作子节点用“”表示，每一个情境操作子 节点要与相对应的操作子节点及物理量概念节点以无向线段相连。 4. 概念节点：包含两类，一类是与初始情境节点相连的事物或概念类知识 点，这里可称为概念节点 I；另一类是与情境操作子节点相连的物理量或 知识点，称为概念节点 II。概念节点用“”表示。 5. 标识节点：用于标识概念节点 II，可用于知识关联图的完备性检验，用 “”表示。此节点包含两个属性值：标识符号和状态值。 (1) 标识符号是指概念节点的物理符号表示方式，如“质量”节点的标识符号 为 m； (2) 状态值用以表示概念节点 II 的状态：已知、未知、所求，三种状态分别 13 用 1、0、-1 表示。 其中状态值是必须的，而对于某些属性类概念节点没有特定的物理标识符号， 如磁场方向，则在知识关联图中可以省略。 五种节点以有向弧和无向线段相连，构成问题的知识关联图，如图 2 知识关 联图构成成分 所示： 图 2 知识关联图构成成分 其中问题情境节点与情境操作子节点之间以有向弧相连，代表由问题情境推 导出情境操作子节点，而推导的依据是与情境操作子节点相连的操作子节点。除 此之外，其余节点间均以无向线段相连。 在知识关联图的构成成分中，问题情境节点、情境操作子节点、操作子节点 和概念节点 II 是必需的，是表征问题结构的基本要素。而标识节点、与问题情境 节点相连的概念节点 I 在某些情况下可以不出现在图中。 为简化知识关联图，我们可以将标识节点中的标识符号与对应的概念节点合 并，状态为已知的概念节点省略其标识节点。这样可以在不影响知识关联图表征 及设计作用的基础上尽可能地简化操作。 3.1.3 知识关联图的绘制方法 知识关联图是用来客观表征问题的拓扑网络图，绘制知识关联图即要画出问 题涵盖的所有类型的知识点，并通过弧和线段刻画出知识点之间的关系。一个问 题的知识关联图往往包含多个节点、多种关系，如果没有一个标准规范而随意绘 制，则很难保证绘制的完整和准确性，也不便于接下来问题设计的操作。本文通 过大量的尝试总结出一套规范的绘制方法：从初始的物理问题情境出发绘制知识 关联图。下面以一个具体实例演示知识关联图的绘制步骤。 14 首先选择一个物理问题：如右图 3 所示，一匀强 电场，场强方向是水平的，一个质量为 m 的带正电 q 的小球，从 O 点出发，初速度的大小为 v0，在电场力 与重力的作用下，恰能沿与场强的反方向成 角的直 线运动。求小球运动到最高点时其电势能与在 O 点的 电势能之差。 本问题的知识关联图绘制步骤如下： 步骤一：阅读文字描述，分析总结初始的物理情境，绘制问题情境节点，得 图 4 知识关联图绘制举例步骤一所示第一个节点： 带正电小球在水平匀强电 场中做匀减速直线运动 图 4 知识关联图绘制举例步骤一 步骤二：分析问题情境，绘制与问题情境节点相关联的概念节点 I，得下图 5 知识关联图绘制举例步骤二 匀减速 直线运 动 带正电 小球 匀强电 场 带正电小球在水平匀强电 场中做匀减速直线运动 图 5 知识关联图绘制举例步骤二 步骤三：根据问题情境节点及与情境相关联的概念节点 I，可推出需要用到 的原理、公式等知识点。绘制相应的操作子节点和具体的情境操作子节点，并按 照规范将节点相连，如图 6 知识关联图绘制举例步骤三 牛顿第二定律F合=ma 匀减速 直线运 动 带正 电小 球 匀强 电场 带正电小球在水平匀强电 场中做匀减速直线运动 图 6 知识关联图绘制举例步骤三 步骤四：绘制与情境操作子节点相关的所有概念节点 II，并标注其标识节点， 对于状态值为 1 的节点可省略其标识节点，得到下图 7 知识关联图绘制举例步骤 四： 图 3 15 牛顿第二定律F合=ma 小球受 合力F合 0 小球 质量m 加速 度a 0 匀减速 直线运 动 带正 电小 球 匀强 电场 带正电小球在水平匀强电 场中做匀减速直线运动 图 7 知识关联图绘制举例步骤四 步骤五：针对状态值为 0 的概念节点，绘制与其相关的其他操作子和情境操 作子节点，如图 8 知识关联图绘制举例步骤五 F合2=G2+F电场2 力的合成与分解 Vt2-v02=2as v02=2aS 牛顿第二定律F合=ma 小球受 合力F合 0小球 质量m 加速 度a 0 匀减速 直线运 动 带正 电小 球 匀强 电场 带正电小球在水平匀强电 场中做匀减速直线运动 图 8 知识关联图绘制举例步骤五 步骤六：重复步骤 4 和步骤 5，直到所求节点被画出，得到图 9 知识关联图 绘制举例步骤六所示的知识关联图： 16 F合2=G2+F电场2 力的合成与分解 Vt2-v02=2as v02=2as 牛顿第二定律F合=ma 小球受 合力F合 0小球 质量m 加速 度a 0 匀减速 直线运 动 带正 电小 球 匀强 电场 带正电小球在水平匀强电 场中做匀减速直线运动 电场力 F电场 小球 重力G W电场=-F电场*S*cos W=F*S*cos 电场力 做功W 电场 0 小球运 动