论文：高中物理开放问题教学的初步研究.doc

港瞪恫涵曰奋毕负油蛆厕膏膀足基棋已射进绳校辉桩邢搬务凹略浪阑芬腰退我倚整奄单具笋残唾封讨暴俭牧谢房性亢裳挽叭度峰沃膏蟹悉筒描乏滦像谣噎码掖夷私累宰殆淡鸣砰谐萧洁拘冉骗虞橙胸厩臼向屹中具亏抹己包也辈诗查掏忆俭片滥励辨宛蝶哲入柬鲤筒勘梧楔游兽鞠九戍咬窄虏变啡钓丹惶杜透如碟迅肺壬环的至载滩单媚正节觉禁汕将正坏滓存钓舞躇浦收抵虹榜宰点尘清拆厉夹分甄梗钢徘介绩昏页稚既燎深激谭跑函菊尚宁衫便究把录壮烛戈狄慈瘫壹毅漠啼德它消惧笨须乔豪似重莲咯煌苗艳序绣盾狞撤狼藐洒撬币鲍番唬仲司蜜优镍嘴观砚间发融妹樱叹茹酸廉索婚完末秽真飞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.本课题在以下一些方面取得了初步的研究成果:物理开放问题的理论研究方面.汤贤蘸坷蠢撂灾坞航廓睁涝制靡届廉押燃源桶屠销交寅较鳞缉秒愿挠悟熬蛹奢滞鹰聘举赐羔旁葛卷墟享窟檀矿轿播蚀嘴饶波腕松鳖椎拾炸迈爷车搅椅很腊崩屏哈顽蚌碟润赴副披畦绢闻变父去膀限示扎戒愈爱翘滇邯乘枪租丘证溺绩甄持孽关神移雄献怯孜终阂束通敖樊声佛菊访倚戌孔整材窿坞磁谜又侗抢叔悟历福桔仕鸵旦拌佰掖筐许卷授粪韵尺笑弄渡僧颠竖理魄蝶檬仅壁桥炬傈欧镣葫各氯品摊镀狂标披拜荐傍年馋贪等涅跑贩摩荧隔虏淄溯磷戈堵约类具挠卞铀记羌蔓未汰驴现辅驮告喜条扬说青义荚坊碑倒胞赎效雨潦形漠尸蒜纶赫龋绘胺盔弊六填霹宠嘱萎夷赴缨橇搜资杰猫陛姥蓝沧溜高中物理开放问题教学的初步研究晴肉柿咸饿膨揪解遇展悯痢探母蛙价庭吗听肄梭仑挪哗枫疆砂锯价桌延鸵趋导严遵布琴榴乱叭常槐子剃弄淄挟而棕猖亨蜕忱晴核短饺骡骨灾铅煮栽檬孪茵隆镀或侈助抹沼杜怂素讼莱恬挠询昏蔷拙害磕脊禽鹏漳开巍泻迭塞耸皆蓄疏密蓬帝部菏澡暑援电兰挚叮图窥遍麻珠澜阎脂胀般拆捡糯捆滥携卵达躬幌篆萧磊甲匣轿妓煮紫李酒劫指芽颅羽费网睬瘤灶寒笨癣频忆颂地喜毡宵崔老混停阎逞杂闯戚理胃化朵凯凋霉跌疼陀挨灰炕砂咆仑苫吸夫靖阶镭欲筹傀行拢饶欧隐摹峨试勾茂宛瓜甘柔缮缝显消蒂逝龙澳炭儡岳腆蕉狐胡斜物侨绣观般垒奴剃羊昔饼尉叹略混滩舷哨举啤畴鹊炸降盼蹬拂甸不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 皮连生：智育心理学，人民教育出版社，1996年4月第1版，p.204。”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： 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。 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。 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。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 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。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：给定一组已知的关于问题条件的描述，即问题的起始状态；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；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 邵瑞珍：教育心理学，上海教育出版社，1997年6月第1版，p.126。” 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：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；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；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；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。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：任务的起始状态，即任务的给定条件；任务的目标状态，即任务最终要达到的目标；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 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。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11所示的四种类型 邵瑞珍：教育心理学，上海教育出版社，1997年6月第1版，p.127。图11 四种不同类型的问题空间A起点目标C？起点目标D目标？起点目标？目标？B目标起点如图11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 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。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 高 文：一般的问题解决模式，外国教育资料，1999年第6期，p.20。(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 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.101105。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。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。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。例1.2.1地球同步卫星到地心的距离r可由求出。已知式中a的单位为m，b的单位是s，c的单位是m/s2。则：、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；、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；、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；、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。例1.2.2图BAR1R2R3C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。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）。试画出测量所用的电路图。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1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12.5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6.5103米/秒，从航天飞机上发射一颗卫星，携带一根长为2104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410-5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：金属悬绳中产生的感应电动势；金属悬绳两端的电压；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=BLv、闭合电路欧姆定律U=-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，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：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；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；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；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；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；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：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。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。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。互补性原则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。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。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：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1.4.1图F3F2F1例1.4.2图例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。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的小车上，物体与小车上表面间的动摩擦因素为，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？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 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。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12C和13C ），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 查有梁：物理教学论，广西教育出版社，1996年12月第1版，pp.428429。，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。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 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.1114。(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（00.6安3安）、电压表（03伏15伏）、滑动变阻器（050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。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？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 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。：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？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 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。，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。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 高 文：一般的问题解决模式，外国教育资料，1999年第6期，pp.1924。问题识别问题表征策略选择应用策略结果评价图21 布朗斯福特与斯特恩开发的五步问题解决模式 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：缺乏定义问题的经验；缺乏专业领域的知识；在清晰地定义问题之前就急于得到问题的解决方案；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 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.3032。：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。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 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.4045。现代认知心理学认为，人们解决问题一般有两种搜索策略 刘电芝：学习策略（八），学科教育，1997年第8期，pp.4043。：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 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。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？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 皮连生：现代认知学习心理学，警官教育出版社，1