物理课堂教学结构问题设计.doc

物理课堂教学结构问题设计 随着“素质教育”要求提高，教师准备课堂教学教案正在从经验自发行为转向“教学设计”理论指导下的自觉行为。这需要教师通晓“教学设计”的原理和操作程序，目前在中学物理教学中要大多数教师掌握设计的技术尚有一个过程。本文结合“教学设计”理论，力求物理学科化，拟提出易操作而又有利于形成学生科学素质的问题结构设计方法，为中学物理教学备课的科学化提出一些参考意见。一、什么是物理课堂教学的系列问题 物理课堂教学的系列问题是教师在物理课堂教学中设问的问题和学生参予讨论的问题按学习心理规律和物理知识的逻辑关系组成的问题系列。它是实现教学目标的程序，是教师引导学生思维的策略。现举一个系列问题教学实例： 对一个习题的讲解。“一块含沙的冰块漂浮在杯中水面上，冰块熔化后，杯中的水面上升?或下降?或高度不变?” 这个问题可以使用公式推算来解决，而用等效变换的方法对学生更有启迪意义。用后一种方法讲解需有明晰的结构，系列问题可以反映讲解的结构。 (1)我们先考虑若是纯水结成的冰块浮在杯中水面上，待冰块熔化后，杯中水面如何变化? (2)若想象含沙冰块中的沙子集中在冰块的下端，而上部当纯水冰，与沙子在冰块中均匀分布的情况比较，这样分离变换，冰块的浮沉情况会发生变化吗? (3)冰块熔化时，我们想象是按这样的顺序进行：冰块先卸下沙子，纯水冰块将浮出水面，纯水冰块再熔化成水，与杯中水混合。当纯水冰块浮出水面时，杯中的水面如何变化?当浮在水面上的纯水冰块再熔化时，杯中水面如何变化? (4)问题的结论是什么?我们是怎样得到这个结论的呢? (5)解决这个问题还有什么方法，比较这些方法，你更欣赏哪一种方法?上述方法不用过多的计算，只用简单的推理思辩就能得到结论，对此你有什么感受? 通过这个系列问题，引导学生简明的解决问题。这里(1) (2)两个问题是将阿基米德定律用于该问题相关的简单情境中得出结论，这个结论为解决复杂情境下的问题建立了“规则”，使用阿基米德定律更加方便。(2) (3)两个问题是将含沙的冰熔化这样复杂的问题向已有明确结论的简单情境(1) (2)转化，是等效转化的关键步骤。等效转换的方法对初中学生有相当难度，但是这种方法很有价值，在物理学中有很多应用事例，应该使学生逐步学会这种方法。 (1)一(3)这三个问题是思维的“台阶”，它引导学生主动的获得正确答案。如果教师不提问题，采平铺直叙的讲授，等效转换的关键步骤不能被学生领悟，甚至于教师讲授前半部分比较简单的问题时，学生觉得没有什么值得特别注意的地方，而后边就有突然得出结论的感觉。这样不利于学生主动学习。其中(4)(5)两个问题是对解决问题过程的再思考，是为学生形成解决问题的策略而设计的问题。学生将这些成功的体验积累内化就能逐步的形成解决问题的能力。 教师课堂教学使用的“系列问题”应该有如下特征： (1)系列问题构成物理问题解决过程的结构框架。问题的起点是学生已有的知识、经验、即认知结构，系列问题的目标是物理问题的解决。物理概念、规律、知识应用的教学任务都可以由教师转换成一个物理问题的解决。所以问题解决与教学目标达成是一致的。系列问题的目标可以是一节课的教学任务，也可以是一部分内容的教学任务。 (2)系列问题对学生是系列学习任务，它是思维活动的“脚手架”，所以问题系列有逐步认识提高(或由狭隘到全面完整)的特征。教师的主导作用通过问题来实现，系列问题是教师教学的结构，若干组问题形成一节课的结构，教师设计系列问题是备课的重要任务。(3)每一个问题都较清楚的描述了问题情境。因为在课堂上没有更多的时间让学生深思和研究。所以对困难的问题往往有暗示和引导。问题要有思考价值，系列问题一般不包括“是不是”这样的简单问题，或者过于空泛的问题。二、系列问题构建课堂教学结构的依据和基本问题框架 用系列问题构建课堂教学的结构和适应不同教学任务的基本问题框架是依据物理教学论中的教学过程本质理论；认知学习心理学的知识分类理论；和信息论的基本概念并且观察归纳教学现象提出来的。 （一）物理教学论的过程本质理论 物理教学论认为物理教学过程本质是学生(认识主体)认识物理世界的过程。这个认识过程的特点是：学生学习的物理知识、技能、方法、虽然是人类已经完成了的认识成果，但是学生学习必须经历一个与物理学家类似的认识过程，马克思称学生的学习活动为“再生产科学活动”。由于学生是在教师的指导下活动，其认识活动的内容，过程和难度都大大的简约了，然而其科学认识活动的本质尚在。所以学生学习物理知识是在解决一个物理问题，要有问题的情境条件，任务目标，和解决问题的一系列智力操作，这是用系列问题构建课堂教学结构的依据。 教师在学生的认识过程中起主导作用，具体的说，物理教师在课堂教学中将物理情境作用于学生；提出学习任务，引导学生展开感知、记忆、思维、想象等智力活动；帮助学生总结解决问题的策略和方法，体会学习过程的感受，并且积累深化逐步形成能力。为完成这些教学任务，教师要促使学生进行观察、实验操作、思考、练习、讨论、阅读等活动。教师提示和引导学生活动的手段有多种多样，但是基本的方式就是提问题，一个个的问题就是一个个的学习任务。对中学生来说，如果没有具体的学习任务，在课堂这样暂短而宝贵的时间内，容易失去学习方向，所以教师提出系列问题是实现“主导”的最有效率的方式。 教师提出问题，并且引导学生解决问题，就完成了一个教学任务，若干这样的教学任务就构成一节课的任务，各个教学任务是关系密切、高度组织化的，成为一个系统。优化它们的结构才能发挥各任务整体功能，高质量的完成一节课的教学任务，所以问题组合应该按规律(认知的活动规律)进行，成为“系列”。教师科学的设计系列问题就是构建一个优化的教学结构。 （二）认知学习心理学的知识分类理论 美国心理学家安德森认为“问题解决”是“受目标指引的认知性操作序列”。学生在课堂上解决物理问题进行序列认知操作是在教师设计的活动中完成的，教师提出的系列问题应该符合认知操作序列的要求，也就是说每个问题都能指引学生完成某一个认知操作，而若干个认知操作会使学生由原来旧的认知结构改造为新的认知结构，系列问题成为学生学习的“脚手架”攀上新的认知结构。另一方面也要求物理学习，能够纳入认知操作序列这样的模式。现代认知心理学的知识分类理论指出了用系列问题指导学生完成序列认知操作是科学合理的，并且该理论还给出各类知识学习的基本问题框架。 现代认知心理学的知识分类理论依据知识的内部表征方式和构建过程的区别将知识(这里指广义的知识)分为陈述性知识；(或称语义知识)，智力技能，和认知策略三类。对物理教学而言，陈述性知识一般指的是物理现象的描述，物理概念和规律；物理操作步骤的语义表示等这些我们通常说的物理知识，认知心理学称为狭义的知识，这类知识要回答的基本问题是“是什么?”和“为什么?”；智力技能指应用陈述性知识办事的技能，物理教学中一般指物理解题，物理实验的技能，智力技能要回答的基本问题是“依据什么选择这样的操作模式”?和“怎样操作?”；认知策略是指导学习者对学习过程的反思、调控能力，它是学习者对自身学习过程的思维，它以反省的方式提出问题“这样的认识和操作是否科学合理?”“我是否选择了最优的学习方式?”它要回答的基本问题是“怎么办更好?”，认知策略是高层次学习的成果。1陈述性知识的表征和教学问题 认知心理学家把信息在头脑中呈现记载的方式称为知识的表征，并且认为陈述性知识以命题表征，智力技能以“产生式”表征。物理学习中的概念、规律是以命题网络表征的知识，如“加速度”就是由如下几个命题表征的：，“物体运动的速度随时间变化”，“用观察的物体运动的末状态速度减去初状态速度为物体速度的变化量”，“物体运动速度的变化有快慢不同的区别”，“发生速度变化需要经历一段时间”“取单位时间的速度变化量来描述物体速度变化的快慢”，“物体运动的加速度定义为物体运动速度的变化量与发生变化经历的时间的比值”。物理规律也是用命题表征的，如“楞次定律”由如下的命题表征：“穿过闭合导体回路的磁通量变化能使回路中产生感生电流”，“感应电流能够产生磁场”，“发生感应电流现象时存在着引起感应的原磁场与感应电流的磁场”，“当穿过回路的磁通量增加时两个磁场的方向相反”，“当穿过回路的磁通量减少时两个磁场方向相同”，“感应电流的磁场阻碍回路磁通量变化”。以上两个例子是依据概念和规律建立过程提出命题的，命题反映了学生认识逐步加深的过程，显然命题的确定要考虑到学生的认知水平，上述加速度和楞次定律对大学生可以表征的更加简单。对初中学生讲授物理概念往往将建立概念的过程转化成一项具体任务，或者说是解决一个问题，使学生更加容易进入学习过程，如初中讲授“密度”，就是将“密度”的学习转化成“鉴别物质”这样一个问题。“密度”学习的命题是：“(均匀)物体的质量与其体积成正比”，“相同体积的同种物质的质量是相等的”，“相同体积的不同物质质量不同”，“取单位体积的不同物质比较质量来鉴别物质”，“物体的质量与体积之比为该物体单位体积的质量”，”物体的质量与它的体积之比称为(组成该物体的)物质密度”。学生学习陈述性知识，就要完成一个个命题学习任务。对于命题学习，认知心理学的“同化论”认为当学习情境作用于学习者的认知结构时，主体对情境有“适应”和“不适应”两种状态。“适应”是主体将学习材料加工与自己原有认知结构建立有意义的联系而建立新的平衡，这种主体对情境的适应形式称为“同化”，主体的自身感觉是“懂了”和“想通了”；而当主体的认知结构不能同化学习材料时，主体的反应是“不理解”“想不通”，学习者将在外来刺激下更新改造原来的认知结构，产生新的认知结构同化学习材料，称为“顺应”。在物理概念、规律的学习中，即在相应的命题学习中，学生要经历“同化” “顺应”的学习过程。如高中阶段学习变速直线运动的“即时速度”的命题是：变速运动中物体的运动位移S与发生这段位移所经历的时间t之比称为变速直线运动的平均速度，平均速度能够反映物体运动快慢；选不同的运动段位移来计算平均速度，所得数值不同；位移段(和经历的时间)选的越短，计算的平均速度越能够准确的反映物体运动的快慢；当时间选取无限短时的平均速度就是运动物体某一时刻(或某一点)的速度。对这里的前三个命题的学习，学生可以用原来认知结构中匀速运动速度概念的迁移来同化， 需要用一个匀速运动与变速运动等效的操作就可以完成命题学习。但是对命题，原来认知结构中速度是位移和时间两个确定的数值比这样的认识必须改变，才能同化命题。 学生学习物理概念和规律必须完成相应命题网络的学习，首先学生应该意识到某一命题学习任务，而且要将命题与原来的认知结构相互作用，完成一系列认知心理活动。在课堂上教师要提示，引导和促使学生完成认知活动，简明有效的策略就是提出与命题网络学习相适应的系列问题。系列问题是认知的框架，每一个问题如同“认知水平提高的台阶”。而且问题将教师精心选择的学习情境作用于学生，同时用相应的手段激活学生认知结构中的关部分，使其与学习情境相互作用。对“顺应”的学习状态，教师的问题更能将学生认知结构与学习情境的不谐调表面化，尖锐化，促进学生改造原来的认知结构。课堂教学的时间短促，要求学生的认知活动、方向目标准确集中，相互作用的矛盾冲突显著，教师提出问题的教学策略恰能适应课堂教学的特点。 如变速直线运动的即时速度与命题网络学习相应可以提出如下问题：(1)从甲地到乙地可以乘飞机或坐火车，假设它们都做直线运动，当然是变速直线运动，我们是怎么得出乘飞机更快的结论呢? (2)显然我们应用了平均速度概念，用整个运动的位移与经历时间的比值，这样求出的平均速度能够准确反映变速运动的快慢吗? (3)汽车出发时要加速，中途假设为匀速，接近目的地要减速。我们怎样计算平均速度才能比较准确的反映汽车运动的快慢呢？当学生回答，对汽车运动的加速、匀速、减速三段分别计算平均速度后，再继续问。 (4)观察汽车的速度表就会知道，汽车的加速运动段也是越来越快的运动，我们怎样计算平均速度才能较准确的反映汽车的运动呢?教师演示从较光滑的斜面上滑下的小车的运动，从小车带动的打点计时器的纸带上可以看出小车的运动是越来越快的。将位移或时间段取的越短，计算出的平均速度就越能反映小车运动越来越快的事实乙接着提出问题。 (5)如果位移取的无限的短，物体就处于某一位置；时间间隔取无限短，就指某一时刻。这样即没有位移，也没有时间间隔，还能讨论物体运动速度吗?但是物体又确实在运动着，因为位移随着时间变化，这种表面上看起来的矛盾怎么统一呢? 这里的前四个问题是应用平均速度概念研究变速运动，学生原有的认识可以同化教师展示的学习情境。然而平均速度终究不是即时速度，第五个问题就是指出了矛盾，指出了学生认知结构中的缺陷，引导学生课后继续学习。 物理学习的精髓是对物理科学过程的学习，物理知识、物理学的观念、物理科学方法学习和能力形成都是以科学过程学习为基础进行的。因此，教师千方百计使学生经历一个科学过程而掌握结论是物理教学的基本方法。这里需要研究的是用怎样的活动模式保证学生参与到科学认识活动中来，而不是等待着接受结论。教师依据教学内容在认知心理学的指导下设计系列问题，在课堂上作用于学生，引导和促使学生主动学习是一种有效的方法。在认知心理学知识分类理论指导下设计系列问题的方法，能够使课堂教学科学规范，而不是仅凭经验来教学。笔者曾对教师物理课堂教学的问题设计作过调查，方法就是记下教师提出的所有问题，包括设问和对学生的提问，然后对问题的质量和组合关系进行分析。凡是优秀的，教学效果好的课，都有一个好的系列问题结构。调查范围包括高中、初中几十节课，结论均是如此，这从实践上也说明课堂教学设计系列问题的重要性。 2智力技能的表征和教学问题 知识分类理论认为“智力技能”是第二类知识，“智力技能”是应用知识办事的本领。在物理学习中指的是应用概念，规律解决问题或是完成某一项操作。认知心理学的信息加工理论类比计算机信息加工的过程认为，人脑之所以能够进行计算推理，解决问题，是由于脑中贮存了“如果则”这样的规则，这种规则称为“产生式”。智力技能在头脑中是以若干个产生式表征，或者说以产生式系统表征的。所以学生应用智力技能解决物理问题的时候，首先要在学习情境中识别。判断是不是他原来在学习 陈述性知识储存的模式，即是否满足应用相关知识所需的条件，这称为“模式识别”。这一过程要回答的基本问题为“是不是?”或者说“依据什么条件认为这是曾经学习过的某一对象和某种过程，”。当学习者判断问题情境符合某种条件，或者属于某种模式，即能依据相应程序进行操作，这时学习者的基本问题是“怎么办?”。当然“模式识别”和“程序操作”多数条件要反复使用(试错)，复杂的问题要用一系列产生式即产生式系统来解决问题，如果学习者掌握的模式中找不到与问题情境的对应关系，学习者还要由已有的模式分化产生新的模式来解决问题，这通常是比较灵活的问题，这类问题对培养学习者的创造能力有价值。例如，一个应用楞次定律判断感生电流方向的习题。“在水平放置的条形磁铁一端附近，一个与水平面平行放置的矩形线框落下，判断线框在磁铁上方(a)，与磁铁同一平面(b)，在磁铁下方(c)三个位置时，线框中的感生电流方向。该问题显然需要确定线框下落时在三个位置附近穿过线框的磁通量如何变化。明确水平放置的条形磁铁的磁场分布和a、b、c三个位置线框附近的磁场分布就是模式识别的结果，这是学习者头脑中若干磁场分布模式与问题情境作用的结果。然后就可以依据磁通量的概念确定三个位置的磁通量，并且确定磁通量如何变化，这是使用磁通量的计数规则进行的操作。题目的求解过程要多次应用“如果，则”这样的产生式。教师在这个问题的教学中可以用问题引导学生进行模式识别，“水平放置的条形磁铁的磁场是怎样分布的?”，“在a、b、c三个位置线框附近的磁场是怎样分布的?”。接着引导操作，“怎样确定穿过线框的磁通量?”。实际上，教师在物理习题教学中经常强调的“确定研究对象”，确定研究过程及过程的性质就是“模式识别”，而列方程计算和其他数学手段应用就是“操作程序”。认知心理学的“智力技能理论指出教学经验的依据，能使我们更加自觉的按认知科学规律从事教学活动。学生解题时常见的“套公式”的错误，就是因为这些学生头脑中储存的物理模式单一，对各种模式的特征模糊不清，当外来刺激(新问题情境的刺激)作用时不可能有“识别”的过程，当然就会生搬硬套。“题海战术”是把一个个的题目作为模式要求学生头脑储存，而不是以基本物理对象和基本物理过程作为模式储存。面对这样的复杂繁多的模式需要记忆，学生必须经过大容量的反复练习。这样，极富创造和教育价值的物理习题学习过程，变成了储存，提取的机器动作流程，失去了培养学生能力的机会，甚至扼杀学生的创造性。克服这些不良倾向，教师必须有正确的教学思想观念，还必须具有可操作的“技术”。恰当的提出问题就是一项有效的技术，针对学生在解决物理问题时常常是不加思索就进行某项操作的倾向，教师要用恰当的提问使学生先有意识进行“模式识别”再行操作。如“什么样的对象?什么状态?什么性质的过程?”“你这样认识的根据是什么?”等常用提问，看似老生常谈，但它对学生的认知活动是必不可少的。 学习心理学认为模式的学得是由“概括”和“分化”过程形成的。概括的过程与概念形成时的概括过程基本相同，即将两个以上的模式通过比较找到共同特征。如形成平抛运动的模式，有若干大小不同的初速度，若干大小方向不同的力，而且可能是不同性质的力(重力、电场力)，可以形成若干不同的平抛运动。比较这些运动找到初速度与恒力垂直的共同条件，就形成了平抛运动的模式。当然还必须从运动学条件的讨论中形成平抛运动的模式，而且要将两种条件建立关系。教师可以提问帮助学生概括形成物理模式，经常使用的基本问题是：“这些(对象、状态、运动变化过程)有什么共同点?有什么不同点?怎样定义这种(对象、状态、变化过程)?”，“(如果认为是这样的模式)什么是必须满足的条件?什么是无关条件?”。在学生初步概括形成了模式后，用“泛化”的方法使学生头脑中储存的模式更加丰富而又组织，即将无关条件变化，得出各种各样的具体的物理模式。“分化”也是习得模式的途径。分化是用“反例”使学生意识到原来头脑中模式条件的变化而形成新模式。如重力作用下的平抛运动，当初速度大于环绕速度时就成为环绕地心的圆周运动了。这就使得平抛运动速度大小的条件分化，增加了小于环绕速度的条件。又如部分电路欧姆定律的对象是均匀的一类或二类导体(导体的条件常被忽略)，而对半导体或者导体两端有温度差或者两种不同材料的条件，欧姆定律均不成立。这就使欧姆定律中“导体”的模式复杂化了。在初期学习中形成了模式后，教师使用分化策略可以形成新的模式，教师可以举出反例引导学生讨论，形成条件的分化，如对上述例子教师可以提问“由此我们怎样认识平抛运动的速度条件，怎样认识欧姆定律中的导体条件?这些条件变化后会产生什么情况?” 中学物理教学中间题解决的“操作程序(也称办事规则)，多数是物理概念和物理规律推理产生的。要掌握“操作程序”，首先要理解操作程序，也就是要明白操作步骤是怎样确定的，然后在事例中应用规则，达到掌握的目的。如力学中两个基本的产生式为“如果已知物理的受力情况和初始条件(即某一状态的位置和速度)则能够求得物理的运动规律”和“如果已知物体的运动规律，则能够求得物体的受力情况(合力)”。“能够求得”指的是一系列操作，其中关键步骤是求出加速度，这一步操作是由于牛顿定律公式和运动学公式中都含有加速度a，加速度成为解决问题的关节点，所以上述两个产生式的操作程序中必须有“求加速度”的操作。再如判断感生电流方向的产生式为“如果是穿过导体回路磁通量发生变化产生电流的情况，则能够应用楞次定律判断感生电流方向”，其中的“应用楞次定律判断是一套操作程序”：先找出原磁场的方向；再看穿过回路的磁通量怎么变化；如果磁通量增加，则感生电流的磁场方向与原磁场方向相反；如果磁通量减少，则感生电流的磁场方向与原磁场方向相同；由感生电流的磁场方向用安培定则确定感生电流的方向。这一套操作显然是由表征楞次定律的命题网络(参看第三节)推论得出的。所以操作步骤的习得要从“怎样得出这一步骤这个问题开始学习，教师以“要想求得，就要怎么办?这样的问题引导，使学生推演出操作程序，在这样理解的基础上再用事例应用操作程序就达到习得的要求。 3认知策略的教学问题 认知心理学将“认知策略”称为第三类知识，认知策略是学习者用以支配自己的心智活动的内部组织技能，因为使用智力技能办事受内部执行控制的调节和修正，这个内部调控执行过程称为认知策略。认知策略是学习者对自己学习过程进行反思的认知结果。因为学习者在用智力技能办事的过程中要使用产生式完成一系列智力活动。“问题的模式是否已被确认?”，“上一步操作是否完成?”，“是否发生错误?”，“如何修正?”，“如何调节过程进行的速度?是否要反复?”等等执行中的问题都要调控，这个调控执行过程就是认知的策略。这个过程往往是学习者在解决问题之后经过“反思”才清楚的意识到，所以教师用问题提示学生意识到对自己的智力活动调控和反思解决问题的过程是非常必要的。在应用认知策略的过程中，学习者还逐步丰富了认知的知识(如各砷问题解决的方法和特征)。同时因为使用了良好的认知策略而获得好的学习效果的体验，也就是把成功归因于使用了良好的策略，从而增强了选择方法策略的意识，增强了成功的信心。这时学习者形成了对自己认知活动的自我意识和调控能力，认知学家称为“元认知”能力。元认知能力是在认知策略的应用中发展起来的，同时又能对认知策略起构建和调控作用(解决问题有哪些策略，选择最优策略的过程)，它是高一级的一般策略。元认知(也可称为反省认知)是学习者对自己认知活动的认知，是对思维活动的思维，它是学习能力的重要成份。能力是心理品质的综合表现，学习能力是学习者将学习的体验内化形成的，元认知习得的过程可以认为就是学习能力形成的过程。把认知策略、元认知引入到学科教学中，指出了知识学习转化为能力的途径。 认知策略的基本问题仍然是：“是不是?”和“怎么办?”，所不同的是它把智力技能的整套操作为模式，把操作的适用条件作为识别的标准。认知策略的“怎么办”是要解决将选择的某种策略在学习过程中实施，并且不断的评价、调控达到学习者认为满意的最佳结果，并且不断的反思自己的学习过程。中学物理学习任务中概念、规律的学习多数是在教材给定的思路中进行，认知策略的学习更多的情况下在物理问题解决(习题或某些实验操作)的环境中进行。如在物理习题求解中，学生要审题弄清问题情境，识别和确定研究对象和过程，建立数学模型，求解结果，检验讨论等一系列应用智力技能的操作，需要认知策略参与调控执行。如题意是否清楚?(可用头脑中动画过程来检验)对象和过程的确定是否恰当?是选择整体讨论或隔离处理?是否需要等效转化和类比手段?选择怎样的数学工具来处理?等等。不同的选择学习效果不同，有成功与失败的区别，就是成功中也有巧妙与平庸的区别。教师不仅要使学生学会解题操作，而且要让学生监控自己的操作过程，有反省思考追求最优的意识，关键是学生要有自我监控反省思维的意识。教师要使学生进入这样的学习状态，必须适时对学生提醒和刺激，采用提问的刺激是一种有效的方式。如针对某一物理习题的提问，习题是“一个质量和车高已知的平板小车上放有一个质量已知的木块，木块与车边的距离也知道，木块与平板小车的摩擦系数也已知，平板受恒力加速运动，木块在车上滑动，当小车行驶S距离后木块滑离小车，求木块落地时与小车的距离”这显然是过程比较复杂的习题。当使用智力技能操作时，需要比较复杂的调控，通过教师的引导学生不仅能学习解题的某一操作，而且可以习得认知策略。教师可以提出如下问题：“你使用什么方法尽快的弄清了题意?”，“你怎样选择的研究对象和运动过程，过程中有没有出现反复和修正?”，“题目中的恒力是未知的，它给你解题带来困难吗?怎么解决困难的?”，“解题中有时采取木块小车整体研究，有时采用木块小车隔离分别研究，你怎样决定这么做的?”解题后还可以提问：“你有什么体会和感受?”小结： (1)中学物理教学中的概念、规律属于陈述性知识，陈述性知识回答“是什么?”和“为什么?”的问题，它以命题网络表征。以命题网络为基础构建系列问题，问题形成的机制是如何能得到命题结论。 (2)应用概念，规律和语言表达的操作方法解决物理习题和完成某项操作属于智力技能。智力技能回答“怎么办?”的问题，它以“如果则”这样的产生式来表征。使用产生式操作首先进行模式识别，当确认为某一模式后，以一套程序进行操作。因此习得智力技能的基本问题为：“是不是?(依据什么条件认为是这个模式?)和“怎么办?(把语言表达的操作程序在实际问题中实施)，这两个基本问题是设计教学问题的依据。 (3)在解决物理问题中，用智力技能操作同时还需要一个调控执行过程，智力技能的调控执行过程称为认知策略。它仍然用产生式表征，与智力技能不同的是它把智力技能的一套操作(包括模式视别和操作程序)当做模式，解决用怎样的模式取得较好的效果问题，也就是要回答“怎么办更好?”的问题。所以习得认知策略的基本问题是“依据什么选择这样的方法来解决问题?”，“用什么方法(策略)解决问题更好?”（三）信息论的基本概念我们的中学物理课堂中学生主要以“接受学习”的方式活动，这种情况下学生大部分时间内是信息的接受者，教师和他使用的声象资料、实验设备等是信源。从信号传输的角度看教师发出的信号密度大，学生接收的信号多会提高教学效率。但是事实说明过大的信号密度，教师讲的很多且针对性不强时教学效果不好。问题的关键是学生能接受多少信息而不是信源能发生多少信号。信息的多少郎信息量在信息论中有科学定义，一个随机性的事物取某状态可能性以状态几率(概率)来描述，几率的倒数(在信息论中要取对数表示)称为事物取该状态的不确定性，信息可以消除或部分消除事物的不确定性，信息量的定义就是事物接受信息前的不确定性与接受信息后的不确定性之差。只有能够消除不确定性的信号才是真正意义的信息，例如去有24个看台的运动场找一名观众，这个观众在某看台的几率为1/24，那么在这个看台找到观众的不确定性就是24，如果找人者获得一个信息，此观众持有甲等入场券，则该观众就在观众位置最佳的几个看台上，显然信息使事物的不确定性减少了。在学习活动中，学生只有接受那些能消除他认知活动中的不确定性的信号，对学生的学习活动才是有意义的信号，才是信息。学生认知活动不确定性的表现就是问题，美国心理学家莫里斯认为：“每当两个或两个以上可供选择的意见、态度和标准在决定取舍的时候，就发生问题”，在课堂上教师用问题刺激学生时，学生就面临着各种选择，这时候学生接受的教师的讲解、演示等信号才是信息。否则学生思维处于停顿，认知处于平衡状态时，教师发出的信号对学生是无效的信号，甚至被认为是噪声。教师提问刺激学生处于认知不平衡的状态，是提高教学效率的有效手段。另一方面教师提出的问题还有定向引导作用，问题的条件实际上把认知的不确定性减少到有限的几个，而不是漫无边际，学生通过回答问题(不一定要当众回答)使头脑中信号组织有序，形成新的认知结构。 三、设计概念、规律课堂教学的系列问题 概念、规律教学是物理教学的主要任务，在概念、规律教学中层现的科学过程是培养学生科学素质的不能替代的环境。因此如何保证教师在物理课堂教学中进行科学过程教育是十分重要又迫切的问题。要解决这个问题，除了提高教师的认识外，还应该尽可能给他们提供便于操作的行为模式。概念、规律教学中问题结构设计就是为这个目标提出来的，要设计问题需要解决以下几个问题。（一）切实理解教材中为学生设计的科学认识过程 有些刚任教不久的教师看到中学教材中物理知识浅显，就不再认真阅读研究，只取教材中的大小标题就完成了教案的结构设计，这是不理解教材的表现。 教学过程的本质是学生再认识科学过程，编写物理教材的基本任务就是为学生设计一个认识物理概念、规律的过程，所以它的基本内容是： (1)指导学生观察哪些感性材料； (2)怎样使学生产生科学认识动因； (3)怎样使学生用实验进行观察、探索或者验证假设； (4)怎样使学生应用科学方法进行思维加工； (5)得出怎样的结论。我国的中学物理教材是由物理教育专家和有经验的教师编写的，他们对物理学的知识结构有深刻的认识，对不同年级学生的认知特征有确切的了解，经过精心设计加工为学生准备了一条切实可行又极富教养的认知途径。教材的结构布局看起来以知识点结构为框架，但是教材实质内容仍是一个为学生设计的科学认识过程。要进行教学问题设计就要切实理解教材的实质内涵，只了解其大小标题，只是取其皮毛。 要理解教材设计的科学认识过程，应该注意以下几个问题：相关的物理科学知识结构；教材中应用的科学方法；学生的认知水平。物理知识结构：一节教材的物理知识结构指的是知识点和知识点之间的关系，以及本节知识与其它物理知识的关系。物理知识结构与认知水平相关，不同层次的认知水平有不同的知识结构，所以这里说的物理知识结构是指高等物理学(一般指普遍物理水平)的相关结构和教材中知识结构，即两个知识结构。前者在教材中并没有写出，但是教师在阅读研究教材时必须明确这个层次的知识结构。研究这两个结构的差别对教师很有意义，比较两个结构能使教师理解教材编者对中学生认知水平的估计和教学目标的科学性、可行性，并且加深对中学知识结构的理解。教材中的科学方法：指在教材设计的认知过程中为习得命题使用的科学方法。中学物理中的科学方法多数是逻辑方法，如分析、比较、概括形成物理概念的方法；依据实验或经验归纳形成物理规律的方法；演绎推理得到新概念和定理的方法；假说验证获得科学结论的方法。科学方法不是在教材中直接叙述的，它反映在命题习得的过程上，需要教师认真分析研究才能明确使用的科学方法。对学生的科学方法教育主要用渗透形式，对初中学生不必指出是什么科学方法，但是教师必须对授课中使用的科学方法深刻理解，否则不可能进行科学方法教育。（二）掌握学生学习心理特征掌握学生的认知结构是很重要的，美国著名的教育心理学家奥苏贝尔曾强调指出：“假如让我把全部教育心理学仅仅归结为一条原理的话，那么，我将一言以蔽之曰影响学习的唯一最重要的因素就是学生已经知道了什么，要探明这一点，并应据此教学”。学生的认知结构包括他的知识结构和认知策略水平，对后者具体的说指学生感知、记忆、思维、想象等智力活动的水平和特征，要特别注意学生学习本节内容时认知活动的困难。通常要考虑如下问题：学生学习本节内容的知识起点是什么?学生是否对此问题感兴趣?形成学习本节内容的学习动机有什么障碍?学生是否具有学习新知识需要的感性认识?学生感知新的物理情境有什么困难?学生在学习过程中需要哪些典型的思维活动(如分析、比较、归纳、综合、推理判断等，以及使用相应的数学工具)?学生在思维活动中有什么困难?学生在记忆所学知识结论时有什么困难?学生在应用知识解决问题时，有什么困难(如模式视别的困难，掌握操作步骤上的困难)?学生心理活动的特点除了在教材上反映外，还要靠教师认真的观察分析学生的学习表现，并且长期积累总结，掌握学生状态对设计认知过程的提问很重要。 (三) 构建概念、规律学习的命题网络依据教材提供的认知过程，以及教师根据学生的学习水平对认知过程作出的调整和补充，将认知过程分为若干阶段，每一阶段学习可以获得相关的命题，这些命题内容相互联系，则形成命题网络。从学生原来的认知结构水平到新知识结论之间要设计若干命题，命题之间有内在的逻辑关系，两个相邻命题之间在认识水平上的差距(或者称为“台阶)要适合学生实际。 当然，对有经验的教师可以自己独立设计学生的认知过程，发挥教师的创造性，学生多角度的认识问题，加深理解新知识，教师根据自己已设计的认知过程设计命题网络。(四)设计系列问题如何使学生习得每一命题是设计问题的基本依据，这里的“如何”指感性材料的回忆和引用，归纳或证明结论所用的实验，逻辑推理等。每一个问题的条件要清楚，结论要明确，对于困难的问题要有引导或暗示，这样学生可以在课堂上短时间内得出结论。前一个命题常常是后一命题习得的条件，提问时要反映这种关系，这样若干问题形成系列与认识过程对应。例一，初中物理“压强”概念的课堂教学问题设计。压强是压力与受力面积比值的极限，反映压力作用的强度即压力在受力面上的分布特点，“单位面积上受的压力”是压强单位，不是压强概念的定义。学生对压力作用效果与压力大小的关系有较多的经验，但是对压力作用效果与受力面积的关系只有浮浅的感受，许多实例中受力面积不容易想象形成清晰表象。学生虽然已有平均的概念，并且了解平均的计算方法，但是压力被受力面积平均，其意义难以理解，因此教材不采取直接取平均定义压强的方法。教材用比较压力作用的效果来认识压强，因为这是一项解决问题的操作(学生认识“密度”时曾经使用鉴别物质的操作)，学生是能够接受的。当两个因素影响一个物理量时，固定其中一个不变而考查另一个因素与物理量的关系，这个方法学生也是了解的。“压强”概念的命题网络 压 强 C 单位面积受的压力大小 (各自)取相同受力面积比较压力产生的效果压力相同受力面积不同，作用效果不同受力面积相同压力不同，作用效果不同B 压力作用效果与压力大小和受力面积大小有关压力作用在受力面上产生不同效果的事实 A网络图中的箭头方向表示认识过程的方向，图中的命题是认识过程中的关节点，形象的说是认知的“脚手架”的“台阶”。最基层的命题以学生原有的认知结构为基础产生，最上层的命题是这个教学任务的目标。其中由“受力面积相同压力不同作用效果不同”和“压力相同受力面积不同作用效果不同”两个命题综合出“单位面积受的压力大小”的过程中，加上了“ (各自)取相同的受力面积比较压力产生的效果”这一命题是考虑到初中学生的综合能力水平较低，将认识压强概念转化成“比较压力作用效果”这样一项操作的关键步骤，没有这一步会使比较操作脱节，学生思维活动中断。也就不可能通过这一过程培养学生思维的严密性。在认知过程中应用了观察、比较、概括、综合、推理的科学方法。A层是经验回忆和观察实验，用的是观察方法；B层首先是用实验对问题进行分析，并且概括出两个命题，用的是分析比较概括的逻辑方法；C层是由两个命题综合产生“单位面积上受的压力大小”的命题，但是由于引入了“比较压力作用效果”的操作，所以C层主要是推理。设计系列问题： (1)压力作用可以使受力物体形变，压力作用效果与哪些因素有关呢? (2)观察实验和我们的生活经验都告诉我们压力作用效果与压力大小和受力面积大小两个因素有关，我们怎样研究这两个因素与压力作用效果的关系呢? (3)(实验后)研究这两个实验可以得出什么结论呢? (4)如果压力的大小和受力面积的大小均不相同时，我们怎么来比较压力的作用效果呢? (5)“各自不同的受力面积中都取一块相同的面积来比较压力大小”这个相同面积取多少更方便呢? (6)(学生答出取单位面积后)如果知道2米2面积上受200牛顿压力，另一种情况是01米2面积上20牛顿压力，我们怎么能知道单位面积上受的压力是多大呢? (7)“单位面积上受的压力的大小叫作压强”若受力面积用S表示，压力用F表示，压强用P表示，三个量的关系是什么? 这里问题(1)为习得A层所设，问题(2) (3)为习得B层命题所设，(4)(5)(6)(7)为习得C层命题所设。 例二，高中物理“楞次定律”的课堂教学问题设计。 楞次定律是能量转化与守恒定律在电磁现象中的反映。楞次定律现代的表述与楞次当年的表述有很大的区别，高等物理学中直接使用楞次定律，没有定律建立的过程，因此在高中阶段只能应用实验归纳建立定律。学生已经学习过“右手定则”，认为感生电流方向已经会判断了，再次提出磁场变化时的感生电流方向问题，与学生原来的知识结构不协调，这是引入课题的契机。在实验中怎样观察感生电流的方向，怎样观察到感生电流的磁场方向，学生感知都有困难。因为观察对象不是直观的，要靠规则和仪表的指示来想象。“楞次定律”的命题网络（能量转化与守恒定律） E电磁感应现象符合能量转化与守恒定律D楞次定律的表述感生电流的磁场方向与原磁场方向相同感生电流的磁场方向与原磁场方向相反C磁通量的变化情况、原磁场方向、感生电流磁场方向之间有确定关系B感生电流方向、原磁场方向、磁通量变化情况之间有确定关系A 研究感生电流方向的实验结果当实验得到磁铁和线圈运动的四种情况后，原磁场，磁通量变化，感生电流方向的状态显的很复杂，根据这些状态归纳出“感生电流磁场阻碍磁通量变化”的结论，需要一个比较复杂的综合过程，学生有逻辑思维的困难，教学时需要问题引导。“阻碍变化”是很精确的语言，学生理解和应用语言也有困难。当得到楞次定律结论后要将陈述性的命题转换成产生式表征的一系列操作，部分学生会有“转换”的困难，也需要相应问题的指引。否则，有些学生会选择死背操作步骤的策略应对，他们会失去