【优秀硕士博士论文】中学物理电磁学问题设计研究

硕士学位论文论文题目中学物理电磁学问题设计研究学科专业教育技术学完成日期2010年4月摘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。关键词问题设计，问题系统，物理电磁学，知识关联图ASTUDYONPROBLEMDESIGNOFPHYSICSELECTROMAGNETISMINMIDDLESCHOOLABSTRACTENHANCINGTHESTUDENTSPROBLEMAWARENESS,CREATIVETHINKINGANDPROBLEMSOLVINGABILITIESISONEOFTHEMOSTIMPORTANTGOALSOFTHENEWCURRICULUMREFORMASTHEFOUNDATIONTOTRAINLEARNERSCOGNITIVEDEVELOPMENTANDADVANCEDTHINKINGSKILLS,PROBLEMHASAVITALROLEFORINSTRUCTIONANDFORTHEWHOLETEACHINGPROCESS,PROBLEMSONDIFFERENTLEVELSARENEEDEDINVARIOUSTEACHINGLINK,ESPECIALLYFORTHEHIERARCHICALTEACHINGWHATTEACHERSNEEDISMORETHANJUSTASINGLEPROBLEM,BUTASERIESOFPROBLEMSWHICHCANBEDISTINGUISHEDACCORDINGTOTHEKNOWLEDGEANDMETHODSREQUIREDWECALLTHEMTHE“PROBLEMSYSTEM”EXPERTSINFIELDSOFINSTRUCTIONALDESIGNANDPHYSICALPEDAGOGYHAVEMADESOMEACHIEVEMENTSONTHEMETHODSTODESIGNAPROBLEMANDPROBLEMSYSTEMBUTMOSTOFTHEMAREMACROSCOPICPRINCIPLESWHICHCANTHELPTHEPHYSICSTEACHERSDIRECTLYANDSPECIFICALLYINTHESTUDYOFLEARNINGACTIVITYCENTEREDINSTRUCTIONALDESIGN,AMETHODTODESIGNAPROBLEMUSINGKNOWLEDGERATIOCINATIONROUTESWASEXPLOREDITISAOPERATIONALPROBLEMDESIGNTECHNOLOGYBUTSTILLNEEDSTOBEIMPROVEDINTHISPAPER,ONTHEBASISOFEXISTINGRESEARCHRESULTS,THEPROBLEMDESIGNTECHNOLOGYUSINGKNOWLEDGERELATINGNETWORKHASBEENEXPLOREDANDAPPLIEDINPHYSICSELECTROMAGNETISMOFMIDDLESCHOOLTHEAUTHORALSOVALIDATESTHISTECHNOLOGYTHROUGHQUESTIONNAIREANDLIMITATIONANALYSISANDFURTHERIMPROVESITDESIGNINGAPROBLEMSYSTEMINSTEADOFASINGLEPROBLEM,THISRESEARCHDEVELOPSANDIMPROVESTHETECHNICALLEVELOFPHYSICSPROBLEMDESIGNTHERESEARCHISCOMPOSEDOFTHEFOLLOWINGTHREEPARTS1MAPPINGRULESOFKNOWLEDGERELATINGNETWORKANDOPERATIONDETAILSOFPHYSICSPROBLEMDESIGNINTHISPART,THEAUTHORELABORATESTHEFUNCTION,COMPONENTS,MAPPINGSTEPS,SELFCONSISTENCYVERIFICATIONOFTHEKNOWLEDGERELATINGNETWORKANDITSRELATIONSHIPSWITHANDDIFFERENCESFROMTHEKNOWLEDGERATIOCINATIONROUTESANDTHEADMOPERATIONMETHODONKNOWLEDGERELATINGNETWORKISIMPROVEDUSINGKNOWLEDGERATIOCINATIONROUTESPROBLEMDESIGNMETHODFORREFERENCE2PROBLEMSYSTEMDESIGNMETHODFORPHYSICSELECTROMAGNETISMINMIDDLESCHOOLDESIGNASERIESOFPROBLEMSONPHYSICSELECTROMAGNETISMWITHTHEKNOWLEDGERELATINGNETWORKPROBLEMDESIGNMETHODANDTHENSUMSUPTHEMETHODTOCONSTRUCTAPROBLEMSYSTEM3THEQUESTIONNAIREBASEDSURVEYANDATTRIBUTIONONTHEFRUITOFPROBLEMSYSTEMDESIGNANALYZETHELIMITATIONOFTHEPROBLEMSANDPROBLEMSYSTEMSWHICHAREDESIGNEDINTHISPAPER,ANDFURTHERIMPROVETHEPERFECTTHEPROBLEMDESIGNTECHNOLOGYINTHELIGHTOFTHEANALYSISRESULTSKEYWORDSPROBLEMDESIGN,PROBLEMSYSTEM,PHYSICSELECTROMAGNETISM,KNOWLEDGERELATINGNETWORK目录中学物理电磁学问题设计研究I摘要IASTUDYONPROBLEMDESIGNOFPHYSICSELECTROMAGNETISMINMIDDLESCHOOLII目录1正文图表目录1附录图表目录31绪论111研究背景112相关研究综述2121问题设计的相关研究2122物理电磁学的相关研究4123研究现状分析总结513研究意义6131理论意义6132实践意义72研究的整体设计721关键词界定7211“问题”的界定7212问题系统922研究目标与内容9221研究目标9222研究内容923研究过程设计103知识关联图问题设计技术1131知识关联图介绍11311知识关联图及其功能11312知识关联图的构成成分12313知识关联图的绘制方法13314知识关联图与知识推理路径的联系与区别18315知识关联图介绍小结1832运用知识关联图进行问题设计19321绘制知识网络图19322选择问题原型20323ADM操作2133小结234中学物理电磁学问题系统设计2341问题系统设计方法概述2342问题系统设计举例24421绘制知识网络图24422选择问题原型并绘制知识关联图25423针对知识关联图进行ADM操作设计新题26424分析问题知识结构，构建问题系统3843中学物理电磁学问题系统设计技巧425问卷调查分析与归因4351单个问题的调查结果统计与分析43511科学性缺陷分析和归因45512教学性缺陷分析和归因4552问题系统的调查结果统计与分析4653分析与总结486后续研究与展望4861与课堂教学相结合，深入问题设计技术的研究4862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313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附录图表目录图1题11图154图2题11图254图3题12图54图4题13图55图5题14图55图6题15图55图7题16图56图8题17图56图9题21图56图10题22图57图11题23图57图12题24图57图13题25图57图14题26图57图15题27图58图16题28图581绪论11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。12相关研究综述121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。1211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。1212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ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND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，1718其中张润芝的研究为本文提供了重要的参考和基础。122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。123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。13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。131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。1311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。1312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。132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。2研究的整体设计21关键词界定211“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KARLDUNKER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（NEWELLSIMON，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。293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。304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。212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。22研究目标与内容221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。222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）。2221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。2222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。2223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。23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。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31知识关联图介绍311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。312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“EBLV”。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。313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。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图3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A0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2G2F电场2力的合成与分解VT2V022ASV022AS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A0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F合2G2F电场2力的合成与分解VT2V022ASV022AS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A0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GW电场F电场SCOSWFSCOS电场力做功W电场0小球运动距离S0GMGGMG00小球初速度V0重力加速度G倾角电势能变化EPEPW电场EPW电场1图9知识关联图绘制举例步骤六步骤七根据标识节点进行完备性检验，验证知识关联图是否能够准确地表征问题。知识关联图完备性检验的方法和步骤如下所示1从所求节点出发对图进行遍历；2对遍历到的概念节点的属性状态重新赋值属性状态值为0或1的节点，如果与其相连同一情境操作子节点的其他所有概念节点状态值均为1，则将该节点的状态值赋值为1，否则不变；如果概念节点与多个情境操作子节点相连，那么只要有一个情境操作子路径满足上述条件，即可重新赋值为1。3遍历结束后如果所求节点的状态值为1，则问题可解，可以认为知识关联图通过了完备性检验；否则不可解，需要对知识关联图进行重新检查调整。上述方法可以很容易通过计算机递归算法来实现自动检验，本文对具体算法暂不做研究。我们这里可以手动推算，对上面绘制的知识关联图进行完备性检验由所求节点开始遍历，由于与其相连同一情境操作子节点的状态电势能变化EP电场力做功W电场值为0，所以所求节点状态仍然为1；由开始继续遍历，与其相连同一情境电场力做功W电场操作子节点的和节点状态值均为0，所以节点状态依然为电场力F电场小球运动距离S电场力做功W电场0；以此类推不断递归遍历，最终返回值为1，即所求节点状态为1，问题不可解。实际上，通过分析我们可以发现，只要处于关键路径上的每一个情境操作子节点是可解的，即可保证问题可解，进而断定知识关联图是完备的。这里我们要说明以下两点1情境操作子节点处于关键路径上有两种情况第一种是该情境操作子节点处于问题求解的唯一一条路径上；第二种情况是，问题求解有多条路径，但其他路径均不可通。2情境操作子节点可解的充要条件是N1M1。M是指与情境操作子节点相连的概念节点总数，N1为状态值为1或状态值为非1但由于与其他情境操作子相连可以重新赋值为1的概念节点数量。用上述方法再一次仔细分析知识关联图可以发现，该图没有通过完备性检验的原因在于，节点所关联的和节点状态值均为0且不可重新F合MA加速度A小球受合力F合赋值为1，导致节点不可解。F合MA步骤八对于没有通过完备性检验的知识关联图，要仔细检查是否有遗漏的情境操作子和概念节点，重复步骤四和步骤五，最终得到完备的知识关联图，如图10知识关联图绘制举例步骤八所示G/F电场TANF合2G2F电场2力的合成与分解VT2V022ASV022AS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A0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GW电场F电场SCOSWFSCOS电场力做功W电场0小球运动距离S0GMGGMG00小球初速度V0重力加速度G倾角电势能变化EPEPW电场EPW电场1力的合成与分解图10知识关联图绘制举例步骤八分析和解决物理问题的过程，就是应用所学物理知识和原理，将问题给出的物理情境，抽象为各种概念模型和过程模型，用数学化的公式或方程表达出来并最终用数学知识解得结果。34结合上面的例子我们不难发现，上述知识关联图的绘制步骤符合物理问题的一般解题思路，因此对物理教师来说是很容易掌握的。另外，由于问题的不同特点以及绘制者不同的思维方式，我们也可以采用逆向思维的方法，从所求节点出发绘制知识关联图。具体步骤为1绘制所求概念节点并标识属性；2绘制与所求节点相关的所有操作子节点和情境操作子节点；3绘制与情境操作子节点相关的概念节点，并标注概念节点的标识节点；4重复步骤2和步骤3，直到所有相关联的概念节点和操作子节点都被画出；5通过对操作子及概念节点的分析，抽象得出物理问题情境，绘制情境节点并与相关的情境操作子节点相连；6根据标识节点进行完备性检验，根据检验结果进行再调整，直至通过完备性检验。从所求节点出发绘制知识关联图的方法，比较适用于物理问题情境比较复杂难以抽象或者不便于快速找出情境涉及的操作子节点的情况。问题情境是一个物理问题的关键要素，只有准确抽象出问题情境才能真正把握并正确解答物理问题。所以问题情境节点在知识关联图中是不可或缺的。314知识关联图与知识推理路径的联系与区别从本质上来讲，知识关联图是对知识推理路径的改进和完善，二者存在着一定的继承与超越关系。具体来说，二者的联系与继承关系体现在以下几个方面1知识关联图和知识推理路径都是问题的表征方式；2知识关联图中的操作子节点和概念节点与知识推理路径中的对应类型节点相同，知识关联图中的问题情境节点和情境操作子节点分别相当于知识推理路径中情境节点1和情境节点2；3知识关联图中包含着知识推理路径中的推理成分由初始的问题情境节点推导出情境操作子节点，以及以操作子节点为依据得到具体情境下的情境操作子节点，这些都包含了推理的成分。同时二者又具有以下区别1相比知识推理路径，知识关联图中增加了标识节点，使知识关联图的完备性检验操作更加简化，而且有望实现计算机自动化操作。2知识推理路径中情境节点的变化和推理过程是根据绘制者的主观解题思路绘制的，路径的唯一性掩蔽了知识点之间的某些联系（知识点之间的联系往往是多路径的）。知识推理路径只能用来描述问题的一条解决路径，因此不能唯一地表征有多种解