童宇軒 陳曙光 田澤安 鄧輝球 蔡孟秋

[摘 要]問題解決是一種復雜的學習活動，是學生獲取知識的主要途徑。文章依據(jù)認知心理學理論，將物理問題解決過程分為四個階段，即問題表征、策略選擇、應(yīng)用求解、檢驗與反思，然后選取綜合性問題進行教學分析，提出了促進物理問題解決的具體教學策略。

[關(guān)鍵詞]大學物理;問題解決;問題解決策略;教學策略

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）12-0105-03

一、引言

自20世紀60年代以來，問題解決被廣泛和深入研究，成為了認知心理學家重點研究的領(lǐng)域。認知心理學家根據(jù)信息加工理論，把人看作是主動的信息加工者，探討了有關(guān)問題解決各個方面的內(nèi)容。其中，問題解決策略的研究是關(guān)注的焦點之一。

問題解決是指一系列有目的、有指向性的認知操作活動過程[1]。從該定義可看出：1.問題解決具有目標指向性，需要達到某個特定的目標狀態(tài);2.問題解決包含一系列操作;3.問題解決必須進行認知操作。

問題解決策略一般是指為了填補問題的空隙，選擇、組織、改變或操作背景命題的一系列規(guī)則[2]。簡而言之，它是指解決問題的一般途徑與方法。問題解決的策略是屬于通用的學習策略和學科解題實踐的結(jié)合。解決問題時采取何種策略，取決于問題的內(nèi)容、性質(zhì)和個體的知識經(jīng)驗。好的策略能降低任意嘗試的次數(shù)、減少解決問題的時間和提升解答問題的效率。因此，對于問題解決者來說，學會問題解決策略并熟練運用，是十分重要的。

物理問題產(chǎn)生于物理學習過程，解決物理問題是學生學習的關(guān)鍵所在。大學物理是理工科各專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程，其學科特點是以發(fā)現(xiàn)問題和解決問題為根本目的。物理問題解決是學生能否學好物理的關(guān)鍵。

二、 物理問題解決過程的一般模式

物理問題解決過程是信息加工過程，這些信息來源于問題本身和大腦的長時記憶。前者是指通過讀題、審題獲取的信息，主要是問題的條件、目標等方面;后者主要包含相關(guān)的物理概念、規(guī)律、方法和物理問題結(jié)構(gòu)等。物理問題解決過程既是對問題的信息進行處理以達到問題目標狀態(tài)的過程，也是問題信息與問題解決者大腦中的認知結(jié)構(gòu)相互作用的過程。物理問題解決過程可分為四個階段：問題表征，策略選擇，應(yīng)用求解，檢驗與反思。

（一）問題表征

問題表征是指學習者根據(jù)問題信息和自身的知識經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)問題的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建問題空間的過程[3]。表征問題是解決問題的首要環(huán)節(jié)，是解決問題的關(guān)鍵[4]。這是因為問題在難度上的差異來源于兩個方面：一是問題自身的結(jié)構(gòu);二是問題解決者表征問題方式的不同。因此，問題解決的必要前提是進行正確的表征，否則問題解決活動無法順利進行。

Kintsch W等認為[5]，問題解決者能否正確表征主要是取決于是否具備相應(yīng)的問題圖式。圖式的水平?jīng)Q定表征的程度、影響表征的質(zhì)量。圖式理論認為人腦中存儲的知識都能分成單元、形成組塊、組成系統(tǒng)，這些單元、組塊與系統(tǒng)就是圖式。在物理問題解決過程中，許多學生常出現(xiàn)“聽得懂、看得會、做不對”的情況，這主要是因為學生具有的知識較為零亂，還未形成物理問題解決的圖式。每個具體的問題解決是形成圖式的基礎(chǔ)，由于同一類問題具有不同的變式，所以當問題解決者多次解決不同變式的同類問題后，大腦中這一類問題的解決就會演化成代表一類問題的圖式。當問題解決者對物理問題進行表征時，會從大腦中提取出與之相同或相似的圖式;若遇到的是難度較大的問題，在對問題表征時則需要靈活整合現(xiàn)有的問題圖式，甚至是嘗試建立這類問題的新圖式。

在專家的圖式中，知識單元間高度聯(lián)結(jié)，包含學科領(lǐng)域的陳述性知識和程序性知識。當圖式激活后，能迅速對問題進行正確地表征，表現(xiàn)出問題解決的知識優(yōu)勢。而初學者的圖式中知識單元聯(lián)結(jié)松散，學科領(lǐng)域的陳述性知識和程序性知識較少，一般只能對問題表面進行簡單的表征，較難形成正確的問題表征?？梢?，問題表征對于問題解決來說具有不可替代的作用，問題解決者應(yīng)采取合理的方式表征問題，形成一個良好的問題空間，全面認識問題的初始狀態(tài)與目標狀態(tài)。

（二）策略選擇

表征影響策略的選擇，圖式影響表征的質(zhì)量。問題解決者應(yīng)根據(jù)圖式選擇合理的策略加以運用，這是從問題發(fā)生的起始點向終點過渡的中間狀態(tài)，問題解決的一般策略有以下幾方面。

1.順向推理策略：順向推理是從最上位的知識點開始，將問題表征為概括性較高的物理知識范疇中的問題，然后根據(jù)問題中呈現(xiàn)的情境，選擇符合問題要求的下位知識[6]。其解題過程是從一般到具體的邏輯過程，是問題情境和各知識的產(chǎn)生式條件進行匹配、識別的過程。

2.逆向推理策略：逆向推理是從問題的目標狀態(tài)出發(fā)，激活與其相關(guān)的物理知識，將這些知識作為各種可能的解決思路保留在記憶中，對多個可能的假設(shè)進行檢驗和選擇[6]。這是一種從未知條件出發(fā)，經(jīng)若干次假設(shè)，逐步拓展到問題的已知條件，最終得出結(jié)果的過程。

根據(jù)有關(guān)專家和新手解決問題的研究得知：新手一般是采用逆向推理策略解決問題，從問題的未知條件出發(fā)，試圖從自身熟悉的內(nèi)容或想用的解決方法開始，去推算如何得到問題的結(jié)果。專家則能夠認識到問題的深層結(jié)構(gòu)，一般采用順向推理策略。這是因為當采用順向推理策略解決問題時，問題解決者的大腦中需要擁有更多的知識儲備、解題經(jīng)驗或圖式，一般新手通常缺乏這些條件，所以一般會采用逆向推理策略來解決問題。但是，采用逆向推理策略時要建立許多目標與子目標，同時在推理的過程中還需記住它們，這將會給問題解決者的工作記憶帶來更大的壓力。

關(guān)于問題解決策略的研究一般認為，建立在問題表征上的順向推理更為有效，這樣可以充分利用問題的已知條件，從整體上把握問題狀態(tài)與解決方案。若是從問題的目標狀態(tài)提出假設(shè)，進行逆向推理，即從假設(shè)出發(fā)尋求支持的初始條件，如果假設(shè)未得到給定條件信息的支持，就需要提出新的假設(shè)，所以這是一種低效的假設(shè)檢驗策略。當然也有研究發(fā)現(xiàn)，當問題解決能力水平高的被試（即專家）在遇到新穎問題時，由于先前沒有相應(yīng)的經(jīng)驗作為問題圖式，他們也會采用逆向推理策略，或者將這兩種策略結(jié)合起來使用。

3.類比遷移策略：類比遷移是一種通過提取人腦已有知識結(jié)構(gòu)中的有效信息去解決新問題的方法。運用該策略的關(guān)鍵在于待解決問題與原有知識之間有相似或可類比之處。

（三）應(yīng)用求解

當明確物理問題涉及的情景與解決方向后，問題解決者就要采用相關(guān)的解題資源來構(gòu)建解題步驟，如運用已知條件、相關(guān)的理論與規(guī)律，畫出示意圖，建立方程式，利用數(shù)學作為工具來進行分析、推理和論證等?？偟膩碚f，問題解決者需要簡潔明了地表達出應(yīng)用過程與結(jié)果。

（四）檢驗與反思

問題解決的最后一步是檢驗與反思。檢驗通常是指當執(zhí)行解決方案并得出結(jié)果后，運用合理的策略對解題思路、過程、方法、結(jié)果的正確性進行判斷的過程。得出結(jié)果后不僅要檢驗其正確性，同時也要反思問題的結(jié)構(gòu)與解題過程。這是一種類似于反饋的自我反思的高級認知活動，有助于鞏固所學的知識，促進認知結(jié)構(gòu)的重組與構(gòu)建，形成問題解決的程序性圖式，對于提高問題解決者解決問題的能力非常重要。

三、基于物理問題解決模式的實踐案例

大學物理課程主要包含力學、熱學、光學、電磁學、狹義相對論及量子物理基礎(chǔ)等內(nèi)容。大學物理問題可分為四種類型。1.基礎(chǔ)性問題：這類問題考查的是課程基本概念、理論、物理公式的理解與應(yīng)用。2.靈活運用問題：這類問題通?？疾榻忸}者的邏輯思維和分析能力，需要靈活運用所學的知識以及相對應(yīng)的數(shù)學和物理方法。3.綜合性問題：這類問題物理過程較復雜，屬于多個知識點的綜合應(yīng)用，需具備較強的分析綜合能力，其中一些問題的已知條件要多于求解所需。4.探究性問題：這類問題難度較大，需要對知識有更高層次的理解，問題形式靈活多樣。

對于大學物理課程而言，綜合性問題的考查面最廣，問題數(shù)量和所占比例最高，對學生來說問題難度最合適，能有效地培養(yǎng)學生的分析綜合能力。為此筆者選取這種類型的問題來進行教學分析。

教學問題：如圖1所示，銅線橫截面積為S，其中OA、DO'兩段保持水平不動，ABCD段是邊長為a的正方形的三邊，它可繞OO'軸無摩擦轉(zhuǎn)動。整個導線放在勻強磁場B中，B的方向豎直向上。已知銅的密度為ρ，當銅線中電流為I時，導線處于平衡狀態(tài)，AB段、CD段與豎直方向的夾角為α，求OO'軸所受力的大小。

針對這道題，首先從整體上把握它的起始狀態(tài)和目標狀態(tài)，對其進行正確的表征。根據(jù)“線框可繞OO'軸無摩擦轉(zhuǎn)動”和“當銅線中電流為I時，導線處于平衡狀態(tài)”這兩處信息可分析出問題的關(guān)鍵特征。線框可繞軸轉(zhuǎn)動，涉及力矩;導線達到平衡狀態(tài)，意味著線框所受的合力與合力矩都為零，線框受3個力（重力、磁力、軸上的支撐力），軸上的力對軸本身無力矩，故重力矩和磁力矩必然大小相等、方向相反。

其次利用順向推理策略，分析已知條件與目標變量之間的關(guān)系。本題需分別求出重力矩、磁力矩的大小，進而求得磁感應(yīng)強度的大小，這樣才能得到軸線所受力的大小。然后，根據(jù)已知條件、力與力矩的相關(guān)理論，畫出示意圖并建立相應(yīng)的方程式，求得結(jié)果。應(yīng)用求解過程如下所示：

其中AB段、CD段受到的磁力大小相等、方向相反，因此對OO'軸磁力矩為零。此外，還可將ABCD視為平面線圈，通過求平面線圈中磁矩的大小來求得磁力矩的大小。

據(jù)圖2可知，軸線OO'水平方向受的力與磁力FBC大小相等、方向相反;豎直方向受的力與ABCD段受到的重力大小相等、方向相反。

最后，需要對整個解答過程進行檢驗和反思。檢查求出的結(jié)果是否為軸線所受力的大小，力與力矩的求解公式是否正確，最終結(jié)果是否均為已知量。而且還可通過前文中提到的另一種方法求出磁力矩的大小，比較所得結(jié)果是否相同。另外，需要對問題的結(jié)構(gòu)進行反思，思考能否將問題結(jié)構(gòu)進行變換并求解。例如，將軸線所受力的大小作為已知條件，夾角α作為未知條件，組成一個新問題。

四、物理問題解決中的教學策略

問題解決在教學中的運用，與建構(gòu)主義理論有很大聯(lián)系。該理論強調(diào)認知個體在認知過程中的主體性、建構(gòu)性，與其相適應(yīng)的教學模式是以學習者為中心，可見，以問題為中心的教學最能實現(xiàn)這個理念。在問題解決過程中，學生作為質(zhì)疑者、探究者等角色，分析、解決問題和建構(gòu)知識，提高自身的問題解決能力。大學物理應(yīng)該重視問題解決教學，采用合適的教學策略。

1.促進學生物理知識的積累。物理知識基礎(chǔ)是影響學生物理問題表征能力最顯著的因素?；靖拍钫莆盏美喂?，就容易被問題的情境信息激活，實現(xiàn)對問題的正確表征。

2.促進學生知識整合和知識重構(gòu)能力。根據(jù)廖元錫的研究[4]，優(yōu)生與差生具有的知識形態(tài)不一樣，優(yōu)生的知識具有簡約性、結(jié)構(gòu)性，而差生的知識一般較為零散。因此，需要教導學生建構(gòu)知識的策略與方法，幫助學生形成層級化的知識結(jié)構(gòu)，只有學生自己建構(gòu)起來的知識結(jié)構(gòu)才是最有結(jié)構(gòu)性、可激活性的。另外，在教學中，物理知識的學習要和問題解決的實際情境結(jié)合起來，引導學生建立豐富的物理問題解決圖式，幫助學生掌握知識精細加工的方法，促進知識整合。

3.加強原始物理問題教學。原始物理問題是指自然界與社會中客觀存在的，能夠反映物理概念、規(guī)律等，且未被加工的典型物理現(xiàn)象與物理事實[7]。原始物理問題的已知條件，通常是隱藏在真實的物理現(xiàn)象中，學生需要對物理現(xiàn)象進行分析、概括，建立對應(yīng)的理想物理模型，從而得出結(jié)論。通過一定量的原始物理問題訓練，不但能有效地學習物理知識、訓練物理技能，還可以提高學生的解題能力、培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，更重要的是能夠有效地破除“題海戰(zhàn)術(shù)”現(xiàn)象，提高學生學習物理的興趣，幫助學生正確認識物理學。

4.培養(yǎng)和訓練學生的元認知能力。元認知是指個體所具有的關(guān)于自己思維活動與學習活動的知識及其實施的控制，是任何調(diào)節(jié)認知過程的認知活動[8]。元認知在物理問題解決中的作用主要表現(xiàn)在能修正物理問題解決的目標、能激活和改變物理問題解決的策略、能強化問題解決者在物理問題解決中的主體意識。

在當前大學物理教學中存在著重結(jié)果、輕過程的現(xiàn)象，為解決學生學會學習的問題，應(yīng)加強對學生進行元認知能力培養(yǎng)。為此，在大學物理教學中應(yīng)注意以下幾點：1.對學生進行目標激勵和目標強化;2.為學生創(chuàng)設(shè)問題情境，加強思路教學，活化問題解決的思維活動;3.構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，對認知結(jié)構(gòu)進行整體優(yōu)化;4.注重物理問題教學中的及時反饋。

總的來說，問題解決是一種復雜的學習活動，學生物理問題解決能力的提高非一朝一夕所能實現(xiàn)的。在今后的大學物理學習中需要師生共同努力，逐步提高學生解決物理問題的能力。

[ 參 考 文 獻 ]

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[5] Kintsch W， Greeno J G. Understanding and solving word arithmetic problems. Psychological Review， 1985， 92： 109-129.

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[7] 邢紅軍，陳清梅.對原始物理問題教學的思考[J].中國教育學刊，2006（8）：67-69.

[8] 童世斌，張慶林.問題解決中的元認知研究[J].心理學動態(tài)，1997，5（1）：36-39.

[責任編輯：張 雷]