高中物理教科書結(jié)構(gòu)不良問題分析及教學(xué)策略研究

馬文睿 程琳

摘? ?要：在對結(jié)構(gòu)不良問題相關(guān)文獻進行梳理的基礎(chǔ)上，以人教版高中物理三套必修模塊教科書為例，對其中的結(jié)構(gòu)不良問題的數(shù)量和分布進行統(tǒng)計與分析，得出結(jié)構(gòu)不良問題共有220道，其中“思考與討論”欄目中結(jié)構(gòu)不良問題所占比例最高。為了有效實施結(jié)構(gòu)不良問題的教學(xué)，提出幾點教學(xué)策略：引入真實情境中的結(jié)構(gòu)不良問題，將物理實驗與結(jié)構(gòu)不良問題相融合，將傳統(tǒng)習(xí)題轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)不良問題。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)不良問題;教科書;教學(xué)策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）10-0022-5

1? ? 概念的界定及相關(guān)分析

1.1? ? 結(jié)構(gòu)不良問題的含義及特征

1.1.1? ? 結(jié)構(gòu)不良問題的含義

Reitman（1965）首次從認知心理學(xué)的角度將結(jié)構(gòu)良好問題（well-structured problem）和結(jié)構(gòu)不良問題（ill-structured problem）進行了區(qū)分[1]。一個問題是由問題的初始狀態(tài)、問題的算子、問題的目標狀態(tài)三部分組成。初始狀態(tài)指的是問題中所包含的條件，算子是指解決問題所選擇的方法和途徑，目標狀態(tài)是指問題所要得出的結(jié)論。結(jié)構(gòu)良好問題是指問題的這三個部分是明確的，而結(jié)構(gòu)不良問題是指在問題中這三個部分其中的一部分或者幾部分是不明確的。例如，人教版高中物理教科書第十章“練習(xí)與應(yīng)用”欄目中第一題：“真空中有一對平行金屬板，相距6.2 cm，兩板電勢差為90 V。二價的氧離子由靜止開始加速，從一個極板到達另一個極板時，動能是多大？”[2]該題的解題方法是不明確的，可以用動能定理或者牛頓第二定律等方法來求解，這是一道典型的算子不明確的結(jié)構(gòu)不良問題。

1.1.2? ? 結(jié)構(gòu)不良問題的特征

結(jié)構(gòu)良好問題其問題中的條件和解決方式是確定的，而結(jié)構(gòu)不良問題正好與其相反，它的顯著特征為問題結(jié)構(gòu)的不確定性。喬納森等人根據(jù)結(jié)構(gòu)不良問題的種類將其特征歸納為這幾點：第一，問題的條件或者數(shù)據(jù)不清晰，或者與真實的生活情境相關(guān)，而且需要借助生活情境來解決問題;第二，問題的解決方法不唯一，或者需要其他學(xué)科的知識解決問題;第三，問題的答案是多種的或者答案是開放的[3]。

需要指出，結(jié)構(gòu)不良問題并不是需要以上這幾種特征都滿足，不同的結(jié)構(gòu)不良問題其不良程度是有所不同的，可以在某一方面有結(jié)構(gòu)不良的特征，也可以全部方面都具備其特征[4]。結(jié)構(gòu)不良問題是科學(xué)探究的高端探究，因為它要求學(xué)生參與活動的過程要素更多，問題條件也更加開放，它需要教師、教材、學(xué)生的積極參與以及相應(yīng)的教學(xué)條件，這幾部分少了哪個部分都是很難很好地解決結(jié)構(gòu)不良問題。

1.2? ? 結(jié)構(gòu)不良問題引入高中物理教學(xué)的價值

1.2.1? ? 有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

科學(xué)探究能力是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要因素之一，也是學(xué)生所必備的重要品格和關(guān)鍵能力。探究的源頭是“問題”，沒有“疑問”就無所謂“探究”。結(jié)構(gòu)不良問題自身具有不確定性，所以學(xué)生在探究活動中沒有可供參考的固定模式，因而能夠激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望。與此相反，教材中的大部分練習(xí)題都是與教材中的例題有著相似的思考過程與解題步驟，學(xué)生只需要套用例題中的解題思路即可快速解決習(xí)題。傳統(tǒng)教學(xué)只是局限于“教師教”與“學(xué)生學(xué)”的模式，忽視了學(xué)生的主體性以及他們對于學(xué)習(xí)的需求，從而降低了他們的學(xué)習(xí)動機。因此，物理教學(xué)中引入結(jié)構(gòu)不良問題可以激起學(xué)生探究問題的積極性。

1.2.2? ? 激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維

思維是人類高層次的認知過程，生活中任何問題的解決都需要思維的參與，而創(chuàng)造性思維則是以獨特、新穎的方式來解決問題的一種思維，也是人類進行創(chuàng)造性活動的關(guān)鍵部分，更是當今教育應(yīng)該努力培養(yǎng)和發(fā)展的一種思維[5]。結(jié)構(gòu)不良問題的空間結(jié)構(gòu)具有一定的不確定性，它打破了結(jié)構(gòu)良好問題的預(yù)設(shè)。在思考過程中，學(xué)生運用頭腦風(fēng)暴策略，從不同的角度思考問題，得到不同的答案，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

1.2.3? ? 提高學(xué)生的問題解決能力

人的成長過程是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，問題解決能力是影響一個人智力高低的重要因素之一[6]。隨著教育體系的逐漸完善，越來越多的人開始將教育的中心轉(zhuǎn)移到書本知識和實際生活情境相聯(lián)系上來。傳統(tǒng)的教學(xué)大多呈現(xiàn)的都是結(jié)構(gòu)良好問題，學(xué)生只要根據(jù)解題步驟和方法，認真讀題就能確定問題的答案。而實際生活中的問題要復(fù)雜得多，并不是僅僅通過簡單的信息提取就可以解決的。所以，很多學(xué)生出現(xiàn)了“高分低能”的現(xiàn)象。在考試中得分很高，但是很難獨自解決生活中的物理問題。由于結(jié)構(gòu)不良問題具有問題定義不明確、目標定義不明確的特點，并與現(xiàn)實生活情境相關(guān)，教學(xué)過程中提出一些結(jié)構(gòu)不良問題可以潛移默化地提高學(xué)生在課堂教學(xué)中解決問題的能力，特別是提高解決實際問題的能力[5]。

2? ? 高中物理教科書中結(jié)構(gòu)不良問題的呈現(xiàn)及分析

在結(jié)構(gòu)不良問題相關(guān)概念界定的基礎(chǔ)上，首先對結(jié)構(gòu)不良問題及其解決的教育價值進行深刻剖析，然后以人教版普通高中教科書物理必修模塊為例來分析，從結(jié)構(gòu)不良的角度對三本教科書[2，7-8]的四個欄目中設(shè)置的問題進行分析，分析其特點及在教科書中的分布情況等，以便教師更深入地認識教科書，更有效地利用教科書，發(fā)揮教科書中結(jié)構(gòu)不良問題對培養(yǎng)學(xué)生的作用。

2.1? ? 研究范圍及方案

2.1.1? ? 研究范圍

考慮到教材的結(jié)構(gòu)設(shè)置情況，選擇人教版高中物理三套必修教科書中的“問題”“思考與討論”“練習(xí)與應(yīng)用”“復(fù)習(xí)與提高”四個欄目中出現(xiàn)的問題，前言及正文部分出現(xiàn)的問題不在研究范圍之內(nèi)。

2.1.2? ? 實施方案

問題的結(jié)構(gòu)一般總是包含四個要素：情境內(nèi)容、給定條件、目標結(jié)論、解決途徑。其中，情境內(nèi)容和給定條件可將其歸于問題結(jié)構(gòu)中的初始狀態(tài)部分，所以可根據(jù)問題的結(jié)構(gòu)將結(jié)構(gòu)不良問題分為初始狀態(tài)不清晰類結(jié)構(gòu)不良問題、算子不清晰類結(jié)構(gòu)不良問題、目標狀態(tài)不清晰類結(jié)構(gòu)不良問題。每類結(jié)構(gòu)不良問題的具體特征如表 1所示。

2.2? ? 結(jié)構(gòu)不良問題在教科書中的分布特點

2.2.1? ? 結(jié)構(gòu)不良問題在教科書中的總體數(shù)量特征

根據(jù)對結(jié)構(gòu)不良問題的界定和分類，總結(jié)了這四個欄目中的結(jié)構(gòu)不良問題占全部問題的比例，具體信息如圖 1所示。從圖中可以看出，教科書中的結(jié)構(gòu)不良問題雖然沒有結(jié)構(gòu)良好問題所占比例多，但是也占總問題的近一半，這說明結(jié)構(gòu)不良問題在教學(xué)中的地位也是不可忽視的，應(yīng)當引起教育者的重視。

2.2.2? ? 結(jié)構(gòu)不良問題在教科書中的位置

根據(jù)表1對結(jié)構(gòu)不良問題的分類，將三類結(jié)構(gòu)不良問題在教科書不同欄目中出現(xiàn)的數(shù)量和具體位置進行了總結(jié)。

（1）“問題”欄目中的結(jié)構(gòu)不良問題在教科書中的位置及數(shù)量分析

對“問題”欄目中出現(xiàn)的各類結(jié)構(gòu)不良問題的數(shù)量及具體位置進行總結(jié)，具體信息如表 2所示。從表 2可以發(fā)現(xiàn)，“問題”欄目中的結(jié)構(gòu)不良問題多數(shù)是算子不清晰類和目標狀態(tài)不清晰類結(jié)構(gòu)不良問題，而初始狀態(tài)不清晰類結(jié)構(gòu)不良問題僅有5道。

（2）“思考與討論”欄目中的結(jié)構(gòu)不良問題在教科書中的位置及數(shù)量分析

由表3總結(jié)的信息可知，“思考與討論”欄目中初始狀態(tài)不清晰類結(jié)構(gòu)不良問題在教科書中并未設(shè)置，其他兩類結(jié)構(gòu)不良問題則設(shè)置較多，這可能與欄目本身的特點有關(guān)。

（3）“練習(xí)與應(yīng)用”欄目中的結(jié)構(gòu)不良問題在教科書中的位置及數(shù)量分析

“練習(xí)與應(yīng)用”欄目中的問題總數(shù)是各個欄目中問題總數(shù)最多的（表4）。從表 4可以看出，目標狀態(tài)不清晰類結(jié)構(gòu)不良問題即問題的答案具有多種可能性或者答案是開放的問題數(shù)量最多，說明教材比較重視對學(xué)生發(fā)散思維的培養(yǎng)。

（4）“復(fù)習(xí)與提高”欄目中的結(jié)構(gòu)不良問題在教科書中的位置及數(shù)量分析

“復(fù)習(xí)與提高”欄目中各類結(jié)構(gòu)不良問題的數(shù)量相差不多，如表 5所示。

2.2.3? ? 結(jié)構(gòu)不良問題在欄目中的設(shè)置特點

表6統(tǒng)計了結(jié)構(gòu)不良問題在每個欄目的數(shù)量以及占相應(yīng)欄目的比例，從表格中可知“練習(xí)與應(yīng)用”欄目中結(jié)構(gòu)不良問題數(shù)量最多，但是由于其總題數(shù)多，所以結(jié)構(gòu)不良問題占該欄目中問題總數(shù)的比例并不是很高。相反，“思考與討論”欄目中的結(jié)構(gòu)不良問題比例較高，這可能與該欄目的設(shè)置特點有關(guān)。

3? ? 高中物理課堂引入結(jié)構(gòu)不良問題的教學(xué)策略

教師在教學(xué)過程中不僅要注重知識的傳授，更要提高學(xué)生思考和解決問題的能力。下面從教學(xué)環(huán)節(jié)即課前導(dǎo)入、新課講授、課堂練習(xí)這三個部分對課堂教學(xué)引入結(jié)構(gòu)不良問題提出幾點策略。

3.1? ? 課前導(dǎo)入——引入真實情境中的結(jié)構(gòu)不良問題

物理離不開生活，物理教學(xué)更應(yīng)該與生活實際相聯(lián)系，使得學(xué)生有能力應(yīng)用物理知識解決實際問題。但是，在引入真實情境中的結(jié)構(gòu)不良問題時，應(yīng)注意不是所有情境中的結(jié)構(gòu)不良問題都適合學(xué)生解決，這需要教師精心選擇合適的結(jié)構(gòu)不良問題作為物理教學(xué)的切入口，從而適當?shù)卮┎褰Y(jié)構(gòu)不良問題。

在導(dǎo)入部分教師可以合理利用教科書中的“問題”欄目，根據(jù)以上對“問題”欄目中結(jié)構(gòu)不良問題比例的分析，結(jié)構(gòu)不良問題的數(shù)量占該欄目問題總數(shù)的比例較高，教師可以充分利用“問題”欄目中的結(jié)構(gòu)不良問題進行課堂導(dǎo)入。這里以人教版必修一物理教科書中第四章第五節(jié)的“問題”欄目為例：“為了盡量縮短停車時間，旅客按照站臺上標注的車門位置候車。列車進站時總能準確地停靠在對應(yīng)車門的位置。這是如何做到的呢？”[7]教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用學(xué)過的牛頓運動定律來解決此題，組織學(xué)生就生活中的列車進站問題進行討論。在學(xué)生充分討論之后，教師給出答案。把生活素材引入物理教學(xué)，符合“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念，擴大了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)生的興趣。

3.2? ? 新課講授——將物理實驗與結(jié)構(gòu)不良問題相融合

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理教學(xué)更離不開實驗探究。在物理教學(xué)過程中，實驗是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑，而探究性實驗所要探究的問題往往是結(jié)構(gòu)不良問題。通過課堂實驗教學(xué)，發(fā)散學(xué)生思維，營造“自主、合作、探究”的學(xué)習(xí)氛圍。教材是知識的載體，教師應(yīng)深入把握教材中實驗探究的內(nèi)容，挖掘出適合學(xué)生探索的結(jié)構(gòu)不良問題，組織課堂探究實驗。

高中物理“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗是一個初始狀態(tài)和算子都不明確的結(jié)構(gòu)不良問題，如果教師直接告訴學(xué)生實驗方案，這一知識點并不能很快地被學(xué)生理解和掌握，教師可以為學(xué)生提供實驗思路和實驗中所要用到的實驗方法，讓學(xué)生自己設(shè)計實驗從而得出結(jié)論。通過在實驗過程中的探索，學(xué)生不僅可以了解物理知識，還體驗了研究性學(xué)習(xí)的樂趣。

3.3? ? 課堂練習(xí)——將傳統(tǒng)習(xí)題轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)不良問題

教師可以通過隨堂練習(xí)進而對學(xué)生進行形成性評價，了解學(xué)生對知識的掌握程度，它是教學(xué)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，教師可以在這一環(huán)節(jié)改編傳統(tǒng)習(xí)題，如降低問題的初始條件，改變問題的目標狀態(tài)，使問題的結(jié)構(gòu)變得模糊[5]。傳統(tǒng)習(xí)題變成了結(jié)構(gòu)不良問題，如果學(xué)生不能獨立解決結(jié)構(gòu)較差的問題，教師可以通過澄清問題的結(jié)構(gòu)，對學(xué)生加以引導(dǎo)。

例如，人教版高中物理第十一章“復(fù)習(xí)與提高”欄目中的第一題，“如圖2，A、B間的電壓U為10 V，電阻R1為1 kΩ，R2為5 Ω，R3為2 kΩ，R4為10 Ω。試估算干路中的電流I有多大?！盵2]

這是一道典型的結(jié)構(gòu)良好問題，學(xué)生根據(jù)串并聯(lián)電路的知識點即可解答此題。因此，教師可以將此題改編為一道結(jié)構(gòu)不良問題，即給學(xué)生電流表和電壓表讓學(xué)生自己設(shè)計，從而求出通過該電路中的電流I。

4? ? 總? 結(jié)

在處理教材中的結(jié)構(gòu)不良問題時，教師首先應(yīng)將教學(xué)的中心和重心還給學(xué)生。要注意問題的結(jié)構(gòu)成分缺失對學(xué)生解題會造成什么影響，既要注意問題的成分缺失對學(xué)生解題造成的干擾，也要考慮到問題思維層次要求帶來的難度?？梢酝ㄟ^補充問題缺失成分、設(shè)置不同思維梯度的結(jié)構(gòu)良好問題來幫助學(xué)生順利解決。此外，教師還應(yīng)結(jié)合問題所處欄目的特點適當?shù)卦O(shè)計與組織教學(xué)活動，把課堂還給學(xué)生。這些問題的欄目特色均要求學(xué)生主動參與、積極配合，學(xué)生應(yīng)加以重視，而不能只是看看而已。同時，在結(jié)構(gòu)不良問題的解決中應(yīng)著意訓(xùn)練辯證性思維和自我監(jiān)控能力。最后，這些問題由于其結(jié)構(gòu)不良特征會造成解決復(fù)雜性及思維難度的增加，教師應(yīng)注意習(xí)題設(shè)置的螺旋式上升，同時增設(shè)“思考與討論”欄目，設(shè)置跨學(xué)科問題。

參考文獻：

[1]李同吉，吳慶麟.論解決結(jié)構(gòu)不良問題的能力及其培養(yǎng)[J].華東師范大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2006，24（01）：63-68+75.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第三冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]Jonassen D H. Instructional design models for well-structured and ill-structured problem-solving learning outcomes[J]. Educational Technology： Research and Development，1997，45（01）：65-94.

[4]楊承印，楊寶，楊帆.“結(jié)構(gòu)不良問題”：中學(xué)理科教材不應(yīng)忽視的問題構(gòu)造取向[J].湖南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)報，2013，12（05）：17-20.

[5]彭潔，郭懷中. 結(jié)構(gòu)不良問題引入初中物理教學(xué)的分析與討論[J].物理教師，2015，36（04）：45-47.

[6]韋娟芳. 新課程背景下，初中化學(xué)教科書中結(jié)構(gòu)不良問題及其教學(xué)啟示研究[D].西安：西北大學(xué)，2016.

[7]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[8]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）