影響物理問題解決的因素及策略

影響物理問題解決的因素及策略

問題解決是思維的重要形式，也可以說是思維的目的?，F(xiàn)實(shí)生活中無論我們學(xué)習(xí)知識還是掌握技能，其目的都是要解決實(shí)際問題。因此，解決問題也是我們物理學(xué)科學(xué)習(xí)的終極目標(biāo)。正因?yàn)榇?，在學(xué)校教育與教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力并促進(jìn)其思維的發(fā)展，成為我們教育教學(xué)中備受關(guān)注的問題，而幫助學(xué)生成為一名有效、成功的問題解決者則成為我們教育者的重要目標(biāo)。一、問題解決的經(jīng)典性界定眾所周知，一個(gè)人在生活中每時(shí)每刻都會(huì)遇到形形色色、大大小小的問題，那么何為問題?問題應(yīng)該如何進(jìn)行表征?何為問題空間?何為問題解決?1.問題解決的基本含義目前西方心理學(xué)界比較流行的問題的定義是由美國心理學(xué)家紐厄爾和西蒙(Newell&Simon)提出的，即：問題是這樣一種情境，個(gè)體想做某事，但不能即刻知道做這件事所需采取的一系列行動(dòng)。安德森指出：所謂問題解決，當(dāng)有三個(gè)基本的特征：一是目的指向性，這種行為是為了達(dá)到某一目的而組織起來的；二是子目標(biāo)的分解，問題解決的實(shí)質(zhì)在于必須將原先的目的分解為一些子任務(wù)或子目標(biāo)；三是算子的選擇，算子指能夠?qū)栴}的一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種狀態(tài)的行動(dòng)，而整個(gè)問題的解決便是有序地使用這些已知的算子。2.問題空間問題空間是指問題解決者在解決問題時(shí)所經(jīng)歷的各種問題狀態(tài)，它是由問題解決者最初所面臨的各種問題情境（起始狀態(tài)）、在抵達(dá)目的途中所面臨的各種問題情境（中間狀態(tài)），以及最終達(dá)到的目的狀態(tài)所構(gòu)成。顯然，從起始狀態(tài)出發(fā)，問題解決者可以選擇多種途徑來改變自己所面臨的狀態(tài)。美國卡內(nèi)基一梅隆大學(xué)的紐厄爾和西蒙將上述問題解決者所達(dá)到的一系列狀態(tài)稱為問題空間或問題狀態(tài)，問題解決者不斷地明確和啟用問題解決的算子，借以將問題中的一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，也就是說問題空間是一種迷津，問題解決者必須找到一條通路走出狀態(tài)的迷津。3.物理問題解決物理問題也是這樣一種狀態(tài)，一種給出有關(guān)問題條件的描繪及構(gòu)成問題結(jié)論的描述，學(xué)生在這種狀態(tài)下暫時(shí)不能一目了然就可以得到問題結(jié)論，它與淺顯的“某某叫什么”不一樣，這種狀態(tài)構(gòu)成學(xué)生一種知識的需要，要達(dá)到目標(biāo)要尋求算子，而后者則不是問題，它只能是簡單的陳述性知識的描述。物理問題解決也是尋找算子填補(bǔ)問題空間，即問題解決者從已知的問題初始狀態(tài)出發(fā)，尋求解決問題必備的算子，如果一步可以實(shí)現(xiàn)，就用一種算子，否則就要將目標(biāo)狀態(tài)分解為無數(shù)子目標(biāo)，再應(yīng)用算子實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的迷津，最后實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理問題的解決。二、影響物理問題解決的因素問題解決過程不是直線式的，而是經(jīng)歷了種種曲折。問題解決者要嘗試運(yùn)用各種假設(shè)，再評價(jià)其結(jié)果，以此來逐漸積累信息。隨著信息的積累，問題解決者把有關(guān)的全部知識構(gòu)成他的認(rèn)識狀態(tài)，通過算子改變此時(shí)的認(rèn)識狀態(tài)，達(dá)到一個(gè)新的認(rèn)識狀態(tài)，最后過渡到目標(biāo)狀態(tài)。由于問題解決受人的知識經(jīng)驗(yàn)和各種心理過程的制約，所以在問題解決過程中難以避免地走入死胡同。問題解決者在不斷成功失敗、錯(cuò)綜復(fù)雜的情勢下尋求問題的真諦，在眾多影響問題解決的因素中，下面幾條尤為突出。1.問題的識別在解決物理問題的過程中首先要識別問題，即根據(jù)物理問題出現(xiàn)的情境或狀態(tài)，確定所要解決問題的目標(biāo)狀態(tài)，這是解決問題的先決條件。在現(xiàn)實(shí)物理教學(xué)過程中，我們常常發(fā)現(xiàn)學(xué)生對物理問題識別欠佳，如一道電學(xué)題：有兩只燈泡，一只標(biāo)有“6V2W”，另一只標(biāo)有“6V3W”，現(xiàn)在把這兩只燈泡串聯(lián)在同一電源電路中（電源內(nèi)阻不計(jì)），試問電源電壓是多少?對于這樣的問題，要想正確求解，首先要明確此問題的目標(biāo)狀態(tài)，這兩只燈泡分別給出了額定電壓和額定功率，通過電壓和功率可以得出燈泡的額定電流和燈泡的電阻，再根據(jù)串聯(lián)電路電流電壓的特點(diǎn)就可以求解，可是現(xiàn)實(shí)中我們常常發(fā)現(xiàn)學(xué)生識別不了此問題給提供的情境，想不到由額定電壓和額定功率可以得出電阻和額定電流。2.問題的表征在對問題識別的基礎(chǔ)上必須要較好地定義或表征物理問題，以能夠使自己對這個(gè)問題有所理解和知道應(yīng)該怎么去做。這一步是很關(guān)鍵的，因?yàn)橹挥袑栴}定義和表征準(zhǔn)確了，才可能尋找到問題解決的答案。如教師在講到磁生電一節(jié)時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)教師已經(jīng)得出小磁針放在通電導(dǎo)線周圍，當(dāng)閉合開關(guān)時(shí)小磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)把導(dǎo)線纏繞在一起就形成一個(gè)通電螺線管，接通電源后，在它的周圍也會(huì)有磁場存在，請問通電螺線管相當(dāng)于什么磁鐵呢?這樣的問題首先就沒有表征清楚，如果教師在講這一問題時(shí)，教師事先繞線圈，讓學(xué)生感知線圈的繞法，然后在螺線管的周圍放上小磁針，接通電源學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)直觀真切地感受到通電螺線管就相當(dāng)于條形磁鐵。由此我們可以看出：教師在教學(xué)過程中首先要注意對問題進(jìn)行明確表征；其次在教學(xué)中要多注意運(yùn)用直觀的手段，讓學(xué)生在直觀感受中體驗(yàn)到物理問題解決的初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，只有這樣學(xué)生才能順利實(shí)現(xiàn)物理問題的解決。3.選擇問題解決策略缺失問題解決需運(yùn)用一系列的操作，究竟選擇哪些操作，將它們組成什么樣的序列，這些都依賴于人們采取哪些問題解決方案或計(jì)劃。問題解決的方案計(jì)劃統(tǒng)稱為問題解決策略，它決定著問題解決的具體步驟，選擇操作與確定問題解決的策略密不可分，問題解決總是由一定策略來引導(dǎo)搜索的，因此選擇好問題解決策略是問題順利解決的先決條件。但在現(xiàn)實(shí)中我們發(fā)現(xiàn)教師在教學(xué)過程中只注重告訴學(xué)生問題的結(jié)論，常常忽視教給學(xué)生解決問題的策略，學(xué)生沒有方法，對于物理問題的解決而言，只能知一題會(huì)一題，不會(huì)融會(huì)貫通，更不會(huì)觸類旁通。4.自動(dòng)化基本技能的欠缺大量實(shí)踐充分證明：在解決物理問題情境中，相對的專家與相對的新手解決問題的速度和準(zhǔn)確度不同，專家在解決物理問題時(shí)能夠透過現(xiàn)象把握問題的本質(zhì)，善于調(diào)用和篩選必需的知識來界定當(dāng)前問題的性質(zhì)，這是專家的特長。透過專家的特長我們可以看到專家之所以能在短時(shí)間內(nèi)識別、界定并找尋到解決問題的辦法，其原因是相對專家具有自動(dòng)化的基本技能，由于強(qiáng)大的特殊領(lǐng)域知識決定專家的特征：一是知識的程序化，相對專家使陳述性知識向程序性知識轉(zhuǎn)化，這樣的轉(zhuǎn)化使專家脫離了就問題而論問題的陳述性知識的淺層次；二是學(xué)會(huì)戰(zhàn)術(shù)性知識策略性知識轉(zhuǎn)化，專家在特殊領(lǐng)域已經(jīng)脫離了簡單的應(yīng)用程序性知識，在特定領(lǐng)域的知識達(dá)到自動(dòng)化后，善于發(fā)現(xiàn)問題的深層結(jié)構(gòu)。如對于力學(xué)問題中的斜面問題，相對專家往往從已經(jīng)自動(dòng)化的程序知識出發(fā)構(gòu)建自己的圖式，這樣既提高問題解決的速度，同時(shí)也利于提高問題的解決的準(zhǔn)確性。而同樣是斜面問題，相對新手則只能就題論題，因?yàn)樗麄兊某绦蛐灾R還沒有達(dá)到自動(dòng)化程度，更難以談到上升到策略性知識。三、提高物理問題解決能力的有效策略1.提供解決物理問題的一般方法解決物理問題的關(guān)鍵在于搜索問題空間，以期找到一條走出問題迷津的最佳路徑，即尋找一條從問題的起始狀態(tài)到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)的通路，也就是找到一定的算子序列，算子搜索或?qū)ふ乙揽坎呗缘囊龑?dǎo)，也就是說，在實(shí)際教學(xué)中，為了提高學(xué)生的物理問題解決能力，應(yīng)該教給學(xué)生一些解決問題的一般策略，這樣才有助于學(xué)生物理問題解決能力提升。問題解決策略多種多樣，一個(gè)問題可以用不同的策略來解決，應(yīng)該用哪種策略既依賴于問題的性質(zhì)和內(nèi)容，也依賴于人的知識和經(jīng)驗(yàn)。從物理學(xué)科實(shí)際出發(fā)，有一定指導(dǎo)意義的解決問題的策略主要有手段—目的分析、逆向思維、類比解決問題法。手段—目的分析是將問題分解的一種方式，其特點(diǎn)是：(1)比較初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，提出一個(gè)子問題，如何縮小兩者之間差距?(2)找到縮小差距的辦法和操作；(3)如果提出的辦法的實(shí)施條件不成熟，則提出第二個(gè)子問題，如何創(chuàng)造條件?(4)找出創(chuàng)造條件的辦法和操作；(5)如果(4)中提出的辦法實(shí)施條件不成熟，則提出第三個(gè)子問題，如何創(chuàng)造條件?……如此循環(huán)進(jìn)展，直至問題解決。如我們物理學(xué)中常常用到的轉(zhuǎn)換問題主要是應(yīng)用了手段—目的分析，就是要求問題解決者找到一個(gè)操作程序，將起始狀態(tài)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)狀態(tài)。問題解決者在應(yīng)用類比解決問題法時(shí)，嘗試將某一問題的解決結(jié)構(gòu)用于指導(dǎo)另一問題，它被看做一種重要的問題解決策略。2.創(chuàng)設(shè)問題情境，給學(xué)生以思維空間教育的關(guān)鍵不在于向受教育者傳授現(xiàn)成的結(jié)論。因?yàn)楝F(xiàn)成的結(jié)論，只是對以往問題的探究結(jié)果，他們往往是經(jīng)過提煉的、條例清楚的?，F(xiàn)實(shí)中的問題并非如此。教師要呈現(xiàn)問題的復(fù)雜性、模糊性，這就要求我們的教師在教學(xué)中，要給學(xué)生以思維的空間，教會(huì)學(xué)生獨(dú)立思考和自主探究。如“浮力”這一概念是在前面有關(guān)力和運(yùn)動(dòng)及壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)的知識。由于學(xué)生在生活中對浮力現(xiàn)象雖有所認(rèn)識，但是很膚淺。教學(xué)中教師應(yīng)首先通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)：彈力球壓入水中，讓學(xué)生在感性上對浮力有個(gè)初步的認(rèn)識。然后通過實(shí)驗(yàn)：鉤碼在水中沉入杯底是否受到浮力呢?在教學(xué)中應(yīng)在教師引導(dǎo)下，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行大膽猜測。然后提出能激發(fā)學(xué)生思維探究空間的一個(gè)問題：你能否根據(jù)已有的物理知識和給定的的實(shí)驗(yàn)器材，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，來證明浸入水中的鉤碼也受到浮力的作用呢?通過這個(gè)開放的問題，首先給學(xué)生提供一個(gè)思維的廣闊空間，把學(xué)生帶入一個(gè)主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)探索的空間，使學(xué)生有一種主動(dòng)投入去學(xué)習(xí)的愿望。3.善于利用“一”和“多”的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散思維在物理教學(xué)活動(dòng)中，善于運(yùn)用“一”和“多”相互轉(zhuǎn)化，既可以使學(xué)生所掌握的知識大量增值，又可開拓思路，促進(jìn)學(xué)生頭腦中知識的活化，同時(shí)又可遏止單向定向思維的消極影響，具體可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)：第一，培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生善于從具體物理問題所提供的各種已知條件出發(fā)，運(yùn)用不同的已知條件的組合，多渠道地解決問題的能力。當(dāng)我們在解決具體問題時(shí)，由于觀察問題的側(cè)面不同，思考問題的角度各異，問題中所提供的已知條件就可能直接或間接地滿足多種不同的條件組合，從而形成解決問題的多種渠道，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散思維。第二，培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用同一物理概念、物理規(guī)律去分析處理多種物理問題的能力。使學(xué)生善于從同一概念、規(guī)律出發(fā)，向著不同的方向探究，盡可能多地解決各種各樣的問題，如能的轉(zhuǎn)化和守恒定律像一根紅線，把物理學(xué)的各個(gè)部分緊密聯(lián)系在一起，善于從功能的觀點(diǎn)出發(fā)，去處理各種各樣的物理問題。第三，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生善于運(yùn)用多個(gè)物理規(guī)律去處理同一物理問題的能力。使學(xué)生善于以某一物理問題條件為擴(kuò)散點(diǎn)，變換思維角度進(jìn)行多途徑多方向思考，向不同方向探索。這樣大腦中儲存的大量知識會(huì)充分調(diào)動(dòng)起來，使得多個(gè)知識點(diǎn)能在具體物理問題中互相溝通與綜合，從不同角度不同側(cè)面運(yùn)用不同的物理概念、規(guī)律探索解決問題的各種途徑，使思維得到極大的發(fā)散訓(xùn)練。4.根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢促進(jìn)學(xué)生問題解決能力的提高根據(jù)物理學(xué)科特點(diǎn)，我們可以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢，采用合理的方法去積極引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生發(fā)散思維能力的發(fā)展，具體可以采用以下幾種方法：第一，根據(jù)同一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，進(jìn)行多樣性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。即根據(jù)現(xiàn)有的幾個(gè)器材，要求學(xué)生采用不同的實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案達(dá)到同一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。如給一個(gè)3伏的直流電源、電阻箱、安培表或伏特表，要粗略地測出一個(gè)求知電阻的阻值。試畫出電路圖，并說明如何測量?學(xué)生會(huì)根據(jù)最基本的原理，充分調(diào)動(dòng)自己的思維，為達(dá)到這一實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)出各種各樣的實(shí)驗(yàn)方案。第二，根據(jù)現(xiàn)有的幾件器材，要求學(xué)生進(jìn)行發(fā)散性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，最多能做多少種不同的實(shí)驗(yàn)，如給學(xué)生一根米尺、一段細(xì)繩和一個(gè)比較粗糙的砝碼，要求學(xué)生設(shè)計(jì)多種實(shí)驗(yàn)。再如，給一個(gè)礦泉水瓶子，請你分別設(shè)計(jì)出力學(xué)的、電學(xué)的、光學(xué)的和熱學(xué)的實(shí)驗(yàn)。第三，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，請學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如在實(shí)驗(yàn)器材任選的條件下，請你設(shè)計(jì)出測量液體密度的幾種方法。第四，黑箱問題，所謂黑箱是指內(nèi)容結(jié)構(gòu)機(jī)理不能或不便直接觀察，但可通過外部觀測或?qū)嶒?yàn)去認(rèn)識其功能特性的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或事物。在電學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，可以在封閉的箱子或盒子中放置多種物體或元件。如力學(xué)的、電學(xué)的或光學(xué)的元件。各元件可按一