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高中物理开放问题教学的初步研究
南京师范大学物理科学技术学院99级教育硕士 何善亮
前 言
本论文试图通过对物理开放问题结构形式和特点的研究，就如何结合物理教学内容编选物理开放问题、物理开放问题解决策略和如何开展物理开放问题教学等内容进行较为系统和深入的探讨，并试图对当前物理问题解决教学提出一些参考性意见。
0.1选题的缘由和目前研究的现状
问题解决（problem solving）亦称解决问题，它是陈述性知识、智力（慧）技能和认知策略
等三类知识的综合应用。作为一个心理学术语，它是指“当个人在面对问题情境而没有现成的方法可以利用时，指向于将已知情境转化为目标情境的认知过程①。”
高中物理问题解决教学主要研究物理学科教学中的问题解决。在传统物理教学中，传授知识是物理教学的中心任务，教材的习题通常具有“完备的条件”和“固定的答案”，这种习题我们称为封闭性问题（从问题状态的清晰程度而言是“定义完善的问题”）。然而在现实生活中，人们遇到的许多重要问题大多是“定义不良的问题”：它没有一个明确说明的既定状态（条件不完备），或者没有一个明确的但希望达到的目标状态（答案不固定），甚至也没有普遍赞同的解决问题的策略和运算子（推理过程、问题解决方法）。因此，为提高学生的现实适应能力和创新能力，在物理问题解决教学中加强物理开放问题教学就显得十分必要。
然而，在目前物理教学实际中，由于应试教育的导向作用，“题海战术”屡批屡用，其中大量的封闭性问题在训练学生的形式运演思维能力上存在着明显不足；而对物理开放问题的研究又相对欠缺，已有的研究也大多停留在某一具体问题和某一特定教育价值上，缺乏一定的系统性。在这一背景下，本论文试图在物理开放问题教学研究方面进行初步的探索和尝试，同时也对一般物理问题解决教学（习题教学）的有关问题进行深入分析和思考。
0.2本文主要探讨的问题及论文结构
在某种程度或某种意义上，物理开放问题教学是物理封闭问题教学的进一步发展，也是一般 ① 皮连生：《智育心理学》，人民教育出版社，1996年4月第1版，p.204。
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问题解决的心理学理论与物理学科的专业知识相互结合或综合的必然结果。这一事实引导我们产生这一观念：传统的物理问题解决教学的实践经验和一般的问题解决心理学的研究成果对物理开放问题解决以及物理开放问题教学都具有十分重要的意义。基于对物理开放问题教学的这一认识，本课题试图在物理开放问题的一般理论、物理开放问题解决的有效策略、物理开放问题教学的实验尝试等三个方面对物理开放问题教学展开深入探讨，并期望能总结出一些有益的经验。
本论文总体上分为三个部分：物理开放问题的理论研究（第一章）、物理开放问题解决的策略研究（第二章）和物理开放问题教学的实验研究（第三章）。对物理开放问题教学实验中尚存在的问题，在论文的第四章进行了反思和简单小结。
本课题在以下一些方面取得了初步的研究成果： ① 物理开放问题的理论研究方面
根据物理问题的自身特点着重讨论和总结了物理开放问题的结构形式，并按照问题的结构将物理开放问题细分为情境开放问题、条件开放问题、策略开放问题、结论开放问题和综合开放问题等五个类型；然后讨论了物理开放问题的编选原则与方法，并给出了具体的编写示例。
② 物理开放问题解决的有效策略方面
首先通过一般问题解决过程和一般问题解决策略心理学理论的学习和研究，重点探讨了物理学科问题的解决过程和学科专门解决策略，从而对物理学科问题的解决过程和解决方法有一个整体的把握。在对物理问题解决的内在心理机制深入分析的基础上，提出了提高学生解决物理开放问题能力的五项教学指导策略：培养学生解决问题积极性——增强动机、坚定信心；完善学生认知结构——为双向推理找到思路；教给学生问题解决策略——掌握、熟练到迁移；促进学生形成问题图式——为搜索联想准备素材；提高学生元认知水平——旨在自发地生成策略。
③ 物理开放问题教学的实验探索方面
在明确提出物理开放问题教学目标和教学原则的基础上，着力构建了以学生主动建构为特征的物理问题解决课堂教学模式。接着，给出了三个具体的物理开放问题的教学案例：在开放情境中建构“黑洞”意义；基于人体的问题建构；电学实验设计策略和结果的开放等。最后，提出了物理开放问题教学的评价应当注意的几个问题。
本课题研究所取得的上述初步成果，对高中物理开放问题教学和物理问题解决的教学理论研究具有一定的参考价值。
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第一章 物理开放问题的理论研究
作为物理学科问题的一部分，物理开放问题虽然具有其学科专业性的特点，但与心理学所论及的一般性问题存在着必然联系；物理开放问题解决与心理学理论所研究的一般性问题解决也有许多相通之处。为有效开展物理开放问题教学，本章从现代认知心理学关于问题及问题解决的有关研究入手，着重分析物理开放问题的结构形式和基本特点，并就物理开放问题的编选原则与编选方法进行了初步探讨。
1.1有关概念的界定
1.1.1问题及其基本成分
在直觉的水平上，每个人都知道什么是问题。我们大家都经常需要解决问题。在现实生活中，问题是多种多样的，内容和形式也千差万别；但一般来说，当人们面临一项任务而又没有直接手段去完成时，于是就有了问题。而一旦找到了完成任务的手段和方法，问题就可以得到解决。
“问题”的英文是problem，也可译成“难题”。尽管问题是多种多样的，心理学家们对问题的表述也不尽相同，但是多数心理学家都认为，所有的问题都含有三个基本成分：①给定——一组已知的关于问题条件的描述，即问题的起始状态；②目标——关于构成问题结论的描述，即问题要求的答案或目标状态；③障碍——正确的解决方法不是直接显而易见的，必须间接地通过一定的思维活动才能找到答案，达到目标状态。任何一个真正的“问题”都是由这三个成分组成的，它们有机地结合在一起。问题的条件和目标之间存在着内在的联系，但是把握这种联系、由起始状态达到目标状态都不是简单地通过知觉或回忆而能实现的，其间存在着障碍，需要进行思维活动。因此也可以把问题定义为：“给定信息和目标之间有某些障碍需要被克服的刺激情境。”
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1.1.2问题解决
“问题解决”的英文是problem solving，也称“解决问题”。可以定义为：“当个人在面对问题情境而没有现成的方法可以利用时，指向于将已知情境转化为目标情境的认知过程。”其中原有知识经验和当前问题的组成成分必须重新改组、转换和联合，才能达到既定目标。这一定义包含四个要点：①问题解决是以目标定向的，旨在求得问题的答案，因此无目标的幻想不是解决问题；②问题解决是在头脑内或认知系统内进行的，只能通过解题者的行为才能间接推测它的存在，如用绳子打结，虽是有目的的，且有一系列操作，但不是解决问题，而是动作技能；③解决问题的活动包括一系列心理运算，也就是问题解决者要操作自己已有的知识，即对自己内部的符号表征进行认知的运思（operation），因此，像回忆一个朋友的电话号码这样的简易活动不是解决问题；④问题解决是个人化的，如“8+5=？”对成人不构成问题，但对学前儿童构成问题，所以一个情境是否构成问题，总是相对于个人的原有知识和技能而言的。 ① 王 甦 汪安圣：《认知心理学》，北京大学出版社，1992年4月第1版，p.277。 ② 邵瑞珍：《教育心理学》，上海教育出版社，1997年6月第1版，p.126。
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问题解决是一种重要的思维活动，它在人们的实际生活中占有特殊的地位，与概念形成和推理思维活动相比，问题解决显得更为开阔，甚至可以将它看作思维活动的一个最普遍的形式。问题解决早就得到心理学的重视和研究，人们就问题解决曾经提出过不同的学说，其中影响较大的有联想理论和格式塔理论。在20世纪50年代认知心理学兴起以后，问题解决的研究出现了转折，认知心理学将人看作主动的信息加工者，为问题解决的研究开拓了新的方向。 1.1.3问题空间
现代信息加工心理学家区分了问题的客观方面和主观方面。问题的客观方面称课题范围(task domain，也译“任务领域”)，指课题的客观陈述。问题的主观方面是指解题者对问题客观陈述(任务领域)的理解，称问题空间（problem space）。问题空间由三个部分组成：①任务的起始状态，即任务的给定条件；②任务的目标状态，即任务最终要达到的目标；③任务的中间状态，即任务从起始状态向目标状态转化的若干可能途径。每一解答途径又由若干步骤构成，并把这种使问题从起始状态向目标状态转化的操作称为算子(operator)。所以，问题空间是由问题的起始状态、目标状态和一些算子构成的。人们在解决问题的过程中，将任务领域转化为人的问题空间就实现了对问题的表征和理解，而问题解决就是应用各种算子来改变问题的起始状态，使之转变为目标状态，换句话说，就是对问题空间的搜索，以找到一条从问题的起始状态达到目标状态的通路。因此，认知心理学从信息加工观点出发，将问题解决看作是一种以目标定向的搜索问题空间的认知过程。这种看法是Newell，Shaw和Simon(1958)最早提出的，并成为认知心理学关于问题解决的主导看法。
现代信息加工心理学认真分析了问题解决者对问题客观陈述的理解，根据个人的问题空间在问题的起始状态、目标状态和从起始状态到目标状态的途径上的知识差异，可以把问题空间分成如图1——1所示的四种类型。
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目标 目标
A 起点 目标 ？ ？ ？ ？ B 起点 目目目C 起点 D 起点 图1——1 四种不同类型的问题空间 ① 王 甦 汪安圣：《认知心理学》，北京大学出版社，1992年4月第1版，p.281。 ② 邵瑞珍：《教育心理学》，上海教育出版社，1997年6月第1版，p.127。
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如图1——1中，A图表示问题空间起始状态和目标状态明确，而且达到的两条途径都是相同的。B图表示问题空间起点和目标状态明确，但有两条不同效率的达到目标的途径。C图表示问题空间的起始状态和目标状态明确，但不知如何达到目标。这是人们遇到新颖性问题时常有的问题空间状态。D图表示问题空间只有起始状态是明确的，目标和达到目标的途径或方法都不明确。 1.1.4封闭性问题与开放性问题
现实生活中的问题是各种各样的，想把问题做详细的分类研究，目前还不可能。现在人们公认的是把问题分为两大类：一类属于有固定答案的问题，另一类属于未定答案的问题。属于有固定答案的问题很多，学校中用于教材的各种知识几乎都属于这类；未定答案一类问题在学校教材中虽然不多，但在生活中和社会实践中却处处皆是，而且对人类创造性思维来说则更为重要，此类问题可能根本没有答案，可能有很多答案，也可能有答案但尚未肯定。例如，大家都认为儿童的食物营养与其身心发展有密切的关系。但如打破沙锅问到底，究竟应该吃些什么食物会最有利于儿童智力的发展呢？这个问题不是没有答案，而且有很多可能的答案，但没有唯一肯定的答案。
现代信息加工心理学对问题空间的分析使我们对问题分类有了更全面的认识。根据问题的起点、目标和容许操作(运算)的清晰度不同，人们又把问题分为定义明确的问题(well-defined problem) 和定义不明确的问题(ill-defined problem)。前者是指问题的三个成分都明确的问题，也称常规性问题(routine problem)；后者是指问题的三个成分有部分不明确的问题，也称非常规性问题。
结构良好问题(well-structured problem)和结构不良问题(ill-structured problem)是研究问题时的又一种分类方法。在传统教育中，学生所解决的大多是结构良好问题（即相当于有固定答案问题），它可以通过特定的步骤获得问题的确切答案；然而，在现实情境中，结构不良问题却普遍存在着，人们所面临的绝大多数问题则为结构不良问题（即相当于未定答案的问题），它没有确定的问题解决途径，甚至问题的起点、问题的终点（目标状态）也不明确。事实上，在所有领域，只要将知识运用到具体情境中去，它所产生的问题就带有大量的结构不良特征。
从本质上看，把问题分为封闭性问题与开放性问题，也是人们对问题空间进行深刻分析的结果。事实上，封闭性问题与有固定答案问题、结构良好问题、定义明确问题几乎等价；而开放性问题则与未定答案问题、结构不良问题、定义不明确问题有相同或相近的内涵。
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1.2物理封闭性问题的作用和不足
开放性问题是相对于传统封闭性问题而言的。传统物理教学以传授知识为中心，教材配备的习题通常有“完备的条件”和“固定的答案”，物理问题的情景十分理想，解决问题的策略程序化。 ① 叶奕乾、何存道、梁宁建：《普通心理学》，华东师范大学出版社，1997年8月第1版，p.293。 ② 高 文：《一般的问题解决模式》，《外国教育资料》，1999年第6期，p.20。
③ 陈 琦 刘儒德：《当代教育心理学》，北京师范大学出版社，1997年第1版，pp.101——105。
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