基于問題解決的物理創造性思維教學模式研究

譚志中 陸建隆

摘要：問題的解決過程是一種能力和智慧的生成的過程。從教育心理學的視角出發，分析了較為典型的物理問題解決的認知模式，探討了物理學科的特點與創造性思維培養的關聯，構建了基于問題解決的物理創造性思維教學模式。該教學模式體現了科學探究教學思想與研究型學習理念，揭示了人類創造性思維教學活動的動態過程，滿足了不同個體在同一問題解決教學過程中存在的認知差異，能夠適用于多種層次的基礎物理教學和大學物理課堂教學活動，并應用該教學模式對2個創新教學案例進行了有效的詮釋。

關鍵詞：

物理創新教學；問題解決；創新思維；教學模式；案例詮釋

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A文章編號：10054634（2015）05002906

0引言

人類社會已進入依靠新發現、發明和創新的知識經濟時代。一個沒有創新能力的民族很難屹立于世界民族之林。能否培養出大批創造型人才關系到中華民族的興衰存亡。2005年錢學森教授曾發問：為什么我們的學校總是培養不出杰出人才？“錢學森之問”成為中國教育界有識之士關注的焦點，是關于中國教育事業發展的一道深刻命題，需要教育界乃至社會各界共同破解。筆者認為培養杰出人才的關鍵是培養人的創造性思維。創造性思維是人類智慧的源泉，是宇宙中高級生命的主要特征。所以，培養創新型人才，首要是要培養人的創新思維。

比較典型和實用的教學理論由十九世紀德國教育家赫爾巴特提出 ，他 “明了、聯想、系統和方法”的教學程序體現了心理學中的思維過程，由此發展為后來的各種教學法。另外，由于研究者對教育的認知差異，不少教育家提出了不同的教育思想與教學方式。如杜威提出了以學生發展為中心的“從做中學”等教學思想，布魯納提出了認知結構理論并且提出了“發現教學法”3，4：。進入21世紀，基于認知心理學的教學理論豐富多彩，已經沒有哪種教學理論能夠獨霸天下。目前為止，關于創造性思維的研究通常還停留在理論探討的層面，空洞的說教難以產生實際的應用效果。實現中華民族的偉大復興需要培養大批創造型人才，這就需要探索出一種具體的培養創造型人才的具有實際應用價值的教學模式。

1物理創造性思維分析

1.1思維與問題解決

思維是人腦所具有的一種特有機能，是人腦對客觀事物的本質屬性和事物之間內在聯系的規律性所做出的概括與間接的反映，思維是內化的動作（區別于外在的行為動作）。思維的基本方式包括：分析與綜合，比較與分類，抽象與概括，歸納與演繹，類比等等。依據思維材料（即思維加工的對象）不同以及腦區域活動不同，一般認為，人類思維的基本形式只有三種：形象思維、直覺思維、抽象思維，而創造性思維則蘊含于三種基本形式之中。依據研究需要及不同分類方法也可將思維分類為常規思維和創造性思維等，創造性思維是感性與理性的融合。

由于思維是內化的動作，這種內化動作的操作需要依賴于具體的對象[CD*4/5]問題，沒有具體的問題就不能為思維提供操作對象，只有產生了問題才會激發思維過程。所以，思維發端于問題，行進于問題，終止于問題。因此，培養創新思維必須基于問題與問題解決的研究與創新。

眾所周知，物理學是一切自然科學的基礎，是一門將觀察、實驗和物理思維相結合的科學，同時又是一門有著嚴密的理論、帶有方法論性質的科學。物理學在長期的發展過程中，形成了一整套研究問題和解決問題的方法，影響著人們的思想、觀點和方法。從物理學科及物理思維的特點可以看出物理學科蘊含著創造性思維培養的有利因素。因此，基于物理問題解決培養學生的創造性思維能力是一個比較理想的途徑與策略。通過問題的解決，不僅可以幫助學生建構知識網絡，而且能夠幫助學生獲得解決問題的過程與方法，體驗積極的情感態度與價值觀，培養物理問題的解決能力和科學興趣的形成。

1.2物理創造性思維

創新思維是一種在現有知識的基礎上，通過改變事物原有結構或將已有觀念應用于新事物的思維能力。在學校教育中培養學生的創造性思維能力是教育工作者追求的目標。

物理創造性思維是指物理思維結果具有新奇性、獨創性、目的性和價值性的物理思維活動。首先，思維的產品必須是新奇的和有獨創的。當然，新奇、獨創的標準是相對的，對于成人和兒童不同，對于學習物理者和研究物理者也不同；其次，思維的產品必須符合物理思維的目的和具有一定的價值。物理創造性思維包括兩方面內容：一是重新安排、組合已有的物理知識，創造出新的知識和形象；二是突破已有的物理知識，提出嶄新的見解、設想、思路、觀點等。

物理問題處在物理學科背景中，與大量專門知識相聯系，屬于知識豐富領域問題69：，這有許多與知識貧乏領域的問題解決有著不同的規律。隨著物理學科問題解決的心理學研究不斷深入，物理問題解決認知模式的研究已經取得了比較理想的結果。文獻＼[9：基于現代認知心理學并兼顧傳統心理學的合理因素構建了物理問題解決的認知模式，該模式體現了較強的操作性，能夠有效地應用于研究型課堂教學活動。另外，創造性思維能力培養與學生個性培養是緊密相聯的，文獻＼[1：基于學生個性發展的教學理念提出了發展學術健全個性的彈性教學模式。本研究將基于以上研究成果構建一種新的物理創造性思維教學模式，為物理教師開展創造性思維教學活動提供理論與實踐依據，同時為學生開展創新實踐活動提供理論指導。

1.3物理創造性思維歷史考察

歷史上關于創造性思維的研究一直比較含糊與混亂，直到1945年，德國心理學家韋索默（Werthermer）出版了名為《創造性思維》的專著，明確地提出了“創造性思維”這一概念，提出了格式塔的“結構說”及頓悟思想。1967年，美國心理學家吉爾福特（J P Guilford）提出了“智力三維結構”模型，認為創造性思維的核心是“發散思維”并由此應用于教學實踐。1988年，美國耶魯大學教授斯滕伯格運用創造力內隱理論分析法，提出了一種“創造力三維模型理論”。2000年，我國學者何克抗教授出版了《創造性思維理論[CD*4/5]DC模型的建構與論證》，從本質上回答了一些模糊的問題。

另外，再有2012年王如平著的《創造性思維的開發與培養》，2006年胡珍生與劉奎林合著的《創造性思維學概論》等。但是，專門研究物理創造性思維的文獻不多，主要有1996年田世昆與胡衛平合著的《物理思維論》，2011年祝婭著的《物理發現中的哲學和創造性思維》，這些理論研究對推動物理創造性思維教學研究發揮了積極作用。然而，物理創造性思維在教學實踐中還需要澄清一些認識上的錯誤，基于問題解決的物理創造性思維教學模式在理論和實踐方面的研究還不太理想，還需要與時俱進地構建新的理論指導實踐應用。

2物理問題解決的認知模式

所有的認識都可用過程與狀態這一對范疇來描述9，10：，即：狀態1→過程→狀態2，狀態是指個體的認知圖式（已有的知識水平與技能）。這只是對事物認識過程的宏觀描述，然而對不同事物的認識卻有著不同的微觀過程，人們所要揭示的正是具體問題解決的復雜多變的微觀過程。文獻＼[9：基于認知心理學理論構建了適合于物理問題解決的認知模式，如圖1所示。該模式結構遞進，層次分明，各階段處于動態聯結之中，滿足了不同認知水平的問題解決過程的實際需要，易于實際教學操作。筆者在研究型教學活動中應用該模式已經取得了不少研究成果1116：。

該認知模式考慮到了物理問題解決過程的非線性特點，構造了問題解決過程的循環和交替變化的流程，使得個體解決問題的階段性具有漸進性和突變性。由于物理問題都是與大量專門物理和數學知識相聯系的，物理問題解決通常不是簡單的線性關系，有時存在頓悟情形而產生跳躍，有時存在圖式激活9：情形而使思路清晰。顯而易見，物理問題解決過程具有非線性和突變性，其所經歷的階段不是固定的。圖1所示的認知模式兼容了不同個體（新手和專家）關于物理問題解決的認知過程：對專家而言通常是“有圖式激活”，過程，其步驟往往是跨越式的，問題解決比較順暢；對于新手而言通常會出現“無圖式激活”9：情形，需要探索“尋求解答”，問題解決過程往往經過循環反復，出現漸進性和突變性，尋求問題解答的過程呈現動態生成性。

有圖式激活情形下的問題解決往往采用常規思維方法，因為該情形下的解題過程中使用的知識基本上是書本上給出的基礎知識，可以根據已有的樣例（例題）提供的步驟直接給出問題的解答。無圖式激活情形下的問題解決往往需要采用創新思維，因為在該情形下書本上沒有提供現成的樣例，之前學習的基礎知識不能直接用來解決問題，必須采用不同思路或方法。研究表明開展無圖式激活情形下的問題解決教學是實現創新思維能力培養的基本手段。

3物理創造性思維教學模式構建

所有的教學皆可用“教學準備[CD*4/5]教學過程[CD*4/5]教學評價”來描述。教學準備主要是明確教學目標，了解學生狀況（原有的認知圖式），進而創設問題情境，為教學過程做準備。教學過程可以用“狀態與過程”這一對范疇來描述，而過程隨不同教師的教學風格不同而不同。這些只是對教學的宏觀描述，然而對不同內容的教學卻有著不同的微觀過程。事實上，培養學生創新思維的教學應該是一種彈性教學，教學過程有彈性才有利于適應不同的教學內容與學習個體。一個好的教學模式在于其靈活性和易于操作。

基于上述分析研究，筆者認為培養物理創新思維能力的教學主要是基于問題解決與創新。根據一般認識論的“過程論”，筆者構建了物理創新思維能力培養的教學操作流程，如圖2所示。

物理創新思維能力培養的教學操作流程之核心要素是問題解決，其認知過程可以用圖1的模式來表征，其具有非線性、多樣性、靈活性、動態生成性。該教學操作流程包含了6個基本要素：教學目標、認知圖式、情境、問題、問題解決、評價與調節。其中右邊的認知圖式★是在左邊認知圖式基礎上的發展與進化。對這6個基本要素的理解是實施物理創造性思維能力教學活動的關鍵（限于篇幅，此處不再展開論述）。

4基于教學模式的實踐案例

作為對所建構的物理創造性思維教學模式的理解與應用，這里擬給出2個具體的教學實踐案例。這其實是用本文構建的模式對過去創造性思維教學的案例詮釋。限于篇幅所限，下列案例中筆者僅僅著重于創新思維過程的教學分析研究而略去詳細的教學過程。

案例1：大擺角單擺運動周期的創新思維教學[ZK）][BT）]

教學問題：探究無阻尼單擺的動力學方程及大擺角單擺運動周期?；緱l件是已知擺長為L，最大擺角為θ0的單擺作無阻尼運動。

對于大學生而言，單擺問題已經在中學時就有了初步的認識，而之前學習的轉動定理為學生推導無阻尼單擺的動力學方程奠定了理論基礎。

1） 問題1的解決（推導單擺的動力學方程）。單擺受力分析如圖3所示。 擺球（質點）受重力G和細繩張力F作用，以懸點O為轉動軸，單擺受到的力矩為（屬于有圖式激活）：

[JZ]M=-mgLsinθ

根據轉動定理M=Iβ可得到單擺的動力學方程（化簡之后）：