核心素養視域下物理復雜問題解決活動教學策略

劉增澤 童大振 潘蘇東

（華東師范大學教師教育學院，上海 200062）

復雜問題解決能力是心理學與教育學研究的重要內容，從20世紀70年代開始，復雜問題解決能力引發了諸多專家學者的關注.進入到21世紀后，復雜問題解決能力成為多國基礎教育所追求的課程目標，經濟合作與發展組織在提出21世紀技能和能力的理論框架時，將復雜問題解決能力作為其中的一個重要成分，并將其納入國際學生評估項目和國際成人能力測評項目的評估體系.［1］我國在2016年發布的《中國學生發展核心素養》中指出學生要有能在復雜情境中解決問題的行動能力.［2］這些政策內容意味著，中國教育的目標已經從學業成績走向對現實社會的適應，學生不僅要能解決學業測驗中的問題，還要具備解決現實中復雜問題的能力.［3］

物理學科是自然科學領域的一門基礎學科，中學物理教學內容與現代生產生活、現代社會及科技的發展密切相關，物理課程目標中明確指出學生應能夠運用物理觀念解決實際問題.［4］從文件中可以明確，4大物理核心素養中物理觀念的培養的目標之一是能夠解決實際問題，而現代生活中的實際問題多是復雜問題.因此，復雜問題解決能力的培養是物理學科教學的重要內容.以往教學主要關注學生解決基礎物理問題的能力，忽略了復雜問題解決能力，造成學生難以將所學知識遷移應用到生活之中，成為“紙上問題解決能力”.隨著物理核心素養的落地與推廣，復雜問題解決能力應是物理學科教學追求的重要目標.

1 物理復雜問題的特征

復雜問題解決是指問題解決者與動態的任務環境之間成功交互的過程.［3］復雜問題情境通常是結構不良的，問題初始階段的信息并不完整，問題指向不明，需要在個體與問題場景的交互中收集有效信息，探索解決方法.［5］有學者在大量研究的基礎上總結了復雜問題的核心特征，包括復雜性、關聯性、動態性、模糊性、多目標性.［6］這為物理學科復雜問題的構建與探索提供了有效的理論特征參照.

物理學科復雜問題可被視為具有明顯物理學科情境的復雜問題.因此，物理復雜問題不僅具有復雜問題的基本特征，在問題情境上還應具有物理學科屬性.特別是在中學物理教學中的物理復雜問題解決能力培養的過程中，不僅應使問題具備復雜性、關聯性、動態性、模糊性、多目標性，還應關注問題解決的物理學科性，從而保障教學活動的教育屬性.

物理復雜問題的復雜性是指問題所涉及的變量多元.復雜性可通過該問題所涉及建模、推理等思維過程的復雜程度體現.物理復雜問題通常可以解構為多個相互關聯的子問題，具有較高的整合程度.

物理復雜問題的關聯性是指多變量之間的多元聯系.關聯性可通過問題解決所涉及的多元概念網絡體現.物理復雜問題往往不是單一物理概念就能解決的簡單問題，至少應涉及某個領域內多個概念所構成的概念體系的應用遷移才能解決的問題.

物理復雜問題的動態性是指人與任務之間的動態交互性.這種動態的交互性通常會在人與任務的互動中相互影響而發生動態變化.如對于某些復雜問題的探究過程中，會根據不同的目標對情境簡化與建模，造成情境的變化，隨著研究變量的變化，場景的形態與探究過程也將動態調整.

物理復雜問題的模糊性是指變量關系、目標、探索路徑與形式等任務的清晰度低，沒有明確的方向性.所以物理復雜問題的解決往往是多路徑的，結果是多元的.這與解決問題的個體研究傾向密切相關.

物理復雜問題的多目標性是指目標的多元性.不同個體根據情境特征會識別出不同的有效信息，從而導致學生解決問題的方向是多元的，他們的目標自然也會呈現出多元性.

物理復雜問題的學科性是指問題解決過程中的能力方法、核心概念、思維特征等應具有物理學科屬性.學科性與學科育人屬性密切相關，是組織教學活動的必要保障.由于復雜問題解決能力通常需要一定的知識基礎，作為問題解決新手階段的中學生，具有一定知識邊界性的物理復雜問題有助于學生逐步提升復雜問題解決能力，為解決更為綜合性的跨學科復雜問題奠定基礎.

深刻理解物理復雜問題的特征，是構建物理復雜問題教學活動的基礎.構建物理復雜問題解決能力培養的教學時，情境是決定復雜問題教學能否進行的重要因素.根據物理課程標準中學生應能夠運用物理觀念解決實際問題的要求，借鑒PISA測試的經驗，選擇實際生活場景是構建物理復雜問題情境的重要路徑.

2 生活視域下構建物理復雜問題

中學物理知識內容貼近生活、服務生活.以生活實際場景構建復雜問題情境有利于學生產生共鳴，構建物理學與生活實踐間的橋梁，促進學生知識遷移，實現深度學習，培養核心素養.［7］真實的生活情境是構建復雜問題最直接簡單的形式，大部分生活視域下的情境兼具了復雜性、關聯性、動態性、模糊性、多目標性.因此，在構建復雜問題過程中只需著重關注情境的物理學科特性.不同生活情境的復雜問題解決過程通常會有不同的學科傾向，在選擇具有物理學科教育性的生活情境時可采用以下過程.

2.1 知識領域分析

中學物理涉及力與運動、光學、聲學、電學等知識內容，不同的知識領域所涵蓋的概念網絡是不同的，各知識領域內的核心概念間也存在差別，如力學與運動學所涉及的概念體系存在差異，運動學中直線運動與圓周運動的概念體系又存在差異.這些概念體系所對應的問題情境必然也存在差異.教師應根據教學需求，首先分析學生已有知識基礎，然后分析教學目標，將學生知識基礎與教學知識目標相疊加，繪制概念網絡，確定復雜問題情境領域邊界，為問題情境的選擇奠定基礎.

2.2 生活情境匹配

中學物理教學應具有明確的教育指向性，以教學內容為導向，匹配生活情境，構建復雜問題.這個環節是還原物理復雜問題的生活情境，使其從學科問題轉向兼具復雜問題特征與學科性的重要環節.根據知識領域的概念體系選擇相適應的生活場景，由寬泛的生活情境向細節性的生活情境逐漸聚焦.如能量守恒相關知識學習完后，需要構建運動學與能量相關概念之間的概念網絡，促進學生深度學習.根據學生的知識基礎與教學目標的知識體系，可以確定該概念網絡為運動學知識領域，與之匹配的生活場景范疇為生活中常見的運動，包括體育運動、常見的交通工具的運動、天體運動、其他機械運動等.由于教學目標是要構建運動學與能量相關的知識體系，進一步聚焦場景，以運動狀態的變化導致的能量轉變的情境為主，且能量相互轉化的過程中損失較小的為佳.這樣的情境更接近理想狀態，有助于學生有效建模與探究實驗.與此同時需要考慮生活情境是否為學生能夠接觸或容易獲得的情境，如天體運動對于學生來說仍舊屬于陌生情境，且難以產生真實體驗；而體育運動則與學生生活更為貼近，考慮到因運動狀態的變化而導致的能量轉變，像常規的跑步、跳高、跳遠等相對而言屬于常規性的物理問題解決范疇，而且其中涉及到身體內部持續消耗的化學能轉化為動能的過程，并不符合教學目標；因此需要選擇相對復雜的運動形式，如單板U型池技巧運動、雙板U型池技巧運動、雪上大跳臺等多過程的運動場景更適宜該教學內容復雜問題情境的構建.

2.3 核心問題構建

在教學目標指導下匹配復雜問題情境后，還需對情境下的核心問題進行導向性分析，預判復雜問題解決的路徑.以單板U型池技巧運動情境為例，可選擇近期冬奧會或錦標賽的U型池單板或雙板比賽為真實情境，對真實情境實地、影像資料、圖文資料、賽道數據等進行分析.根據復雜問題的復雜性、關聯性、動態性、模糊性、多目標性、學科性的特征逐條構建情境的核心問題.首先，核心問題應減少或不設模擬條件，盡量保持原始情境樣貌.其次，關注情感與動機，探尋能夠激發學生情感共鳴或探究動機的問題表述.再次，問題描述源自生活，避免過多的學科語言加工，如“請問單板U型池運動的運動學特征和功能變化是怎樣的”的問題描述忽略了學生從情境中簡化表征問題的過程.這種描述作為核心問題會使這個情境喪失其效用，切斷了生活與物理之間的界限.最后，核心問題的解決應涉及多變量多路徑，這是體現復雜問題特征的核心.因此，可在冬奧會單板U型池技巧賽的背景下，結合近期賽事真實賽況設置問題，如“2022年北京冬奧會單板U型場地技巧競賽中，中國選手如何才能獲得更好的成績呢？”的問題表述，表述首先展現了真實情境，沒有過多的修飾，但又隱性地展現出該情境具有豐富的視頻、圖文、賽道參數等擴展性資源與信息.其次，作為國際賽事，能夠激發學生為國爭光而獻策獻計的動機.然后，描述沒有明顯的學科語言加工，但又基于其情境的運動特征，隱性地展現了其問題的界限為運動學領域.最后，依據競賽規則，隱性表述了該問題可從多角度入手解決，如個人轉體技巧、起跳高度、動作的持續性等等視角給出問題解決的路徑.與之對應的便是物理學中的轉動、慣性、重心、動能勢能轉化、能量守恒等概念體系.至此，對于生活情境下的物理復雜問題構建完成，教學與情境實現有效匹配.

3 構建物理復雜問題梯式支架

中學階段學生具備了一些問題解決的能力，但在解決復雜問題過程中仍存在困難.在面對沒有明確指向的復雜問題時，學生需要教師根據學生需求，提供有效的問題解決支架.面對學生能力的差異，問題解決所選擇的路徑、目標、方法的不同，教師需提供多路徑的梯式問題解決支架.在復雜問題解決過程中梯式支架可以以不同形式出現.如引導型問題支架，方法型梯式支架，元認知支架，輔助型圖表支架，知識與資源支架等.支架類型的選擇可根據學生的能力特征選擇，如元認知能力匱乏的學生，需要教師提供時間監控、制定計劃、自我調節、環境適應與分析等方面的支架，根據學生的表情與狀態實時提供.

在日常教學中，比較容易操作的是引導型問題支架和階段型方法支架.引導型問題支架常與探究教學相結合，以往簡單的物理常規問題的探究可提供逐漸細化的引導問題組，通過設問引導學生逐步完成對問題的探究.復雜問題的梯式支架則更為復雜，需要教師預判學生探究路徑，分析不同路徑變量特征，構建依托路徑的問題組作為引導探究活動的支架主體.與此同時，因為學生的探究可能融合多變量共同研究，教師還需以復雜問題的概念體系為依托，構建整個復雜問題的問題網絡，從而保障學生能夠從多個視角深刻地認識并解決這個復雜問題.例如圖1所示，圖中展示了4條主路徑與路徑之間可用于聯系的引導型梯式問題網絡，根據學生需求，主路徑與中間的問題網絡可不斷細化延展，為學生的問題解決提供有效支撐.

圖1 問題支架案例

在復雜問題解決的過程中，兩段式是常用的形式，分別是“建立問題表征”和“找出問題解決方案”兩個階段.［8］PISA在前人研究的基礎上提出了四段式，復雜問題解決的過程分為“探索和理解、表征與系統化、計劃和執行、監控和反思”.［9］以往教學經常忽略建立問題表征的過程，造成學生具備解題能力，而非問題解決能力.致使學生不能將物理知識遷移到生活情境中，難以對情境進行簡化表征.因此，方法型梯式支架對于學生掌握復雜問題的解決步驟、了解不同階段的常規方法具有較好的效果.方法型梯式支架需給出明確的問題解決階段，如采用PISA的探索和理解、表征與系統化、計劃和執行、監控和反思四段式.根據4個階段的主要能力特征提供相應的方法支持，如探索和理解關注學生的情境分析方法，表征與系統化關注學生抽象、簡化、建模等方法，計劃和執行注重學生設計、探究、合作等方法，監控和反思注重學生的元認知相關方法.

物理復雜問題解決的梯式支架為課程組織提供了有效保障，同時也為學生逐步形成良好的物理復雜問題解決能力奠定基礎.物理復雜問題解決的梯式支架應具有一定的物理學科屬性，特別是在問題細化過程中要體現出從情境走向物理學科的導向.良好的梯式支架能夠支持學生自主性學習，為開展多種形式的教學提供了保障.

4 拼圖式合作學習探究物理復雜問題

科學技術飛速發展的今天，生活中所面對的問題情境趨于復雜，復雜問題的解決通常以團隊的形式共同解決.PISA測試中也明確地考查了學生合作問題解決能力.［10］因此，在物理教學中，合作應是復雜問題解決能力培養的重要路徑.根據復雜問題多路徑、多變量的特征，以高效的課堂教學為目標，拼圖式合作學習探究物理復雜問題是高效科學的教學方法.拼圖式合作學習是美國德州大學Aronson教授提出的，能夠促進學生批判性思考、問題解決、演講溝通等能力.在物理復雜問題解決的教學中，拼圖式合作學習可劃分為以下幾個環節展開.

（1）給出情境并分組討論.給出物理復雜問題情境，包括視頻、圖片、文本等相關的資料，讓學生快速了解真實情境特征.

（2）復合型隨機分組.教師可采用能夠展示出兩種分組特征的工具，如撲克牌的數字和花色，顏色和形狀不同的立方體、卡片等.這是拼圖式合作學習的重要組織特征，每個個體將會根據手中的分組工具進入到兩個完全不同人員組合的小組中展開學習.

（3）分組討論現實問題的解決思路.個體根據分組工具的首要特征尋找相同特征的成員組成小組，進行討論，如撲克牌同數字的學生作為一組.討論前需組內迅速分工，選擇出主持、記錄、代表發言等工作負責人，然后依次請學生發言并記錄.首次討論是對情境問題化表征的探索，凝練有效信息，探索問題解決思路，討論過程力求多元而非一致.

（4）代表發言，匯集情境有效信息與問題解決思路.邀請各組代表將本組討論的情境有效信息與問題解決思路進行匯報，教師在黑板上記錄各組匯報的有效信息與問題解決思路，為后續探究提供群體智慧.

（5）提供梯式支架，引導學生從情境中抽象表征問題.教師根據學生能力特征，提供相應的梯式支架，根據學生所提出的現實問題解決思路，引導學生將其轉化為物理模型，為后續進一步探究奠定基礎.通過這個過程引導學生逐步形成復雜問題解決過程中問題表征的重要能力.

（6）二次分組，分配任務.根據分組工具的第2種特征再次分組，如撲克牌的花色相同的學生分為一組.重新組合的小組派出代表選擇復雜問題探究的方向，各組代表可采用抽簽或協商的方式選擇.這個過程是提升探究效率的重要方式，保障合作學習中“拼圖”的完整性，提升學習效率.

（7）制定計劃，合作探究.根據各組的任務，頭腦風暴聚焦研究問題與研究假設.而后討論協商分工，制定探究計劃，獲取相應資料和探究儀器.組內分工合作，探究并獲得結論，完成探究工作圖表.

（8）回歸原始分組，各成員在組內匯報2次分組的研究成果.在規定的時間內完成問題探究任務后，2次分組的小組成員回歸到原始分組的小組中，由此各原始小組每個成員都獲得了不同路徑的探究過程、方法和結論，實現知識拼圖的拼接.按照原始小組的分工，各成員依次作為2次分組探究路徑的代表向原始小組內成員講解其2次分組探究問題的研究方法、路徑和結論.高效地實現多變量、多路徑探究的物理復雜問題解決.在原始小組各成員匯報結束后，組內展開討論與互助式學習，不斷完善探究結論，尋找不足，并繪制完整的物理復雜問題解決變量關系圖.

（9）物理復雜問題解決成果匯報.以原始組和2次分組所繪制的圖表為載體，以原始組為單位匯報研究成果.

（10）教師總結梳理問題解決的過程，指出各組探究活動的優點與不足，總結物理復雜問題的解決路徑，剖析概念間的關聯，以生活情境為基礎，布置擴展型復雜問題解決作業.

拼圖式合作教學不僅能夠提升教學效率，保障復雜問題解決能力的養成，還能提升學生溝通、批判、分享、表達、團隊合作的能力.根據復雜問題的特性，拼圖式合作學習的教學可分為2個課時進行，第1課時以前7個環節為主體展開，以問題表征與探究為核心；第2課時以后3個環節為主體，以互相講解和交流分享為核心.從而實現知識的有效流動和整合，促進學生高效地對物理復雜問題的多維路徑完成探索.