應用結構不良問題培養高中學生物理科學思維的策略

羅瑩　鄭淵方

摘? ?要：發展學生的科學思維是重要的教學目標之一。因此在教學中不僅要教會學生解決問題，還應注重對學生科學思維的培養。文章對在習題課中應用結構不良物理問題培養學生科學思維的意義進行研究，并探討解決不同類型的結構不良物理問題對提高學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等能力的作用。

關鍵詞：結構不良問題；科學思維；模型建構；質疑創新；推理論證

引言

高中物理課程目標指出：發展學生的科學思維能力是重要的教學目標之一。通過高中物理課程學習，引導學生養成科學思維習慣，增強創新意識。“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。科學思維包含如此多的要素，在教學中應該如何去培養學生的科學思維無疑是個難題。在一線教學中習題教學是教師常用的培養學生科學思維的教學方式之一。比如：毛金華提出物理長作業有利于促進學生思維的系統性、深刻性、靈活性和獨創性，提升學生的科學思維能力[ 1 ]。陳志軍認為可以通過設計進階式問題鏈和變式探究強化推理論證，優化思維品質，促進深度學習，培養科學思維[ 2 ]。的確，解決問題是學生的高級認識活動，這個過程可以促進學生的思維發展，因此在習題教學中要注重培養學生的科學思維。本文將以結構不良問題為出發點，研究培養高中學生物理科學思維的策略。

1? 結構不良問題的定義及特征

解決問題屬于人的認識活動，對個人而言，解決問題是促進自我成長、實現個人價值的一個途徑；對人類而言，解決問題是理解自然現象和社會現象，促進人類文明進步的一個過程。問題有不同的類型，Reitman以問題的空間界定為出發點于1965年首次從認知心理學的角度區分了結構良好問題和結構不良問題。他把結構不良問題定義為初始狀態、目標狀態、算子等至少有一個不明晰的問題；把初始狀態、目標狀態、算子都明晰的問題定義為結構良好問題[ 3 ]。

美國學者Jonassen在Reitman的研究基礎上做了進一步的研究，他系統概述了結構不良問題的特征。他將結構不良問題的特征簡述為以下幾點：問題的結構不明確；目標界定含糊不清；解決策略不唯一；評價解決策略的標準不唯一；可操控的參數少；沒有原型案例可以參考；無法明確哪些具體概念、規則對問題解決的必要性；需要個體表述自己的觀點或信念等[ 4 ]。基于此，結構不良物理問題的特征主要有“情境化”、結構不確定、解決策略多樣化、結論開放等。

根據結構不良物理問題具有的不同特征，結構不良物理問題可以分為內容開放型、條件開放型、結論開放型、策略開放型、綜合開放型這五種類型[ 5 ]。在習題教學中應該針對不同教學情境選擇不同類型的結構不良物理問題。

本研究將選擇具有不同特征的結構不良物理問題來研究培養高中學生物理科學素養的策略。

2? 應用結構不良問題培養高中學生物理科學思維的策略

2.1? 去“情境化”，培養模型建構能力

模型建構是一種重要的思維方法，在習題教學中應當注重對學生模型建構能力的培養。課標中提到能不能把問題中的實際情境轉化成解決問題的物理情境，建立相應的物理模型是解決問題的關鍵。故而要創設真實的情境，使得學生在真實情境中運用物理概念解決實際問題，以此來培養學生的模型建構能力。而結構不良物理問題具有“情境化”的特點，將結構不良物理問題用到習題教學中，學生解決這類問題就相當于在實際情境中獲得解決問題的知識和策略，發展科學思維。

例1（改編自人教版課本習題）：環保人員在一次檢查時發現有一根排污管正在向外滿口排出大量污水。這根管道水平設置，管口離地面有一定高度。請估算該管道每秒鐘排出污水的質量。（用物理量表示）

如例1所示，這是一道具有“情境化”特點的結構不良物理問題，該題要求學生估算出管道每秒排除污水的質量，然而題目中并沒有明確解決方法與對應的物理觀念。解決這個問題首先要將排污管流出污水的情境抽象為如圖1所示的平拋運動這個物理模型，然后將平拋運動分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動，結合平拋運動的規律以及質量和密度的關系計算得出該管道每秒排出污水的質量。學生在解決此類情境化的結構不良問題的同時能夠培養他們從真實情境中建構模型的能力，提高科學思維。

2.2? 證“缺失化”，培養推理論證能力

2019年高考考綱指出：高考物理在考查知識的同時注重考查能力，并把能力的考查放在首要位置。目前高考物理所要求考查的能力有：理解能力、推理能力、分析綜合能力、應用數學處理物理問題能力、實驗能力。其中對推理能力的考查要求為能夠根據已知的知識和物理事實、條件，對物理問題進行邏輯推理和論證，得出正確的結論或做出正確的判斷并能把推理過程正確地表達出來。基于此，在習題教學中不能只局限于培養學生運用知識解決物理問題的能力，還要培養學生的科學推理、科學論證能力。條件開放型的結構不良物理問題需要學生從所給定的信息中篩選出準確信息，然后運用這些信息分析、推導、驗證、得出結論，這系列的問題解決活動能很好地發散學生的思維，培養學生的推理論證能力。

例2：如圖2所示，球1和球2的質量分別為m1和m2，放置在光滑的水平地面上，球1以一定的水平初速v1向右沿兩球連心線運動，球2則靜止。兩球連心線右側有一豎直彈性墻，設兩球之間以及球與墻之間的所有碰撞均為完全彈性碰撞。為了使球能發生且只能發生兩次碰撞，試問兩球的質量之比m1：m2應滿足什么條件？

如例題2所示，這道題屬于條件開放型結構不良物理問題。它考查的是彈性碰撞，要求學生求出兩小球能發生且僅發生兩次碰撞時兩球的質量之比，首先學生要能推理出兩小球可以發生且僅能發生兩次碰撞的情況下兩小球兩次碰撞后的運動狀態，其次是運動狀態與質量的關系。題干中給出了球1的速度，并給出所有碰撞都是完全彈性碰撞這個背景，于是可以得出球1與球2碰撞時系統動量守恒、機械能守恒。由動量守恒和機械能守恒的公式計算發現第一次碰撞后球1的速度方向與兩球的質量之比有關系，也就是說要往下推導第二次碰撞的一個條件是知道m1和m2的大小關系，然而題目中沒有給出這個條件，要解決這個問題就要對m1和m2的大小關系進行分類討論，可以分為m1<m2，m1=m2，m1>m2三種情況去分析在兩次碰撞中球1與球2的速度大小與方向，根據推理兩小球能發生且僅發生兩次碰撞時的運動狀態及兩球速度之間的關系求得兩球的質量之比。解決條件開放型的結構不良物理問題，要求學生能夠對問題進行分析、推理而后獲得結論，學生解決問題的過程中，推理論證能力也得到了訓練。

2.3? 解“多樣化”，培養質疑創新能力

質疑創新是科學思維的重要組成部分，同時素質教育要求培養學生的創新精神。然而大多數的習題作業沒有對習題進行篩選，采取題海戰術，長期如此，致使學生養成固有思維或是利用相似問題的解決范式去做題，無法培養學生的質疑創新能力，背離素質教育的初衷。結構不良物理問題具有答案不唯一、解決方法不唯一的特征，解決這樣的物理問題就可能出現一題多解或者多題一解的情況。在習題教學中教師可以運用結構不良物理問題引導學生從多個角度思考問題，用不同的方式解決問題，培養學生的創新質疑能力。

例3：在生活中物體的質量常用電子秤或臺秤來稱量，對于地球，我們怎樣去稱量他的質量呢？需要哪些材料？

3? 結論

教育的意義在于培養一個人的思維，而非技能。在習題教學中教師不僅要教給學生解決問題的方法，還要提升學生的科學思維，那么就要避免題海戰術以及填鴨式教學。傳統的習題大多屬于結構良好問題，學生很容易從例題或者曾經做過的問題中找到解題模版，這種題目做多了并不能鍛煉學生的思維能力，還加重學生的負擔。結構不良物理問題具有“情境化”、結構不確定、解決策略多樣化、結論開放等特征，學生沒有解決此類問題的范式，需要自己“去情境化”進行模型建構、構造條件去推理論證，在解決問題的過程中，學生的模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新能力可以得到很好的鍛煉，從而提升學生的科學思維。

參考文獻：

［1］ 毛金華.物理長作業：科學思維能力的催化劑[J].物理教學，2021，43（7）：44-47.

［2］ 陳志軍.指向科學思維的習題探究教學實踐：以一道全國高考題的探究教學為例[J].物理教師，2022，43（1）：23-25.

［3］ W.R.Reitman.Cognition and thought[M].NewYork：Wiley，1965：189.

［4］ David H.Jonassen，鐘志賢，謝榕琴.基于良構和劣構問題求解的教學設計模式（上）[J].電化教育研究，2003（10）：33-39.

［5］ 彭潔，郭懷中.結構不良問題引入初中物理教學的分析與討論[J].物理教師，2015，36（4）：45-47.