基于“IDEAL”模式的物理問題解決能力培養研究

楊卓璇 林欽

摘 ? 要：學生“物理問題解決能力弱”是長期困擾物理教學的問題，認知心理學關于問題解決的“IDEAL”模式為該問題的研究提供了新的視角。以2022年全國乙卷理綜第25題為例，借助“IDEAL”模式可以清晰地梳理問題解決的過程，明確各階段學生遇到的困難及成因。研究發現，借助“讀思達”教學法，通過粗讀、精讀等過程，可以有效幫助學生建構物理模型、理清物理過程，從而提高物理問題解決能力。

關鍵詞：問題解決；“IDEAL”模式；“讀思達”教學法

1 ?問題提出

2019年教育部頒布《中國高考評價體系》，標志著高考評價由“知識立意”向“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”的綜合評價轉變[ 1 ]，高考更關注學生在情境中解決物理問題的能力。然而當前許多教師，仍將反復講練作為培養學生問題解決能力的主要途徑[ 2 ]，即讓學生通過反復練習擁有扎實的知識基礎和“熟練”的解題技能以應對考試。這種做法忽視了對學生認知過程的關注，訓練出來的學生難以在實際情境中靈活運用所學知識和方法解決問題。

為解決這一困擾物理教學的問題，一些學者從問題解決的過程出發，提出培養學生審題和建模能力的策略，人大附中的劉娜[ 3 ]提出“表征變換”方法培養學生的審題能力；江蘇的陳林喬[ 4 ]則提出了結合數學表征特點提高學生的建模能力。這些策略在實際教學中取得了一定的效果，但由于缺乏深層認知理論的支持，使得不少教師在未見效果的情況下半途而廢。

因此，本文以認知心理學為基礎，挖掘了“IDEAL”這一從學生認知出發劃分問題解決過程的模式，以2022年全國乙卷理綜第25題為例，分析中學生各階段的表現及可能遇到的困難，特別關注學生在審題和建模過程中的閱讀和思考，結合“讀思達”教學法的不同側重點提出教學策略，旨在提升學生的閱讀思考能力，幫助其解決困難，進而培養學生的物理問題解決能力。

原題重現：如圖1，一質量為m的物塊A與輕質彈簧連接，靜止在光滑水平面上；物塊B向A運動，t=0 時與彈簧接觸，到t =2t0時與彈簧分離，第一次碰撞結束，A、B的v-t圖像如圖2所示。已知從t=0到t = t0時間內，物塊A運動的距離為0.36v0t0。A、B分離后，A滑上粗糙斜面，然后滑下，與一直在水平面上運動的B再次碰撞，之后A再次滑上斜面，達到的最高點與前一次相同。斜面傾角為θ（ sinθ=0.6），與水平面光滑連接。碰撞過程中彈簧始終處于彈性限度內。求：

{1}第一次碰撞過程中，彈簧彈性勢能的最大值；

{2}第一次碰撞過程中，彈簧壓縮量的最大值；

{3}物塊A與斜面間的動摩擦因數。

圖 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖 2

本題屬于學習探索類情境，題干信息簡潔，是典型的力學綜合題，涉及牛頓運動定律、運動學、動量、機械能守恒定律等核心概念和規律。解決此問題需要清晰地分析物體的碰撞過程、彈簧壓縮過程，以及在此過程中速度、能量的變化及其原因，并根據圖像所給信息進行綜合分析。試題充分體現了對學生提取文字和圖像信息能力、分析綜合、推理論證能力的考查。

在解決本題時，大多數學生能通過讀題干確定這是熟悉的碰撞模型，并搭建起A、B物體剛接觸、壓縮彈簧、彈簧開始恢復原長至相互分離幾個過程中的靜態模型。但對于各時刻速度關系、A物體兩次到達斜面底端速度相同等隱含信息則需要深入解析題干才能找到，并以此挖掘出A、B物體碰撞過程中彈簧最大壓縮量背后隱藏的相對運動位移的求解問題，是學生的思維高地[ 5 ]。此外，碰撞過程中的運動為非勻變速直線運動，使得學生無法直接運用運動學知識求解，也給其增加了一定的困難。下面借助問題解決的“IDEAL”模式深入分析學生存在的問題。

2 ?基于“IDEAL”模式的學生問題解決過程分析

20世紀以來，已有眾多學者從心理學角度出發，對問題解決領域進行了大量的研究。皮亞杰的認知心理學產生之后，人們才開始從認知的角度，結合問題解決的動態過程，提出不同的問題解決模式，將問題解決研究推到了一個新水平[ 6 ]。其中，布蘭福斯特和斯騰提出的 “IDEAL”模式被人們廣泛應用于問題解決過程的分析，我國化學、英語、物理等學科的學者均關注到該模式的價值，并將其運用到各自學科問題解決的研究中[ 7-9 ]。

該模式將問題解決過程分成五個階段：識別問題（Identify）；定義問題（Define）；探索問題（Explore）；實施策略（Act on）；檢查效果（Look at）[ 6 ]。識別問題指的是通過閱讀題目熟悉場景；定義問題是在場景的基礎上明確待解決的問題，靜態建模；探索問題是運用物理規律與方法關聯靜態模型，建立動態模型；實施策略是將物理過程轉化為表達式，計算求解；檢查效果是對模型的反思與創新。而當前中學物理問題解決的一般過程模式分為問題表征，策略選擇，應用求解，檢驗與反思四個階段[ 10 ]。其中問題表征是學生根據問題信息和自身的知識經驗，發現問題的結構，構建問題空間的過程[ 11 ]，即學生通過審題獲取信息建立過程模型的過程。分析可知“IDEAL”模式與中學當前問題解決教學的思路基本吻合（如圖3所示）。

下面以2022年全國乙卷理綜第25題為例，介紹“IDEAL”模式在問題解決中的具體體現。

（1）首先是識別問題。初步識別問題場景是問題解決的前提，若能與學過的經典問題場景相匹配，則會帶給學生“熟悉”感，有利于他們應用所學的知識和方法解決問題；若問題場景來源于生產生活，學生不熟悉，則可能會給他們造成心理壓力。如本題中，學生通過閱讀題目發現：是A、B兩物體碰撞的問題；是壓縮彈簧類問題，涉及能量的轉換。這兩個問題的場景都是學生熟悉的，熟悉的情境，可以為接下來的過程奠定良好的心理基礎。

（2）若將識別問題看成是模型場景的搭建，定義問題則是對場景中模型元素位置及其相互關系的優化，要求學生將場景中的模型元素組合并搭建，形成“實物模型”，明確模型元素之間的關系，建立各個狀態下的靜態模型。有些問題表述比較明確，學生可以直接布置元素，構建實物模型；如在例題第（1）問中，學生被要求分析彈性勢能最大值的問題，由彈性勢能相關的概念可知，彈簧被壓縮到最短的時刻為彈性勢能最大值；當彈性勢能最大時，就是彈簧壓縮量最大時刻。而對于一些來源于生產生活場景中的問題，表述比較模糊，則需要學生依據題意不斷變換元素位置，搭建恰當的實物模型，定義問題。

（3）探索問題則需要在明確問題的基礎上，運用有關的物理概念和規律，還原場景中各元素變化的過程，建立各狀態下靜態模型之間的聯系，構建“物理過程模型”，明確物理量變化的原因和結果，為求解問題提供思路和方法。如例題第{1}問，需要關聯各時刻的運動狀態，綜合分析物體碰撞前后的狀態變化規律，應用動量守恒定律、機械能守恒定律即可求解彈簧最大彈性勢能；而在第{2}問中，由于不知道彈簧勁度系數，即使學生自學過彈性勢能公式也無法求解彈簧的最大壓縮量，因此從彈性勢能的角度難以解決問題，需要學生轉變思路，重新匹配場景，從相對運動的角度分析問題。

（4）從認知視角看，實施策略就是要將問題的結果進行認知輸出。對于簡單問題，學生可順利將物理過程轉化為物理表達式，再通過數學運算求解問題；對于復雜題目，則需要學生掌握更高階的問題解決方法和技巧，如整體-隔離法、微元法、對稱法等。如例題第{2}問，通過對A、B兩物塊相對運動的分析求兩者間的相對位移是學生的思維高地，需要學生在勻加速直線運動的基礎上，求解變加速直線運動中的相對位移。

（5）解決問題后，能否考慮解決問題的不同思路？能否運用新方法解決新問題？這都是檢查效果階段需要思考的問題。如通過解決例題{1}{2}問，建立起速度相等時刻彈簧壓縮量最大的模型，當學生再次遇到同類模型時，應具有一定的敏感度，即能識別出關鍵點“速度相等時刻”，為問題解決節省的大量時間。

3 ?基于“IDEAL”模式的問題解決困難及成因分析

基于以上分析，學生“一聽就會、一做就錯”的原因主要卡在“前兩步”，即審題階段無法定義問題，或建模階段難以將靜態模型動態化，究其原因在于學生缺乏獨立閱讀和思考的能力。為幫助學生突破這些困難，提升閱讀思考水平，進而提高問題解決能力，我國學者分別聚焦培養學生獨立閱讀或獨立思考的能力展開了大量研究[ 12 ]。但是，若將閱讀與思考割裂開單獨培養，容易造成學生另外一種能力的不足，形成短板。余文森教授提出的“讀思達”教學法[ 13 ]（如圖4），同時包含了閱讀、思考、表達三個相互關聯又相互獨立的過程。即在閱讀的同時也有思考和表達，閱讀階段側重的是閱讀，主要培養學生的物理閱讀能力。

因此，筆者結合“讀思達”教學法，提出教學策略，旨在讓學生學會精準的閱讀，深入的思考，規范的表達，進而提升物理問題解決能力。

4 ?以“讀思達”教學法，提升物理問題解決能力策略及示例

具體策略如圖5。

4.1 ?識別問題（I）、定義問題（D）——以“讀”為重

獨立閱讀能力貫穿問題解決的整個過程，特別是在審題階段顯得尤為重要。因此識別、定義問題階段致力于培養學生的閱讀能力，旨在幫助學生搭建完整的物理場景，使物理問題清晰明了。這一過程主要包括兩個關鍵步驟：粗讀和精讀。

4.1.1 ?粗讀：以提取信息，識別場景

為使學生能夠獨立識別陌生場景，首先要學會粗讀，端正審題態度，認識“審題”的重要性，并養成“從題干到問題”的良好審題習慣。教師也要強調粗讀并不代表草率讀題，需逐字逐句的讀題推敲，要深入理解問題場景。在此階段，不要求學生深挖題干，只需將題干的文字、圖像等字面信息轉化為物理語言并進行標注、賦值，建立初步的場景模型，并與已學過的理想場景模型相匹配，以緩解學生在解題前的心理壓力。在例題中除了題干基礎信息的標注，還需將圖像中坐標的比例關系轉化為等式關系，如在t=t0時，v=v0。

4.1.2 ?精讀：以挖掘信息，完善圖景

粗讀后，題干信息雖已基本理清，但為讓學生能在完整的題干信息背景下調動模型元素以搭建“實物靜態模型”，需進行精讀，即再次審題并補充問題細節，明確狀態。精讀的關鍵在于在審題的同時加入思考推理，挖掘隱含信息和臨界條件，篩選有用信息，以建立各狀態下的物理圖示（如表1）。

在解決例題第{1}問時，學生通過精讀畫出兩物體第一次碰撞過程中各階段的受力分析圖，并結合圖像關鍵交點信息容易分析出，速度相等時刻為物體間距離以及彈簧彈性勢能變化的臨界點，由此，學生能夠判斷A、B物體速度相等時刻為彈簧彈性勢能最大時刻。識別和定義問題并不是兩個有明確界限的階段，當學生百煉成兵，規范了審題習慣，且具備了捕獲信息的能力后，可以將粗讀過程融入精讀。

4.2 ?探索問題（E）——以“思”為重

完整的實物靜態模型為探索問題階段打下了良好基礎，因此在本階段以“思”為重，通過引導學生深入思考，找到突破點，建立靜態模型之間的聯系，使模型動態化。要讓學生破除思維定勢，在學習物理方法的同時深入探討物理量變化的原因和結果，改變學生盲目使用方法忽視物理規律的習慣，持續建立題干與問題、物理知識與問題之間的聯系，透過表象看本質，匹配真正符合題意的物理規律。

對于無法用常規思路解決的問題，要引導學生學會轉變思路，及時跳出思維困境。思考突破點包括兩個方面：首先，回歸題干，檢查是否存在未使用的條件；其次，回歸場景，尋找物理場景中包含的其他問題模型的線索。如題干中“物塊A運動的距離為0.36υ0t0”這一條件，給學生將彈簧壓縮量轉化為物體間的相對運動位移求解提供了線索；而B物體在碰撞壓縮彈簧的過程中A物體會向右加速運動，這是隱藏在碰撞問題之后的一個過程，提示學生可以與追及問題的場景相匹配。

4.3 ?實施策略（A）、檢查效果（L）——以“達”為重

為確保學生經歷完整的問題解決過程，最后應將重心放在“達”上，關注問題結果的精準表達，以及反思與運用，包含準達和通達兩個步驟。

4.3.1 ?準達：以結合數理，精準表達

通常，學生列出表達式后，通過數學計算即可求解。但在日常學習中，教師應加強對學生的問題解決的規范性訓練，讓學生養成檢驗的習慣，回歸題目明確問題，考慮結果的物理意義，避免盲目把計算結果當作最終結果而失分的現象出現。

對于復雜問題，學生應體會數學作為輔助物理問題解決的工具的重要作用。數學思想不僅可以幫助學生快速看到物理本質，還能夠彌補物理知識短板。在日常教學中，教師應向學生滲透數理結合的觀念，積累數學思想，培養學生運用數學工具解決物理問題的能力。如解決例題第{2}問的關鍵為“微元-累加”思想，借助推導勻變速直線運動公式時用到的“微元”分割思想，將非勻變速直線運動，轉化為勻變速直線運動的累加，以此求解學生未學過的非勻變速直線運動的位移。

4.3.2 ?通達：以反思拓展，遷移創新

學生問題解決能力的演進過程為，從解決一個問題到解決一類問題，最終掌握問題解決的思想方法，以在實際情境中應對千變萬化的物理問題。為此，教師要提供一定量的變式練習，讓學生在不同情境下反復運用，加深學生對物理模型和方法的理解，培養其總結歸納的能力，建立問題圖示體系。同時，教師應引導學生從多個角度尋找解決問題的思路，培養其反思的意識，拓寬學生的思維。如例題第{2}問還可以從人船模型、雙星模型、質心運動模型等角度求解。

5 ?總結與思考

“IDEAL”模式從認知視角出發，關注學生在問題解決過程中的思維過程，通過明確劃分各階段界限，使學生困難更清晰的顯露出來，教師則更容易發現學生可能存在的問題。因而可以借助與認知加工過程相契合的“讀思達”教學法，有針對性地幫助學生解決各階段的困難，有側重的提升閱讀、思考和表達能力，促進學生問題解決能力的發展。然而，問題解決能力的培養是一個長期目標，在課標和高考評價體系的指引下，只有在日常教學中，提升教師從“認知過程”關注學生問題解決能力培養的意識，才能真正改變學生物理問題解決能力弱的現狀，使核心素養落地生根。

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