基于问题解决的物理创造性思维教学模式研究

谭志中 陆建隆

摘要：问题的解决过程是一种能力和智慧的生成的过程。从教育心理学的视角出发，分析了较为典型的物理问题解决的认知模式，探讨了物理学科的特点与创造性思维培养的关联，构建了基于问题解决的物理创造性思维教学模式。该教学模式体现了科学探究教学思想与研究型学习理念，揭示了人类创造性思维教学活动的动态过程，满足了不同个体在同一问题解决教学过程中存在的认知差异，能够适用于多种层次的基础物理教学和大学物理课堂教学活动，并应用该教学模式对2个创新教学案例进行了有效的诠释。

关键词：

物理创新教学；问题解决；创新思维；教学模式；案例诠释

中图分类号：G642.0

文献标识码：A文章编号：10054634（2015）05002906

0引言

人类社会已进入依靠新发现、发明和创新的知识经济时代。一个没有创新能力的民族很难屹立于世界民族之林。能否培养出大批创造型人才关系到中华民族的兴衰存亡。2005年钱学森教授曾发问：为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？“钱学森之问”成为中国教育界有识之士关注的焦点，是关于中国教育事业发展的一道深刻命题，需要教育界乃至社会各界共同破解。笔者认为培养杰出人才的关键是培养人的创造性思维。创造性思维是人类智慧的源泉，是宇宙中高级生命的主要特征。所以，培养创新型人才，首要是要培养人的创新思维。

比较典型和实用的教学理论由十九世纪德国教育家赫尔巴特提出 ，他 “明了、联想、系统和方法”的教学程序体现了心理学中的思维过程，由此发展为后来的各种教学法。另外，由于研究者对教育的认知差异，不少教育家提出了不同的教育思想与教学方式。如杜威提出了以学生发展为中心的“从做中学”等教学思想，布鲁纳提出了认知结构理论并且提出了“发现教学法”3，4：。进入21世纪，基于认知心理学的教学理论丰富多彩，已经没有哪种教学理论能够独霸天下。目前为止，关于创造性思维的研究通常还停留在理论探讨的层面，空洞的说教难以产生实际的应用效果。实现中华民族的伟大复兴需要培养大批创造型人才，这就需要探索出一种具体的培养创造型人才的具有实际应用价值的教学模式。

1物理创造性思维分析

1.1思维与问题解决

思维是人脑所具有的一种特有机能，是人脑对客观事物的本质属性和事物之间内在联系的规律性所做出的概括与间接的反映，思维是内化的动作（区别于外在的行为动作）。思维的基本方式包括：分析与综合，比较与分类，抽象与概括，归纳与演绎，类比等等。依据思维材料（即思维加工的对象）不同以及脑区域活动不同，一般认为，人类思维的基本形式只有三种：形象思维、直觉思维、抽象思维，而创造性思维则蕴含于三种基本形式之中。依据研究需要及不同分类方法也可将思维分类为常规思维和创造性思维等，创造性思维是感性与理性的融合。

由于思维是内化的动作，这种内化动作的操作需要依赖于具体的对象[CD*4/5]问题，没有具体的问题就不能为思维提供操作对象，只有产生了问题才会激发思维过程。所以，思维发端于问题，行进于问题，终止于问题。因此，培养创新思维必须基于问题与问题解决的研究与创新。

众所周知，物理学是一切自然科学的基础，是一门将观察、实验和物理思维相结合的科学，同时又是一门有着严密的理论、带有方法论性质的科学。物理学在长期的发展过程中，形成了一整套研究问题和解决问题的方法，影响着人们的思想、观点和方法。从物理学科及物理思维的特点可以看出物理学科蕴含着创造性思维培养的有利因素。因此，基于物理问题解决培养学生的创造性思维能力是一个比较理想的途径与策略。通过问题的解决，不仅可以帮助学生建构知识网络，而且能够帮助学生获得解决问题的过程与方法，体验积极的情感态度与价值观，培养物理问题的解决能力和科学兴趣的形成。

1.2物理创造性思维

创新思维是一种在现有知识的基础上，通过改变事物原有结构或将已有观念应用于新事物的思维能力。在学校教育中培养学生的创造性思维能力是教育工作者追求的目标。

物理创造性思维是指物理思维结果具有新奇性、独创性、目的性和价值性的物理思维活动。首先，思维的产品必须是新奇的和有独创的。当然，新奇、独创的标准是相对的，对于成人和儿童不同，对于学习物理者和研究物理者也不同；其次，思维的产品必须符合物理思维的目的和具有一定的价值。物理创造性思维包括两方面内容：一是重新安排、组合已有的物理知识，创造出新的知识和形象；二是突破已有的物理知识，提出崭新的见解、设想、思路、观点等。

物理问题处在物理学科背景中，与大量专门知识相联系，属于知识丰富领域问题69：，这有许多与知识贫乏领域的问题解决有着不同的规律。随着物理学科问题解决的心理学研究不断深入，物理问题解决认知模式的研究已经取得了比较理想的结果。文献＼[9：基于现代认知心理学并兼顾传统心理学的合理因素构建了物理问题解决的认知模式，该模式体现了较强的操作性，能够有效地应用于研究型课堂教学活动。另外，创造性思维能力培养与学生个性培养是紧密相联的，文献＼[1：基于学生个性发展的教学理念提出了发展学术健全个性的弹性教学模式。本研究将基于以上研究成果构建一种新的物理创造性思维教学模式，为物理教师开展创造性思维教学活动提供理论与实践依据，同时为学生开展创新实践活动提供理论指导。

1.3物理创造性思维历史考察

历史上关于创造性思维的研究一直比较含糊与混乱，直到1945年，德国心理学家韦索默（Werthermer）出版了名为《创造性思维》的专著，明确地提出了“创造性思维”这一概念，提出了格式塔的“结构说”及顿悟思想。1967年，美国心理学家吉尔福特（J P Guilford）提出了“智力三维结构”模型，认为创造性思维的核心是“发散思维”并由此应用于教学实践。1988年，美国耶鲁大学教授斯滕伯格运用创造力内隐理论分析法，提出了一种“创造力三维模型理论”。2000年，我国学者何克抗教授出版了《创造性思维理论[CD*4/5]DC模型的建构与论证》，从本质上回答了一些模糊的问题。

另外，再有2012年王如平著的《创造性思维的开发与培养》，2006年胡珍生与刘奎林合著的《创造性思维学概论》等。但是，专门研究物理创造性思维的文献不多，主要有1996年田世昆与胡卫平合著的《物理思维论》，2011年祝娅著的《物理发现中的哲学和创造性思维》，这些理论研究对推动物理创造性思维教学研究发挥了积极作用。然而，物理创造性思维在教学实践中还需要澄清一些认识上的错误，基于问题解决的物理创造性思维教学模式在理论和实践方面的研究还不太理想，还需要与时俱进地构建新的理论指导实践应用。

2物理问题解决的认知模式

所有的认识都可用过程与状态这一对范畴来描述9，10：，即：状态1→过程→状态2，状态是指个体的认知图式（已有的知识水平与技能）。这只是对事物认识过程的宏观描述，然而对不同事物的认识却有着不同的微观过程，人们所要揭示的正是具体问题解决的复杂多变的微观过程。文献＼[9：基于认知心理学理论构建了适合于物理问题解决的认知模式，如图1所示。该模式结构递进，层次分明，各阶段处于动态联结之中，满足了不同认知水平的问题解决过程的实际需要，易于实际教学操作。笔者在研究型教学活动中应用该模式已经取得了不少研究成果1116：。

该认知模式考虑到了物理问题解决过程的非线性特点，构造了问题解决过程的循环和交替变化的流程，使得个体解决问题的阶段性具有渐进性和突变性。由于物理问题都是与大量专门物理和数学知识相联系的，物理问题解决通常不是简单的线性关系，有时存在顿悟情形而产生跳跃，有时存在图式激活9：情形而使思路清晰。显而易见，物理问题解决过程具有非线性和突变性，其所经历的阶段不是固定的。图1所示的认知模式兼容了不同个体（新手和专家）关于物理问题解决的认知过程：对专家而言通常是“有图式激活”，过程，其步骤往往是跨越式的，问题解决比较顺畅；对于新手而言通常会出现“无图式激活”9：情形，需要探索“寻求解答”，问题解决过程往往经过循环反复，出现渐进性和突变性，寻求问题解答的过程呈现动态生成性。

有图式激活情形下的问题解决往往采用常规思维方法，因为该情形下的解题过程中使用的知识基本上是书本上给出的基础知识，可以根据已有的样例（例题）提供的步骤直接给出问题的解答。无图式激活情形下的问题解决往往需要采用创新思维，因为在该情形下书本上没有提供现成的样例，之前学习的基础知识不能直接用来解决问题，必须采用不同思路或方法。研究表明开展无图式激活情形下的问题解决教学是实现创新思维能力培养的基本手段。

3物理创造性思维教学模式构建

所有的教学皆可用“教学准备[CD*4/5]教学过程[CD*4/5]教学评价”来描述。教学准备主要是明确教学目标，了解学生状况（原有的认知图式），进而创设问题情境，为教学过程做准备。教学过程可以用“状态与过程”这一对范畴来描述，而过程随不同教师的教学风格不同而不同。这些只是对教学的宏观描述，然而对不同内容的教学却有着不同的微观过程。事实上，培养学生创新思维的教学应该是一种弹性教学，教学过程有弹性才有利于适应不同的教学内容与学习个体。一个好的教学模式在于其灵活性和易于操作。

基于上述分析研究，笔者认为培养物理创新思维能力的教学主要是基于问题解决与创新。根据一般认识论的“过程论”，笔者构建了物理创新思维能力培养的教学操作流程，如图2所示。

物理创新思维能力培养的教学操作流程之核心要素是问题解决，其认知过程可以用图1的模式来表征，其具有非线性、多样性、灵活性、动态生成性。该教学操作流程包含了6个基本要素：教学目标、认知图式、情境、问题、问题解决、评价与调节。其中右边的认知图式★是在左边认知图式基础上的发展与进化。对这6个基本要素的理解是实施物理创造性思维能力教学活动的关键（限于篇幅，此处不再展开论述）。

4基于教学模式的实践案例

作为对所建构的物理创造性思维教学模式的理解与应用，这里拟给出2个具体的教学实践案例。这其实是用本文构建的模式对过去创造性思维教学的案例诠释。限于篇幅所限，下列案例中笔者仅仅着重于创新思维过程的教学分析研究而略去详细的教学过程。

案例1：大摆角单摆运动周期的创新思维教学[ZK）][BT）]

教学问题：探究无阻尼单摆的动力学方程及大摆角单摆运动周期。基本条件是已知摆长为L，最大摆角为θ0的单摆作无阻尼运动。

对于大学生而言，单摆问题已经在中学时就有了初步的认识，而之前学习的转动定理为学生推导无阻尼单摆的动力学方程奠定了理论基础。

1） 问题1的解决（推导单摆的动力学方程）。单摆受力分析如图3所示。 摆球（质点）受重力G和细绳张力F作用，以悬点O为转动轴，单摆受到的力矩为（属于有图式激活）：

[JZ]M=-mgLsinθ

根据转动定理M=Iβ可得到单摆的动力学方程（化简之后）：