应用结构不良问题培养高中学生物理科学思维的策略

罗莹　郑渊方

摘   要：发展学生的科学思维是重要的教学目标之一。因此在教学中不仅要教会学生解决问题，还应注重对学生科学思维的培养。文章对在习题课中应用结构不良物理问题培养学生科学思维的意义进行研究，并探讨解决不同类型的结构不良物理问题对提高学生模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等能力的作用。

关键词：结构不良问题；科学思维；模型建构；质疑创新；推理论证

引言

高中物理课程目标指出：发展学生的科学思维能力是重要的教学目标之一。通过高中物理课程学习，引导学生养成科学思维习惯，增强创新意识。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。科学思维包含如此多的要素，在教学中应该如何去培养学生的科学思维无疑是个难题。在一线教学中习题教学是教师常用的培养学生科学思维的教学方式之一。比如：毛金華提出物理长作业有利于促进学生思维的系统性、深刻性、灵活性和独创性，提升学生的科学思维能力[ 1 ]。陈志军认为可以通过设计进阶式问题链和变式探究强化推理论证，优化思维品质，促进深度学习，培养科学思维[ 2 ]。的确，解决问题是学生的高级认识活动，这个过程可以促进学生的思维发展，因此在习题教学中要注重培养学生的科学思维。本文将以结构不良问题为出发点，研究培养高中学生物理科学思维的策略。

1  结构不良问题的定义及特征

解决问题属于人的认识活动，对个人而言，解决问题是促进自我成长、实现个人价值的一个途径；对人类而言，解决问题是理解自然现象和社会现象，促进人类文明进步的一个过程。问题有不同的类型，Reitman以问题的空间界定为出发点于1965年首次从认知心理学的角度区分了结构良好问题和结构不良问题。他把结构不良问题定义为初始状态、目标状态、算子等至少有一个不明晰的问题；把初始状态、目标状态、算子都明晰的问题定义为结构良好问题[ 3 ]。

美国学者Jonassen在Reitman的研究基础上做了进一步的研究，他系统概述了结构不良问题的特征。他将结构不良问题的特征简述为以下几点：问题的结构不明确；目标界定含糊不清；解决策略不唯一；评价解决策略的标准不唯一；可操控的参数少；没有原型案例可以参考；无法明确哪些具体概念、规则对问题解决的必要性；需要个体表述自己的观点或信念等[ 4 ]。基于此，结构不良物理问题的特征主要有“情境化”、结构不确定、解决策略多样化、结论开放等。

根据结构不良物理问题具有的不同特征，结构不良物理问题可以分为内容开放型、条件开放型、结论开放型、策略开放型、综合开放型这五种类型[ 5 ]。在习题教学中应该针对不同教学情境选择不同类型的结构不良物理问题。

本研究将选择具有不同特征的结构不良物理问题来研究培养高中学生物理科学素养的策略。

2  应用结构不良问题培养高中学生物理科学思维的策略

2.1  去“情境化”，培养模型建构能力

模型建构是一种重要的思维方法，在习题教学中应当注重对学生模型建构能力的培养。课标中提到能不能把问题中的实际情境转化成解决问题的物理情境，建立相应的物理模型是解决问题的关键。故而要创设真实的情境，使得学生在真实情境中运用物理概念解决实际问题，以此来培养学生的模型建构能力。而结构不良物理问题具有“情境化”的特点，将结构不良物理问题用到习题教学中，学生解决这类问题就相当于在实际情境中获得解决问题的知识和策略，发展科学思维。

例1（改编自人教版课本习题）：环保人员在一次检查时发现有一根排污管正在向外满口排出大量污水。这根管道水平设置，管口离地面有一定高度。请估算该管道每秒钟排出污水的质量。（用物理量表示）

如例1所示，这是一道具有“情境化”特点的结构不良物理问题，该题要求学生估算出管道每秒排除污水的质量，然而题目中并没有明确解决方法与对应的物理观念。解决这个问题首先要将排污管流出污水的情境抽象为如图1所示的平抛运动这个物理模型，然后将平抛运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动，结合平抛运动的规律以及质量和密度的关系计算得出该管道每秒排出污水的质量。学生在解决此类情境化的结构不良问题的同时能够培养他们从真实情境中建构模型的能力，提高科学思维。

2.2  证“缺失化”，培养推理论证能力

2019年高考考纲指出：高考物理在考查知识的同时注重考查能力，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、分析综合能力、应用数学处理物理问题能力、实验能力。其中对推理能力的考查要求为能够根据已知的知识和物理事实、条件，对物理问题进行逻辑推理和论证，得出正确的结论或做出正确的判断并能把推理过程正确地表达出来。基于此，在习题教学中不能只局限于培养学生运用知识解决物理问题的能力，还要培养学生的科学推理、科学论证能力。条件开放型的结构不良物理问题需要学生从所给定的信息中筛选出准确信息，然后运用这些信息分析、推导、验证、得出结论，这系列的问题解决活动能很好地发散学生的思维，培养学生的推理论证能力。

例2：如图2所示，球1和球2的质量分别为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向右沿两球连心线运动，球2则静止。两球连心线右侧有一竖直弹性墙，设两球之间以及球与墙之间的所有碰撞均为完全弹性碰撞。为了使球能发生且只能发生两次碰撞，试问两球的质量之比m1：m2应满足什么条件？

如例题2所示，这道题属于条件开放型结构不良物理问题。它考查的是弹性碰撞，要求学生求出两小球能发生且仅发生两次碰撞时两球的质量之比，首先学生要能推理出两小球可以发生且仅能发生两次碰撞的情况下两小球两次碰撞后的运动状态，其次是运动状态与质量的关系。题干中给出了球1的速度，并给出所有碰撞都是完全弹性碰撞这个背景，于是可以得出球1与球2碰撞时系统动量守恒、机械能守恒。由动量守恒和机械能守恒的公式计算发现第一次碰撞后球1的速度方向与两球的质量之比有关系，也就是说要往下推导第二次碰撞的一个条件是知道m1和m2的大小关系，然而题目中没有给出这个条件，要解决这个问题就要对m1和m2的大小关系进行分类讨论，可以分为m1<m2，m1=m2，m1>m2三种情况去分析在两次碰撞中球1与球2的速度大小与方向，根据推理两小球能发生且仅发生两次碰撞时的运动状态及两球速度之间的关系求得两球的质量之比。解决条件开放型的结构不良物理问题，要求学生能够对问题进行分析、推理而后获得结论，学生解决问题的过程中，推理论证能力也得到了训练。

2.3  解“多样化”，培养质疑创新能力

质疑创新是科学思维的重要组成部分，同时素质教育要求培养学生的创新精神。然而大多数的习题作业没有对习题进行筛选，采取题海战术，长期如此，致使学生养成固有思维或是利用相似问题的解决范式去做题，无法培养學生的质疑创新能力，背离素质教育的初衷。结构不良物理问题具有答案不唯一、解决方法不唯一的特征，解决这样的物理问题就可能出现一题多解或者多题一解的情况。在习题教学中教师可以运用结构不良物理问题引导学生从多个角度思考问题，用不同的方式解决问题，培养学生的创新质疑能力。

例3：在生活中物体的质量常用电子秤或台秤来称量，对于地球，我们怎样去称量他的质量呢？需要哪些材料？

3  结论

教育的意义在于培养一个人的思维，而非技能。在习题教学中教师不仅要教给学生解决问题的方法，还要提升学生的科学思维，那么就要避免题海战术以及填鸭式教学。传统的习题大多属于结构良好问题，学生很容易从例题或者曾经做过的问题中找到解题模版，这种题目做多了并不能锻炼学生的思维能力，还加重学生的负担。结构不良物理问题具有“情境化”、结构不确定、解决策略多样化、结论开放等特征，学生没有解决此类问题的范式，需要自己“去情境化”进行模型建构、构造条件去推理论证，在解决问题的过程中，学生的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新能力可以得到很好的锻炼，从而提升学生的科学思维。

参考文献：

［1］ 毛金华.物理长作业：科学思维能力的催化剂[J].物理教学，2021，43（7）：44-47.

［2］ 陈志军.指向科学思维的习题探究教学实践：以一道全国高考题的探究教学为例[J].物理教师，2022，43（1）：23-25.

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

［4］ David H.Jonassen，钟志贤，谢榕琴.基于良构和劣构问题求解的教学设计模式（上）[J].电化教育研究，2003（10）：33-39.

［5］ 彭洁，郭怀中.结构不良问题引入初中物理教学的分析与讨论[J].物理教师，2015，36（4）：45-47.