基础物理教学中开放性问题的理论分析，本文主要内容关键词为：性问题论文,物理论文,理论论文,基础论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在直觉的水平上，每个人知道什么是问题，我们大家都经常需要解决问题。在现实生活中，问题是多种多样的，内容和形式也千差万别。但一般来说，当人们面临一项任务而又没有直接手段去完成时，于是就有了问题。而一旦找到了完成任务的手段和方法，问题就可以得到解决。
一、问题及其基本成分
“问题”的英文是“problem”，也可译成“难题”。尽管问题是多种多样的，心理学家们对问题的表述也不尽相同，但是多数心理学家认为，所有的问题都含有三个基本成分：①条件——给定一组已知的关于问题条件的描述，即问题的起始状态；②目标——关于构成问题结论的描述，即问题要求的答案或目标状态；③障碍——正确的解决方法不是直接显而易见的，必须间接地通过一定的思维活动才能找到答案，达到目标状态。任何一个真正的“问题”都是由这三个成分组成的，他们有机地结合在一起。问题的条件和目标之间存在着内在的联系，但是把握这种联系、由起始状态到达目标状态都不是简单地通过知觉或回忆而能实现的，其间存在着障碍，需要进行思维活动。因此，也可以把问题定义为：“给定信息和目标之间有某些障碍需要被克服的刺激情境。”[1]
二、问题的功能
1.问题是科学探索的出发点和原动力
科学研究需要通过观察、实验获取关于自然界中的各种信息，然后加以理性的加工，发现规律性的东西。虽然从表面看，许多科学的发现似乎来自偶然的观察，但事实上任何人都是依据一定的问题去观察的。在观察之前总是先有某种“预期”，构成某种先于经验的参考观察框架。只有当观察的事实落入这一框架时，才会有所发现。如X射线的发现，1895年11月8日，德国物理学家伦琴观察到放置在阴极射线管附近的涂有亚铂氰化钡的硬纸屏上发出荧光。但在这之前，美国物理学家古德斯比德和英国物理学家克鲁克斯在做阴极射线的实验时，都曾经发现过照相底板有异常现象。古德斯比德在1890年2月22日无意中拍摄下了第一张X射线照片。但只有伦琴从荧光屏被感光的现象中提出了问题，认为这是原来的阴极射线理论所不能解释的。而古德斯比德虽然在伦琴发现以前，实际上已经拍下了第一张X射线照片，但他未由此引出问题，而把那张相片扔进废纸堆中。直到5年后，伦琴宣布了自己的发现，他才想起来并从废纸堆中把它找出来重新研究。因此，可以说，科学理论的发现始于问题。科学发现的过程是一个不断发现和提出问题的过程。科学发展的史实告诉我们，一门学科在某个时期提出的问题愈多，这门学科就愈有活力。
2.“问题”有助于摆脱思维定势
思维定势对人的思维活动产生正负两方面的影响：一方面，在环境和条件相同或类似的情况下，他使人能够熟练地利用已有的知识经验和掌握的方式方法，迅速解决问题，产生所谓的迁移效应；另一方面，当环境和条件已经发生变化，尤其是面临新的问题时，思维定势的存在往往使人的思维受旧有的知识经验、思维习惯的影响和制约，第一反应就是按“老规矩”“老皇历”办，影响新思路和新想法的产生，影响探索的广度和深度，表现出刻板和僵化，同时也阻碍头脑对新知识的吸收，产生负迁移效应。虽然思维定势使学生在某些方面能够熟练地解决问题，但思维定势带给人们更多的教条和羁绊，造成人们因循守旧，成为创造性思维的最大障碍。
3.问题是促进学习的动力
问题会使学生陷入困境，寻求问题的解答，摆脱问题的困扰，将会激起学习认识自然、理解自然的强烈愿望，给学生的认识活动产生极大的动力。正如科学哲学家波普所说的：“正是问题激发我们去学习，去发展知识，去实验，去观察。”[2]例如，在教学物体的浮沉条件前，教师先做“浮沉子”的实验，瓶内装有一定量的水（不要装满），扭紧瓶盖，水中悬浮着用滴管做成的浮沉子。让学生观察（同时让学生猜测结果），当手指用力挤压瓶壁使之变形时，滴管将下沉，松手后，滴管又上浮。如何解释这一奇异现象？这一问题情境将给学生造成一个悬念，同时，这一问题情境将有效地促进学生对相关知识的学习，学生通过对问题的探索与思考，以及对问题的解决，使学生深受鼓励。
4.问题能激励学生的思维
创造性思维起始于对困难或问题的认识，是围绕着解决问题而进行的，问题是思维的起点。鲁宾斯坦把思维描述成能动性的过程，强调指出，产生这一能动过程的最典型的情境是问题情境，即最鲜明的能动的思维过程表现为人提出并解决生活中遇到的各种问题。波利亚说：“我们大部分有意识的思维都和问题有关。”[3]鲁利亚说：“在人有适当的动机而使课题变得迫切了，并且它的解决成为必要的了。当人要从他所处的情境中走出来，而又没有现成的解决办法时，只有在这种场合思维才出现。”[4]例如，在学过实验室常用的温度计后，再学习体温计时，可以向学生提出以下问题：有了实验室常用的温度计，就可以用它去测量在它的测量范围内各种物体的温度，因此也可以用它去测量人的体温。试想，用实验室常用的温度计测量人的体温合适吗？有哪些缺陷？应如何加以改进？这些问题可使学生的思维处于激发状态，将激励学生积极思考。
三、物理问题的界定
今天，物理已经成为庞大的自然科学体系和技术科学体系形成和发展的基础，很多新兴学科、交叉学科的形成无不渗透了物理学的最新成果。[5]由于物理学和许多学科相互渗透，所以从一般意义而言，哪些问题属于“物理问题”是没有严格规定的。在这里，本文主要从狭义的角度针对基础物理教学中的“物理问题”作一个界定。
本文认为，在基础物理教学中“物理问题”是指以物理为内容，或者虽不以物理为内容，但必须用物理概念、规律或方法才能解决的问题。
为了进一步明确本文对基础物理教学中“物理问题”所作的界定，在这里还需对界定中的内容作一定的阐述。界定中的物理内容指的是义务教育阶物理课程的基本学习内容，包括物质（物质的形态和变化、物质的属性、物质的结构与物质的尺寸、新材料及其运用）、运动和相互作用（多种多样的运动形式、机械运动和力、声和光、电和磁）、能量（能量的转化和转移、机械能、电磁能、内能、能量守恒、能量与可持续发展）三个部分。各种物体、微粒和场，都是以不同形式存在着的物质。而物质处于永恒的运动之中，不同的物质和不同运动又发生着相互作用。能量的转化和守恒是自然科学的核心内容，它从更深层反映了物质运动和相互作用的本质。可见，这三个部分紧密联系，相互渗透，共同构筑成基础物理学研究的大厦。物理概念是反映物理现象、物理过程本质的一种抽象。物理概念概括起来分为两大类：一类是只有质的规定性的概念，如运动、静止、固体、液体、干涉、衍射等；另一类是既具有质的规定性又有量的规定性的概念，如速度、加速度、功、能、温度等。物理规律是自然界中物理客体本质属性的内在联系，是事物发展和变化趋势的反映。与物理概念相比，物理规律是人们对物理客体的高层认识，是理性认识阶段的产物[4]。“物理规律”根据建立的过程可以分为两种形式：一种称为物理定律，指的是在实验事实和数据基础上，通过加工总结，概括出的物理规律，如牛顿运动定律、光的折射定律、楞次定律等；另一种称为物理定理，指的是在已有的概念和定律基础上，运用数学工具推导出的新的物理规律，如动量定理、动能定理等。物理学方法是指人们在认识物理现象，建立物理概念与规律，分析解决物理问题，乃至发展物理科学过程中，对其所得到的经验进行抽象概括而形成的科学行为模式。对物理方法深入分析，可被划分为观察法、实验法、理想化方法、假说方法、数学方法，以及对称、简洁、和谐、臻美法。
结合以上对“物理问题”的界定和对界定的阐述，在这里举几个简单的例子来说明哪些问题属于“物理问题”。
例如我们问“牛顿运动定律是如何表述的？”“冰、沸腾、太阳表面的温度值是多少？”这是一个以物理为内容的物理问题。又问“短跑运动员在比赛时，往往在起跑点安装一个助跑器。为什么加一个助跑器比不加助跑器要好呢？”这是一个用物理概念解决的问题。再问“为什么用一个鸡蛋（运动）去打击另一个鸡蛋（静止），总是静止的蛋破裂，而运动的鸡蛋却安然无恙？”这是一个用物理规律才能解决的物理问题。“能否知道一根头发丝的质量和直径？”这是一个使用物理方法才能解决的问题。
四、封闭性问题与开放性问题
现实生活中的问题是各种各样的，目前想把问题做详细的分类研究还不可能。现在人们公认的是把问题分为两大类：一类属于有固定答案的问题，另一类属于未定答案的问题。属于有固定答案的问题很多，学校中用于教材的各种知识几乎都属于此类；未定答案类问题在学校教材中虽然不多，但在生活中和社会实践中却处处皆是，而且对人类创造性思维来说则更为重要，此类问题可能根本没有答案，可能有很多答案，也可能有答案但尚未肯定。例如，大家都认为儿童的食物营养与其身心发展有密切的关系。但如打破砂锅问到底，究竟应该吃些什么食物会最有利于儿童智力的发展呢？这个问题不是没有答案，而且有很多可能的答案，但没有唯一肯定的答案。
现代信息加工心理学对问题空间的分析使我们对问题分类有了更全面的认识。根据问题的起点、目标和容许操作（运算）的清晰度不同，人们又把问题分为定义明确的问题[6](well-defined problem)和定义不明确的问题(ill-defined problem)。前者是指问题的三个成分都明确的问题，也称为常规性问题(routine problem)；后者是指问题的三个成分有部分不明确的问题，也称为非常规性问题。
结构良好问题(well-structured problem)和结构不良问题(ill-structured problem)是研究问题时的又一种分类方法。在传统教育中，学生所解决的大多是结构良好问题（即相当于有固定答案问题），它可以通过特定的步骤获得问题的确切答案。然而，在现实情境中，结构不良问题却普遍存在着，人们所面临的绝大多数问题则为结构不良问题（即相当于未定答案的问题），它没有确定的问题解决途径，甚至问题的起点、问题的终点（目标状态）也不明确。事实上，在所有领域，只要将知识运用到具体情境中去，它所产生的问题就带有大量的结构不良特征。
从本质上看，把问题分为封闭性问题与开放性问题，也是人们对问题空间进行深刻分析的结果。事实上，封闭性问题与有固定答案问题、结构良好问题、定义明确问题几乎等价；而开放性问题则与未定答案问题、结构不良问题、定义不明确问题有相同或相近的内涵。
物理开放问题的具体表现形式多种多样，依据不同的标准有不同的分类方法。皮亚杰的认知发展阶段理论对于物理问题解决教学和物理开放问题的分类给了我们很大的启示。皮亚杰指出，从11～12岁到14～15岁，儿童能够在具体运演的基础上进行形式运演，即可根据语言文字资料进行假设演绎推理，其思维过程可以用“假设(IF)……推理(THEN)……判断(THEREFORE)……”的形式来表达。皮亚杰称之为形式思维。
根据形式思维组成的三个要素（假设、推理、判断）和物理问题的自身特点，按照物理问题构成要素的发散倾向，可以粗略地把物理开放性问题分为：条件开放——其未知的要素是假设，条件不足或多余；策略开放——其未知的要素是推理；结论开放——其未知的要素是判断；情境开放——物理问题背景与现实生活联系紧密且丰富；综合开放——其条件、解决策略与结果（至少有两项）都要求主体在情境中自行设计或寻找，或者问题本身要自己发现并提出。
五、物理开放问题的基本特点
物理开放题是相对于传统的封闭题型而言的，其形式是：条件、解题方法策略和结论的不确定性，即条件、方法策略和结论的开放。例如下列问题：
问题1 飞机为何怕风筝？（条件开放题）
问题2 为了扑灭发生在六层楼的火灾，高压水枪的功率应该多大？等等。（条件开放题）
物理开放问题一般具有以下一些基本特点：
(1)问题的不确定性，需要转化和收集信息，界定问题的存在；
(2)物理开放问题的结论是不确定的或者是不唯一的，存在着多种乃至无数的解答，但重要的还不是答案本身的多样性，而在于寻求解答的过程中，主体通过比较各种解答的途径实现认知结构的重建；
(3)物理开放问题的解决策略是相当丰富的，有时表现出直觉地发现——没有现成的解题模式可以去套用，但它总需要主体在求解过程中从多个角度、正反方向进行思考、探索和推理；
(4)物理开放问题的情境往往是真实的，其数据往往也是实际问题中的真实数据，对这类问题的解决，主体必须学会排除次要因素，突出主要因素，采用近似手段，从学科角度将其建模；
(5)物理开放问题，鼓励学生参与对问题的建构，使学生能结合自己已有的知识经验和思维能力积极主动的参与，而不管其属于何种程度和水平；
(6)物理开放问题，特别是综合开放问题有助于培养学生的创新能力和实践能力，有助于培养学生学会学习和解决现实问题的能力。
值得注意的是，物理学本来是研究客观物质世界的最基本的结构、最一般的运动和最普遍相互作用规律的科学。在日常生活、生产技术中有着广泛的应用，但是，物理教学在有意和无意中却拉大了与实际的距离，使学物理变得无味，也使学生远离了物理。例如在家用电路中，傍晚时分由于是用电高峰，灯光较暗，深夜开灯，灯光刺眼。对这一问题学生往往回答不好，究其原因，学生习惯于解答常规性问题，在已知的电路中求解电流、电压和功率也不成问题，而将实际现象转化为物理模型就成了问题，其实这正是学生今后工作和学习所需要的能力。