從習題到原始問題科學教育方式的重要變革

1、邢紅軍等：從習題到原始問題：科學教育方式的重要變革一、習題與原始問題的比較在科學教育中引入習題的初衷是，鞏固和加深學生學習的知識，考查學生掌握知識的水平，培養(yǎng)學生 應用知識解決問題的能力。物理高考命題委員會認為：“做題是非常重要的。我們主張要做題，但并不贊 成搞題海戰(zhàn)。因為題海戰(zhàn)盲目追求解題的數(shù)量，不重視解題的質量，使學生根本來不及對習題以及與習題 有關的問題進行思考”其實，即使是重視解題質量的做題也很難有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力。這是因為，每 一道習題都是從原始問題抽象而來，已經(jīng)把原始問題的一些次要細節(jié)、非本質的聯(lián)系舍去，沒有科學現(xiàn)象 與事實作為背景，甚至完全脫離科學現(xiàn)象，即學生思維的一部分已經(jīng)

2、被習題編制人員“越俎代庖”地完成 了。同時，習題教學還存在著模式化傾向，缺乏科學思想的分析，太重視程序與計算、熟練與技巧。因此， 在一定意義上說，我國學生創(chuàng)造能力的匱乏是習題教學的直接后果。事實上，科學最重要的部分是與現(xiàn)象有關的，現(xiàn)象是科學的根源。從這個基本思想出發(fā)。我們認為： 解決我國科學教育低效能的重要措施就是要打破傳統(tǒng)習題教學一統(tǒng)天下的局面，通過引進原始問題來逐步 使習題教學與原始問題教學相結合，從而達到提高科學教育效能的目的。所謂原始問題，是指自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在、能夠反映科學概念、規(guī)律本質且未被加工 的典型科學現(xiàn)象和事實。而習題則是把科學現(xiàn)象和事實經(jīng)過一定程度抽象后加工出

3、來的練習作業(yè)。兩者的 關系如圖 1 所示。由圖 1 可知，學生解決原始問題需要經(jīng)歷二個相互銜接的過程：第一，問題是針對什么科學現(xiàn)象和事 實的，弄清楚原始問題是什么 （What） ，即認識問題；第二，原始問題怎樣通過分解、簡化、抽象后轉化為 科學模型（How），即科學建模；第三，怎樣定性或定量的通過演算和推導解決問題（How），即解題技巧。確切地說，原始問題的表述形式是對科學現(xiàn)象的描述，它基本上采用文字敘述的方式呈現(xiàn)科學現(xiàn)象， 與習題顯著不同的是，沒有習題中常常給定的已知量、未知量，需要學生根據(jù)需要去設置。比如，1995 年10 月 28 日，加拿大人科克倫手握長桿走鋼絲跨越長江三峽。 科克倫如

4、何使用手中的長桿？這樣的問題就稱 為原始問題。相反，目前科學教育中廣泛采用的習題卻很難為學生提供這樣的情境。由于歷史的原因，我 國傳統(tǒng)的習題教學往往側重圖 1的第二個過程 （建模）和第三個過程 （技巧），特別是注重第三個過程 （技巧）， 而尤其缺少第一個過程 （認識），對科學現(xiàn)象和科學事實把握不夠。因此，致使很多學生只知道根據(jù)已知條 件去解題，遇到實際問題則常常束手無策。其實，早在上個世紀，蘇聯(lián)心理學家馬丘什金就將習題與問題情境進行了比較與區(qū)分。他指出：“習 題和問題情境是具有原則性區(qū)別'的概念，因為它們標志著不同的心理現(xiàn)實?！睉斦f，這是非常重要 的見解。在國內，趙凱華先生覺察到這個

5、問題。他指出：“在我們的教學中，同一問題，既可以把原始的問題 提交給學生，也可以由教師把問題分解或抽象成一定的數(shù)學模型后再提交給學生。習慣于解后一類問題的 學生，在遇到前一類問題時，往往會不知所措?！憋@而易見，在科學教育中明確原始問題與習題之間的區(qū) 別是有著相當重要的理論與現(xiàn)實意義的。二、原始問題的教育價值隨著教育研究的不斷深人，教育領域出現(xiàn)了一門運用生態(tài)學方法研究教育的科學教育生態(tài)學。教育 生態(tài)學強調在真實、自然情境中研究教育規(guī)律以及學生的心理活動規(guī)律，強調提高教育活動的可應用性和 普遍適用性，建立合理的教育生態(tài)環(huán)境，提高教育的效益，促進人才迅速成長和發(fā)展。生態(tài)學是 19 世紀末在生物科學中

6、成長起來的一門科學，它的研究對象是生物個體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)。其研究任務是探索有機體與環(huán)境之間相互作用的規(guī)律及機理，研究生物的生存條件以及生物與其生 存環(huán)境之間的相互關系。在研究方法上，生態(tài)學家一般采用描述性分析方法，即先對現(xiàn)象進行描述，而后 再做分析。在科學教育中強調生態(tài)性，乃是源于習題教學固有的局限性。我們知道，習題教學具有許多優(yōu)點。然 而，隨著科學教育研究的深人，習題固有的缺陷即人為性也日益暴露出來。由于習題情境是人為設置且 條件控制嚴格，因而使科學教育情境的真實性受到破壞，使學生解答習題的認知心理及行為表現(xiàn)與解決原 始問題的認知心理及行為表現(xiàn)相去甚遠。這樣，就削弱了科學教育特有的教

7、育價值。我們知道，在真實的情境中，科學教育活動受到多種因素影響，這些因素又是相互作用、相互影響的， 是一個完整的過程，科學教育活動是該系統(tǒng)中各因素相互作用的綜合結果。然而，習題教學卻將這些因素 孤立開來，僅局限于特定情境中某些特定因素對科學教育活動的影響，因而就難以揭示真實、自然條件下 的科學教育規(guī)律。通過借鑒教育生態(tài)學的有關思想，我們提出了科學教育生態(tài)化的基本觀點：1. 科學教育活動不是孤立的，而是與科學現(xiàn)象有機地聯(lián)系在一起的，處于一個復雜的關系之中； 2. 科學教育活動既受到自身內部因 素的影響，又受到外部因素的影響； 3. 科學教育活動應當在科學生態(tài)環(huán)境與社會生態(tài)環(huán)境中進行，以揭示 真實

8、、自然條件下學生的心理活動規(guī)律與科學教育規(guī)律；4. 科學教育活動應注重研究學生與其所處環(huán)境之間的相互作用； 5. 科學教育活動應注重研究學生在與其所處環(huán)境相互作用過程中的主動性。在科學教育中，原始問題教學并不局限于教育生態(tài)學強調的情境，而是以生態(tài)學思想為指導，把科學 知識融人科學現(xiàn)象之中并以原始問題的形式呈現(xiàn)，主張把習題固有的嚴格性移植到自然、真實的科學環(huán)境 中，并在其中揭示科學教育活動的因果關系。因此，原始問題教學所采用的方法，具有既不同于習題教學 強調推導、演算而忽視學生能力培養(yǎng)的特點。又不同于研究性學習為探究而犧牲知識傳授效率的特點。它 強調給定的情境雖然是原始的，但問題本身又必須是嚴格

9、的。也就是說，它要求提高科學教育的外部效度， 而又毋需以降低內部效度為代價。因此，原始問題教學就具有以下教育價值。首先，它有助于解決目前科學教育內部效度和外部效度不能同時得到滿足的矛盾。我們知道，習題教學雖 然內部效度較高，但缺乏外部效度。一般認為，內部效度是外部效度的必要條件，但不是充分條件。內部 效度低的教育結果就談不上對其他情境的普遍意義；然而內部效度高的教育結果卻不一定能夠一般化到現(xiàn) 實中去。研究性學習雖然具有較高的外部效度，但卻難以保證科學教育的內部效度；原始問題由于將習題 的嚴格控制應用于科學現(xiàn)象之中，并且經(jīng)過抽象之后可以成為習題，就使得它在一定程度上具備高效完成 間接經(jīng)驗知識內化

10、的功能，從而將內部效度和外部效度較好地統(tǒng)一起來。其次，在原始問題教學中，學生的認知心理與行為表現(xiàn)都比較真實，因此，能夠較好地揭示科學教育 中學生的心理規(guī)律和學習規(guī)律。為了驗證這一觀點，我們運用原始物理問題和由其改編而成的習題對高中 學生進行了測試，結果表明：原始物理問題卷的平均分為39. 5 ，而習題卷的平均分為 70，差異顯著，且前者得分呈正態(tài)分布，后者呈偏態(tài)分布。這說明，原始問題雖然也有一定程度的控制，但沒有像習題那樣 幾乎完全排除環(huán)境的影響，從而保證了學生的心理及行為變化仍然是現(xiàn)實中各種因素綜合作用的結果。教育心理學的研究指出，教育與實際情境的相似性是教育效果的關鍵因素。而這種相似性越高

11、，教育 結果的可應用性也越高。甚至教學所采用的方式，也應該盡可能接近教育結果所要應用的實際情況，這樣 才能在更大程度上提高教育的效能。第三，可以根據(jù)教學的需要選擇數(shù)量合適的原始問題供學生練習，以保證掌握知識和培養(yǎng)能力的需要。 事實上，科學概念和規(guī)律只有在原始問題中才有生命力，才能顯示出其內涵、色彩、格調，才能顯示出其 內在的理由、作用和功能，學生學習過的概念和規(guī)律才能真正活起來，這樣才能提高學習效率。通過一定 數(shù)量的原始問題訓練，當學生解決實際問題時，各種各樣的策略才能夠迅速檢索而無須搜腸刮肚地對照做過的題型，才有可能在處理前一個步驟時就在大腦中預感下一個步驟，根本無須暗暗回憶各種題型再思量

12、其意義。即使學生進行創(chuàng)造性活動，也能憑直覺而非經(jīng)驗去探索正確的解決途徑。所以，正是在這個意義 上，我們認為原始問題教學不僅可以使學生有效地學習科學知識，而且也能很好地培養(yǎng)學生的能力。從相互作用心理學的視野來審視， 我們更能體察出原始問題教學與習題教學的本質不同。 20 世紀 70年 代以來，心理學研究中逐漸形成一種較新的思路，其基本思想集中于行為發(fā)生過程中人與環(huán)境的多向性交 互作用，并且認為，在這種交互作用中，人與情境是相互依存而非單方面所決定。其基本觀點有四個方面： 1. 個體的行為是他們與所處情境之間多方向的連續(xù)的交互作用結果； 2. 個體在這一交互作用過程中是有意 識的和主動的； 3.

13、在交互作用的人的方面，認知和動機因素是行為的基本決定因素； 4. 在交互作用的情境 方面，情境對于個體所包含的心理學意義是重要的決定因素。一相互作用心理學的新思路，為從個體和情 境兩方面對學生學習科學的心理過程作出描述、解釋和預測，提供了理論和方法方面的基礎。特別是對情 境研究提供了較系統(tǒng)的分析手段，分別從“情境內交互作用”和“情境間交互作用”考察情境的心理學意 義。因此，為了克服習題教學的局限性，科學教育應當走出單一習題教學的禁錮，在真實的情境中研究學 生的學習心理與科學教育活動，重視科學教育活動中學生與科學現(xiàn)象的多向性交互作用，以保證科學教育 活動具有較高的生態(tài)學效度，具有較高的應用價值。

14、而原始問題教學則使教育生態(tài)學的思想轉變?yōu)楝F(xiàn)實成 為可能。當然，還應當指出，強調原始問題教學并不是完全排斥習題教學，否定習題教學的價值，而是主張在 保留習題教學優(yōu)點的同時，克服其不足，并通過兩者的相互結合來達到提高科學教育效能的目的。三、原始問題的教育功能現(xiàn)代認知心理學的研究認為，人的思維生理基礎是人的大腦。人腦有多達 150 億個神經(jīng)元，靠其突觸 相互連接構成無數(shù)條通路。這些通路構成了人類后天學習結果無限多樣性的生理基礎。因此，人腦不僅是 一個生物系統(tǒng)，同時又是一個耗散結構。耗散結構理論指出，一個開放系統(tǒng)，在遠離平衡態(tài)的條件下可以由混沌向有序方向轉化；有序的組織 可能通過一個自組織'過

15、程從無序和混沌中自發(fā)'地產(chǎn)生出來；自組織的顯著特點是它通過突變過程 而完成的，這個突變發(fā)生在事物由低級到高級階段之間的分叉點'上；在發(fā)生突變之前，系統(tǒng)通過正反 饋與外界交換物質、能量和信息，使有序狀態(tài)參量不斷增強，超過臨界值系統(tǒng)便進人高一級階段，這個高 級階段叫“耗散結構”，因為比起平衡結構，它要求消耗更多的能量來維持。我們的研究表明，在科學教育中進行原始問題教學，可以較好地創(chuàng)設使學生的大腦從混沌向有序方向 轉化的條件，因此，原始問題教學具有以下教育功能。（ 一） 使學生的大腦充分開放根據(jù)耗散結構理論，一個系統(tǒng)只有開放才能有序。這是因為，有序的結構需要輸入物質、能量或信息， 并

16、與外界進行交換才能維持，封閉的系統(tǒng)無法進行有效的交換，因而最終變?yōu)榛煦纭鹘y(tǒng)的習題，往往與 科學現(xiàn)象相脫離，充斥著小球、輕桿、木塊、斜面使學生處于模型和模塊的包圍之中，卻往往不問其 生活源頭，感受不到科學現(xiàn)象真實與鮮活的一面，久而久之便桎梏了創(chuàng)造性思維的發(fā)展。由圖1 可知，習題在一定程度上就是一個封閉系統(tǒng)，其邊界為虛線框，它基本上排除了環(huán)境因素的影響，因而不能使學生 的大腦充分開放。原始問題則不然，由于具有生態(tài)性和開放性等特點，就決定了原始問題的解決必然是探索和發(fā)現(xiàn)的過 程。面對一個信息龐雜、客觀真實的原始問題，學生很難找到可以拿來直接仿效的原型，需要通過獨立思 考，不斷嘗試，對問題進行探索。

17、只有擺脫習題的束縛，學生的思維才可能脫離平衡狀態(tài)。（ 二） 使學生的思維遠離平衡狀態(tài)根據(jù)“耗散結構”理論，非平衡是有序之源。我們的思維之所以不斷深化，是因為在大腦的認知過程 中，原來認知結構的平衡狀態(tài)被外來的刺激所打破，發(fā)生了“同化”或更深刻的“順應”過程，使原來的 認知結構得到充實或變革，達到新的水平和新的平衡。習題和原始問題的區(qū)別就在于，前者很難打破學生 思維的平衡狀態(tài)，而后者則刺激學生積極思維。由圖1 可知，原始問題的解決除了推導、演算等過程外，還包括建立模型的分解、簡化、抽象等思維過程以及對原始問題加以直覺的認識、分析和判斷過程，從而 使學生的思維遠離平衡狀態(tài)，并達到培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維

18、的目的。（ 三 ） 促進學生思維非線性相互作用的發(fā)展“耗散結構”理論指出，只有在系統(tǒng)內各要素之間存在著非線性相互作用的機制下，才能形成耗散結 構。因為非線性相互作用，使各個要素之間產(chǎn)生相于效應和協(xié)調作用。當學生解決原始問題時，外界提供的信息常常是不充分的，有很多空白點，僅憑邏輯思維很難窺探問 題的本質，此時，直覺思維不受“邏輯順序”束縛的特點便可發(fā)揮作用。直覺思維作為一種與邏輯思維截 然不同的思維，是一種非線性思維，其特點在于思維的觸角可以伸出非常遠，往往在還沒有看清楚問題解 決途徑的時候就抓住了它的精神，然后再想辦法把中間的路徑聯(lián)系起來。雖然并不能保證每一次都能成功， 但如果不去伸出直覺思維

19、的觸角， 就永遠也走不遠。 愛因斯坦曾高度評價直覺思維的重要價值， 他指出：“ 物 理學家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律，要通向這些定律，并沒有邏輯的道路，只有通過那種以 對經(jīng)驗共鳴的理解為依據(jù)的直覺，才能得到這些定律。高屋建領地說明了直覺思維的創(chuàng)造價值。對于原始問題促進思維非線性相互作用的功能，一位物理教師通過教育行動研究進行了實踐，取得了 較好的效果。依據(jù)行動研究是“由社會情境 （教育情境 ）的參與者，為提高對所從事的社會或教育實踐的理 性認識，為加深對實踐活動及其依賴的背景的理解所進行的反思研究”的理念，教師在課堂上向同學們提 出了這樣一個原始物理問題：“在宇航飛行時人們處于失重狀態(tài)。失重給宇航員的生活和工作帶來很大不 便，因此，有必要制造一個人造重力'裝置。人造重力'能否實現(xiàn)？；顯然，這一問題只有在思維的 各個要素產(chǎn)生相干效應和協(xié)同作用下才有可能解決。（ 四） 通過隨機漲落促進學生思維從無序到有序的轉變“耗散結構”理論提出，處于近平衡區(qū)的系統(tǒng)，其內部的漲落將會進一步導致結構的破壞，使系統(tǒng)進 人無序狀態(tài)。但對于遠離平衡區(qū)的系統(tǒng)，漲落卻可能成為促使系統(tǒng)從不穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到一個新的穩(wěn)定有序 狀態(tài)的誘因，漲落就可能被放大，導致系統(tǒng)失穩(wěn)，把系統(tǒng)推到臨界點上，并進而由隨機漲落進行選擇，沿 多種可能途徑中的某一分支進人一個新的狀態(tài)。在科學教育中，當學生的思維系統(tǒng)