初中物理教學(xué)論文：教學(xué)解題理論若干概念簡(jiǎn)介

1、初中物理教學(xué)論文：教學(xué)解題理論若干概念簡(jiǎn)介本文以中學(xué)物理習(xí)題教學(xué)為例，對(duì)教學(xué)解題理論的若干問(wèn)題進(jìn)行討論。中學(xué)物理教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生問(wèn)“怎樣解答物理習(xí)題”時(shí)，教師通常地回答是：首先要審好題，然后分析物理過(guò)程，確定研究對(duì)象，再選擇適當(dāng)?shù)墓浇⒎匠淌竭M(jìn)行計(jì)算。如果學(xué)生進(jìn)一步追問(wèn)：“應(yīng)當(dāng)怎樣去分析物理過(guò)程”，“怎樣確定研究對(duì)象”，“怎樣選擇解題的公式”，這時(shí)教師們將感到無(wú)言以對(duì)，沒(méi)有辦法把這種最常見(jiàn)的最基本的問(wèn)題講清楚。值得注意的是，這種情況在教學(xué)領(lǐng)域中不是個(gè)別的偶然現(xiàn)象，而是一種由來(lái)已久普遍存在的歷史現(xiàn)象。這種狀況反映出當(dāng)今的習(xí)題教學(xué)在理論上還存在著重大缺陷，教師們的教學(xué)實(shí)踐非常需要相關(guān)理論的支持。習(xí)

2、題教學(xué)中提出的這類(lèi)基本問(wèn)題，并不是物理學(xué)的研究課題，物理科學(xué)不可能為教師們提供這類(lèi)問(wèn)題的答案。就當(dāng)前的情況看，認(rèn)知心理學(xué)、教育心理學(xué)或人工智能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供現(xiàn)成答案，然而這些問(wèn)題在教學(xué)實(shí)踐中早已是急待解決的問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)，人們?yōu)榱颂岣吡?xí)題教學(xué)的效率，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，進(jìn)行了許多探索，總結(jié)了許多有益的經(jīng)驗(yàn)。但是這些總結(jié)基本上局限于經(jīng)驗(yàn)的水平，始終停留在比較表面的層次上，缺乏深入系統(tǒng)地理論性分析和概括。教學(xué)解題理論作為教學(xué)心理研究的一個(gè)部分，它既不是這樣那樣“解題方法”的匯編，也不是各種典型習(xí)題的題解。教學(xué)解題理論以教學(xué)領(lǐng)域的解題思維過(guò)程作為主要的研究對(duì)象。筆者認(rèn)為，在這種研究中，應(yīng)當(dāng)把解題思維

3、作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)加以考察，要深入的分析、解剖這個(gè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并區(qū)別系統(tǒng)的各種基本要素，認(rèn)識(shí)這些要素的屬性、特征以及它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。此外還必須把解題思維當(dāng)作特定系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)加以考察，要研究系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的階段結(jié)構(gòu)，研究各個(gè)階段上系統(tǒng)的狀態(tài)特征及其演變規(guī)律和方式。筆者希望從這種認(rèn)識(shí)上的突破中為教師們的教學(xué)實(shí)踐提供理論上的支持，更希望從中找到新的教學(xué)方法要素和新的教學(xué)手段。（2006年作者發(fā)布的計(jì)算機(jī)軟件“高中物理智能解題導(dǎo)師”就是利用已有理論成果研制成的一種全新教學(xué)手段，最新的1.5免費(fèi)版，可在互聯(lián)網(wǎng)上用關(guān)鍵詞“高中物理智能解題導(dǎo)師”搜索下載）學(xué)科教學(xué)解題理論研究中，遇到的第一個(gè)障礙是問(wèn)題和個(gè)體

4、解題思維的極端多樣性，學(xué)科中的習(xí)題千差萬(wàn)別，解題時(shí)的具體思維過(guò)程也因人因題而異，似乎很難有什么共性可言。然而如果把復(fù)雜的綜合題看作是問(wèn)題的完全形態(tài)，把較簡(jiǎn)單的問(wèn)題看成是不完全的簡(jiǎn)化了的形態(tài)，把成熟的思考當(dāng)作一般的東西，那么抓住那些完全的成熟形態(tài)的解題思維過(guò)程進(jìn)行研究仍然是很有意義的。由于篇幅的限制，本文只就描述物理計(jì)算題解題過(guò)程的幾個(gè)概念作扼要介紹。一、組成計(jì)算題的四種條件物理計(jì)算題中的問(wèn)題情景通常由四種情景要素構(gòu)成，其一是實(shí)物裝置；二是量值要素；三為動(dòng)變特征要素；四是數(shù)量關(guān)系要素。一系列特定要素結(jié)合在一起就構(gòu)成一個(gè)確定的問(wèn)題情景。各種情景要素在問(wèn)題中的存在形式以及他們?cè)诮忸}中的地位、作用是不

5、相同的。同四種情景要素相對(duì)應(yīng)，計(jì)算題中的條件（已知條件）也可以分為四種，即實(shí)物條件、量值條件、動(dòng)變特征條件、數(shù)量關(guān)系條件。1、量值條件。凡是在題中以數(shù)字形式或字母形式給出的物理量值都屬于量值條件，量值條件給出物理對(duì)象的某種屬性或狀態(tài)的定量描述。2、實(shí)物條件。任何一個(gè)物理計(jì)算題，總是就某一個(gè)特定的物理實(shí)物系統(tǒng)擬定的，不論系統(tǒng)多么簡(jiǎn)單，它總是由一個(gè)以上的物質(zhì)實(shí)體（包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)），按一定的空間位置關(guān)系構(gòu)成的。題中所給出的構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)物體以及它們聯(lián)結(jié)成的整個(gè)物體系統(tǒng)，屬于實(shí)物條件。3、動(dòng)變特征條件。問(wèn)題表述中，用以說(shuō)明某些物理系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)、變化和相互作用特點(diǎn)的條件是動(dòng)變特征條件。4、數(shù)量關(guān)系條件。指

6、題中直接說(shuō)明某些物理量間的數(shù)量關(guān)系的條件，這種條件常常直接給出幾個(gè)量間以和、差、積、商形式出現(xiàn)的特殊等量關(guān)系，這種關(guān)系在綜合性計(jì)算題中較為多見(jiàn)。二、計(jì)算題的含蓄性及潛在情景問(wèn)題的陳述能提供兩類(lèi)情景要素（條件或信息）。一種是由題的陳述直接表達(dá)出的直接條件和信息。另一種是由題的直接陳述出發(fā)，通過(guò)運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行推理才能發(fā)掘出來(lái)的間接條件和信息。這些間接的情景要素在題中藏而不露，隱蔽地包含在題的表述之中，這就使問(wèn)題具有一種含蓄性。由問(wèn)題的陳述直接提供的條件、信息（情景要素），通常不能直接滿足確定解法的需要，為此我們往往要通過(guò)分析和推理去進(jìn)一步揭示出一系列新的情景要素和間接條件。當(dāng)這種要素和條件擴(kuò)大到一定

7、程度時(shí)，就能夠?yàn)閷ふ翌}的解法提供充足的條件。我們把由題的陳述直接提供的問(wèn)題情景稱(chēng)為初始情景，把那種經(jīng)過(guò)分析、發(fā)掘后變得更加豐富充實(shí)，能為確定解法直接提供充足條件的問(wèn)題情景稱(chēng)為定解情景（或末情景）。從定解情景中排除初始情景后，余下的部分稱(chēng)為問(wèn)題的潛在情景（或情景缺陷）。潛在情景也就是通過(guò)分析發(fā)掘出來(lái)的那些新的情景要素（條件、信息）的總和。情景缺陷的大小對(duì)題的難度影響很大。如果說(shuō)定解情景提供完備的解題條件，那么初始情景則是不完備的。初始情景只有同一定知識(shí)，推理相結(jié)合，才能擴(kuò)大深化為定解情景。初始情景和定解情景在問(wèn)題的狀態(tài)演變過(guò)程中分別對(duì)應(yīng)問(wèn)題的初始狀態(tài)和定解狀態(tài)（或末狀態(tài)）。例1一個(gè)探空氣球的質(zhì)量

8、為200克，另有50克的重物系于氣球上，氣球以10米秒的速度上升，當(dāng)升高到400米時(shí)，重物從氣球上掉下。問(wèn)當(dāng)重物落地時(shí)，氣球距地面多少米？設(shè)氣球浮力不變，空氣阻力不計(jì)。分析：從本例題述的初始情景出發(fā)，運(yùn)用有關(guān)知識(shí)，可以發(fā)掘出下列新的情景要素。（潛在情景）：題中整個(gè)運(yùn)動(dòng)可以劃分為兩個(gè)階段，其一是氣球和重物一道勻速上升，這時(shí)它們所受重力與浮力大小相等，方向相反，發(fā)生二力平衡現(xiàn)象。當(dāng)重物脫離氣球后，運(yùn)動(dòng)進(jìn)入第二階段，這時(shí)氣球在浮力和自身重力作用下向上作勻加速直線運(yùn)動(dòng)，重物由于受重力作用并且具有勻速上升時(shí)的初速度，故將從400米高處開(kāi)始，作豎直上拋運(yùn)動(dòng)而落到地面。當(dāng)重物落地時(shí)，氣球高度等于勻速上升高度

9、與氣球在第二階段中上升高度之和。上述分析揭示出的潛在情景是解題所不可缺少的。它既包括對(duì)現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理的深層分析，也包含對(duì)某些新數(shù)量關(guān)系的揭示。這種潛在情景和題述的初始情景合起來(lái)組成問(wèn)題的定解情景。人們通常所講的“分析物理過(guò)程”，也就是指揭示潛在情景，使認(rèn)識(shí)由初始情景擴(kuò)充到定解情景的過(guò)程。很明顯這個(gè)利用初始情景和相關(guān)知識(shí)揭示潛在情景的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的思維操作過(guò)程，是學(xué)生解題思維的主要困難之一，它決不是用“邏輯推理”四個(gè)字能說(shuō)清楚的。在例題講解中，教師不僅要向?qū)W生介紹問(wèn)題的潛在情景，而且必須向?qū)W生展示分析物理過(guò)程揭示潛在情景時(shí)的關(guān)鍵步驟及其基本的思維操作方式，只有這樣才能有助于學(xué)生學(xué)會(huì)分析、解決問(wèn)題

10、，才能做到既符合教學(xué)的物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)又符合教學(xué)心理標(biāo)準(zhǔn)。三、問(wèn)題的相關(guān)知識(shí)域和啟發(fā)因子解題過(guò)程首先是一個(gè)思維過(guò)程，而這種思維又是以問(wèn)題同相應(yīng)知識(shí)、技能的結(jié)合為條件的。離開(kāi)一定的知識(shí)，解題就不可能進(jìn)行。一定的計(jì)算題運(yùn)用一定的物理知識(shí)（概念、公式），不同的問(wèn)題一般要運(yùn)用不同的知識(shí)。被運(yùn)用的概念、公式中，有的隸屬于課本上的這一篇（章）范圍，有的隸屬于另一篇（章）范圍。可見(jiàn)，一定的問(wèn)題總是同某幾個(gè)或一個(gè)局部的知識(shí)區(qū)域相聯(lián)系，而與此外的其他知識(shí)沒(méi)有直接聯(lián)系。我們把這種與某一個(gè)問(wèn)題的求解有直接關(guān)聯(lián)的知識(shí)范圍叫做該問(wèn)題的相關(guān)知識(shí)域。如例1，就只與運(yùn)動(dòng)定律和直線運(yùn)動(dòng)兩個(gè)章有關(guān)系，與課本上的其他大多數(shù)章的知識(shí)無(wú)關(guān)，

11、運(yùn)動(dòng)定律和直線運(yùn)動(dòng)兩個(gè)章是該問(wèn)題的相關(guān)知識(shí)域。一個(gè)綜合性計(jì)算題的相關(guān)知識(shí)域通常由課本上的幾個(gè)章范圍內(nèi)的知識(shí)組成。而一個(gè)最簡(jiǎn)單問(wèn)題的相關(guān)知識(shí)域可能就是某一個(gè)節(jié)。問(wèn)題的相關(guān)知識(shí)域越寬廣，問(wèn)題就越復(fù)雜。解題中，尤其在學(xué)生獨(dú)立求解復(fù)雜的綜合題時(shí)，判明問(wèn)題的相關(guān)知識(shí)域具有重要意義，這樣做能使解題者擺正思考和回憶的方向，也有助于學(xué)生變換考察問(wèn)題的角度。有時(shí)人們說(shuō)某個(gè)人的解題“方向”不對(duì)，這里的“方向”實(shí)際上就是指的相關(guān)知識(shí)。當(dāng)我們把同一個(gè)問(wèn)題與不同知識(shí)區(qū)域相聯(lián)系時(shí)，就形成不同的思考方向。正確選定相關(guān)知識(shí)域，可以使我們從龐大的知識(shí)儲(chǔ)備中排除大量的無(wú)關(guān)部分，而把思維局限到狹小得多的相關(guān)知識(shí)域中去，這就大大簡(jiǎn)化

12、了進(jìn)一步分析現(xiàn)象、選用公式的思考過(guò)程。正確選定的相關(guān)知識(shí)域能把思考引向成功，反之則會(huì)引向失敗。如果解題者在思想上對(duì)題的相關(guān)知識(shí)不明確、含糊不清，那么思考就會(huì)在大方向上搖擺不定，陷入盲目猜、試的狀態(tài)。解題過(guò)程中，當(dāng)解題者仔細(xì)審題之后，總是會(huì)自然的聯(lián)想到一些相關(guān)的知識(shí)。如果說(shuō)被聯(lián)想到的知識(shí)是聯(lián)想的終止點(diǎn)，那么這個(gè)聯(lián)想的起始點(diǎn)在哪里呢？這個(gè)激起聯(lián)想的起始點(diǎn)究竟是整個(gè)的問(wèn)題呢還是問(wèn)題中的某些句子成分呢？教材的敘述體系中，每一個(gè)章（篇）都討論一些特定的物理實(shí)物對(duì)象、物理現(xiàn)象、概念和公式、定律。在同一章內(nèi)的這些內(nèi)容之間有著一種特別密切的直接聯(lián)系，正是這些直接的聯(lián)系，使它們形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的整體。值得注意的

13、是，在每一章內(nèi)都有那么一系列的概念和實(shí)物對(duì)象是僅僅為這一（兩）個(gè)章所獨(dú)有的，它們只在這一（兩）個(gè)章中被研究，只同一、二種基本物理現(xiàn)象發(fā)生直接聯(lián)系。當(dāng)這種僅僅隸屬于某一（兩）個(gè)章范圍的物理概念或?qū)嵨飳?duì)象在問(wèn)題中出現(xiàn)時(shí)，我們稱(chēng)它為該問(wèn)題的啟發(fā)因子。每一個(gè)啟發(fā)因子都只同某一、兩章的知識(shí)相對(duì)應(yīng)有聯(lián)系。在綜合計(jì)算題的求解中，尤其當(dāng)我們面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題而又無(wú)從下手的時(shí)候，啟發(fā)因子對(duì)解題思考有重要的啟發(fā)提示作用，它能反映出解題過(guò)程在運(yùn)用知識(shí)方面的特征，能指引我們從龐大的知識(shí)貯備和經(jīng)驗(yàn)貯備中有選擇地提取出相關(guān)部分，為解題提供重要線索。當(dāng)某個(gè)啟發(fā)因子在問(wèn)題中出現(xiàn)時(shí)，就預(yù)示著它所對(duì)應(yīng)的知識(shí)域內(nèi)的概念、公式可能要用于當(dāng)

14、前問(wèn)題的求解。例如，當(dāng)問(wèn)題中有“電場(chǎng)”這個(gè)實(shí)物概念出現(xiàn)時(shí)，它能表明問(wèn)題求解與“電場(chǎng)”一章的知識(shí)有關(guān)，能指示我們從電場(chǎng)的角度去考察問(wèn)題，可以進(jìn)一步聯(lián)想到電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)差、電場(chǎng)力的功、場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)差的關(guān)系等與電場(chǎng)有直接聯(lián)系的知識(shí)和解題經(jīng)驗(yàn)。在簡(jiǎn)單的計(jì)算題中，各個(gè)啟發(fā)因子恰好屬于一個(gè)知識(shí)域（章、節(jié)），因而易于確定解題方向和方法，這時(shí)題的相關(guān)知識(shí)域比較窄。在復(fù)雜的綜合計(jì)算題中，常有許多個(gè)啟發(fā)因子存在，并且其中的某幾個(gè)隸屬于這一個(gè)章，另幾個(gè)又隸屬于別的章。這時(shí)，可以把隸屬于同一個(gè)章的啟發(fā)因子看成一個(gè)啟發(fā)單元，根據(jù)啟發(fā)單元能夠更為可靠的判定問(wèn)題的相關(guān)知識(shí)域，更加有效的選擇考察問(wèn)題的角度。一個(gè)綜合題常包含幾個(gè)

15、啟發(fā)單元，每一個(gè)單元都聯(lián)系著一個(gè)對(duì)應(yīng)的相關(guān)知識(shí)域。幾個(gè)這樣的相關(guān)知識(shí)域合起來(lái)，就構(gòu)成問(wèn)題的總相關(guān)知識(shí)域。例2一個(gè)U形導(dǎo)體框架，寬L=1米，所在平面與水平面交角0=30。，電阻可忽略不計(jì)。設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)與框架平面垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2特斯拉。今有一條形導(dǎo)體ab,質(zhì)量m=0.2千克，有效電阻R=0.1歐，跨放在U形框架上能無(wú)摩擦地滑動(dòng)，求導(dǎo)體ab下滑的最大速度。本例是一個(gè)復(fù)雜的綜合題，如果解題者初次接觸，將會(huì)難以入手。這時(shí)可以首先從題的陳述中挑出各個(gè)啟發(fā)因子，組成啟發(fā)單元，判明各個(gè)相關(guān)知識(shí)，以便明確思考的方向。本例的啟發(fā)因子包括如下的實(shí)物概念和物理量：導(dǎo)體（U形的與條形的）、電阻R、勻強(qiáng)磁場(chǎng)、磁感

16、應(yīng)強(qiáng)度以及力學(xué)量質(zhì)量、最大速度。此外對(duì)動(dòng)變特征的描述“無(wú)摩擦”“滑動(dòng)”也具有啟發(fā)意義。上述啟發(fā)因子中，導(dǎo)體和電阻R二者組成隸屬于電流一章的啟發(fā)單元，它在本題中的出現(xiàn)表明穩(wěn)恒電流一章的知識(shí)是本題的一個(gè)相關(guān)知識(shí)域。它還表明求解本題時(shí)應(yīng)當(dāng)從電路、電流的角度去加以考察，要運(yùn)用其中的某些概念、公式才能求解本題。啟發(fā)因子勻強(qiáng)磁場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)兩章有直接聯(lián)系，可視為隸屬于這兩章范圍的啟發(fā)因子，這個(gè)啟發(fā)單元表明這兩個(gè)章是本題的另一相關(guān)知識(shí)域。動(dòng)力學(xué)量質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)學(xué)量速度以及特征描述“無(wú)摩擦”、“滑動(dòng)”組成另一個(gè)啟發(fā)單元。在不涉及功、能概念的情況下，可初步判定同這個(gè)啟發(fā)單元相聯(lián)系的是力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)定律和直線運(yùn)動(dòng)兩個(gè)章內(nèi)的知識(shí)。由上述的分析可以初步看出本例是涉及穩(wěn)恒電流、磁場(chǎng)電磁感應(yīng)及運(yùn)動(dòng)定律三個(gè)知識(shí)域的綜合題，應(yīng)當(dāng)從幾種不同的角度去考察題述的物理現(xiàn)象，從幾個(gè)不同的知識(shí)區(qū)域去選取合適的計(jì)算公式。有了上述的準(zhǔn)備步驟之后，解題的大方向就變得明確起來(lái)，這對(duì)于進(jìn)一步