2023年12月26日发(作者：)
课题组学习活动 主讲人：刘崇慎
“问题解决”讲座
主持：苏永利 主讲：刘崇慎
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》战略主题的重点是面向全体学生、促进学生全面发展，着力提高学生服务国家服务人民的社会责任感、勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力，所以问题解决能力的培养是高中物理教学的重要目标之一。2014年4月1日，经济合作与发展组织（OECD）发布了PISA（学生能力国际评价测试）2012“基于计算机的问题解决测试”相关结果，有44个国家和地区参加，上海学生的问题解决能力位居第六。下面，我从问题解决的心理学内涵、问题解决的研究简史、问题解决的学科应用和问题解决的专家视角这四个方面向大家汇报。
一、问题解决的心理学内涵
1.问题
格式塔心理学家卡尔•登克尔在1945年提供的问题定义至今仍然可以采用，他说：“当一个有机体有个目标，但又不知道如何达到目标时，就产生了问题。”这个定义包含了如下三个要点。第一，实验者设定的实验任务，对于一个特定的被试不一定是个问题。实验任务是否构成问题，依赖于被试的知识及使用相关知识的能力。第二，如果一个人改变了目标，该问题就不再存在，或者不用解决。第三，只有当这个人辨别出他的目标与他所处情境的差异时，才真正形成问题。
可见，“问题”是一种相对存在，问题有目标指向性。从现代认知心理学的观点来理解，问题不是发问或提问，而是指存在着至少一种目标，然而却尚未找到达成目标的途径这样一种心理状态。问题包含三个基本成分：一是初始状态，即给定的条件；二是目标状态，即问题的答案；三是中间状态，即找到答案必须经历的思维活动。
2.问题解决
问题解决则是一系列的有目的指向性的认知操作活动过程，这是认知心理学家公认的问题解决定义。该定义包括三点：一是问题解决具有目的指向性；二是问题解决是一系列的操作，问一个成“1+1=？”，他立即就能说出来，这算不上问题解决；三是这种操作必须是认知操作，也就是说问题解决本质上是一种思维活动。现代信息加工心理学将问题解决分为以下几个阶段：形成问题空间、确定问题解决的策略、应用算子和评价当前状态。纽厄尔和西蒙（1972）认为问题表征（问题表征是问题解决者在头脑中以某种理解来呈现问题）构成了问题空间
问题表征是由问题解决者先前的知识以及知识的结构所决定的，所以问题解决者要形成正确的问题空间，需要形成相应的问题图式（图式就是围绕某个主题组织起来的认知框架或认知结构，它是一些观念和关系的集合）。问题解决的策略包括问题解决的方法、计划或思路。算子是解决该问题所需的必要技能。中国心理学界在研究各种观点之后一般倾向于把问题解决的通用思维过程分为发现问题、明确问题、提出假设和检验假设四个阶段。
二、问题解决的研究简史
课题组学习活动 主讲人：刘崇慎
作为一种学校教学模式，基于问题解决的学习在20世纪50年代中期就开始出现在美国医学教育中，但它的正式提出是在1980年美国数学教师协会的《关于行动的议程》一文中，议程强调“问题解决必须处于学校数学教学的中心”，并给出了一些以问题解决为中心的课程和许多具体实施建议。
新加坡小学数学教学大纲突出强调问题解决的作用，明确指出“通过数学问题解决发展他们的数学思维和推理技能”。日本中小学教学中已基本形成了比较稳定的问题解决学习模式，通过问题解决，学习历史、地理、国语和各种理科知识，从教材的开发和编制都服从于学生问题解决的实际情况。
在我国，从孔子的启发式教学中可以看出问题教学的影子。到了近代，陶行知受杜威的影响，大力提倡生活教育，在我国形成了一定的影响。尽管实践中已经存在着问题解决教学的思想，但明确提出问题解决教学却是在20世纪90年代初。
目前，我国开始注重对问题解决学习的研究，从理论到实践都有可喜的发展。理论上，在基于问题解决的学习的机制、条件、途径、模式等方面都有较深入的研究。实践上，广大教师开始将基于问题解决的学习理论自觉地用于课堂教学中，发表了一系列的研究文章。
但是总的来说，我国的研究基础比较薄弱，研究水平与国外相比有明显的差距，主要表现为：基于问题解决的学习主要处于理论研究阶段，研究成果主要是引进的国外的理论，没有本土化，缺乏自己的理论体系；针对学科问题解决的研究不均衡。
较为详细的问题解决的心理学研究历史，大家可以阅读中央财经大学辛自强教授于2004年发表在《首都师范大学学报：社科版》第6期的文章《问题解决研究的一个世纪：回顾与前瞻》。
三、问题解决的学科应用
人大复印资料《中学物理教与学》曾在2011年第8期以专题形式刊登过关于“问题解决”教学研究的代表性文章。专题的“编者按”这样写道：问题解决在国际物理教育界受到普遍的重视，把它和物理课程紧密联系起来，已是国际物理教育的一个趋势。问题解决能力的培养是物理教学的重要目标之一，我国物理新课标申明确要求学生应具有“分析解决问题的能力”。加强物理问题解决及其思维训练的研究，不仅有利于提高课堂教学质量和效率，更有利于学生个体的可持续发展。通过两年的研究，我们课题组把问题解决引入课堂，对高中物理问题解决课堂教学模式进行了一些肤浅的探讨。
1．高中物理问题解决课堂教学模式的图示
根据初步理论研究和课堂教学的实践研究，我们构建了适合高中物理课堂教学的“问题解决”课堂教学模式，模式图示如图所示。
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该模式的教学过程包含学生、教师和问题这三个要素，其中问题这一要素是向学生呈现物理情境的载体，经过问题解决的五个阶段和三个要素的相互作用，实现学生认识上的飞跃。
这是一种既发挥教师主导作用又能充分体现学生认知主体作用的教学模式，属于阎金铎、田世昆教授所推崇的符合当前素质教育以人为本理念的“双主模式”，他们认为高中物理课堂教学设计应以这种“双主模式”为主。
2．高中物理问题解决课堂教学模式的思想
以问题为主线，坚持学生的主体地位，充分发挥教师的主导作用，使学生在创设的问题情境中，产生学习的需要，主动探究、亲身体验、善于合作与交流，旨在通过问题解决，建构知识，培养思维能力，开发潜能，提升探究能力。
3．高中物理问题解决课堂教学模式的操作说明
（1）选择问题
教师依据教学目标选择问题，创设师生共有的问题情境，使学生产生解决问题的期待，能够使学生做出合理的假设与猜想，并为师生、生生间的有效交流搭建平台。教学中所选择的问题应符合“可行性、有价值、情境化、有意义、道德的，即驱动性问题”。
（2）表征问题
表征物理问题是在头脑中建构物理情境，可以运用文字、图象、图表、模拟实验等方法简化对问题的思考，让问题研究的对象、状态过程清晰显现出来，让问题明朗化、模型化，理顺物理问题的复杂关系。
（3）提出假设
学生在表征问题之后，根据生活、知识经验提出假设。提出假设的过程不是盲目的，它应该是学生有推理有逻辑的思维过程，这是有意义解决问题的一个重要条件，也是培养学生创新思维的过程。学生可以通过自主学习或合作学习提出假设。
（4）检验假设
学生可以利用实验、逻辑推理检验假设。如果假设正确，问题将得以解决，反之，就要进行提出假设→检验假设的反复操作，甚至重新表征问题。
（5）交流评价
在自我评价、小组交流和教师指导下，学生将自己的活动作为意识对象进行监控与控制并积极调节自己的行为，甚至改建自己的知识结构，这个过程还包括思维水平的发展与科学思维方式的形成。教师对学生的评价要注重学生问题解决的过程，要对学生的参与程度、参与积极性、对集体的贡献进行评价，不把评价仅放在结果上。
【案例】 “实验：探究加速度与力、质量的关系” （人教版高中物理必修1第四章“牛顿运动定律”第2节）
（1）选择问题 探究加速度与力、质量的关系。
（2）表征问题 教师搭建脚手架，通过生活中的问题或小实验，让学生感受物体的加速度与受力、质量有关，并发现当物体的质量一定时，作用力大，物体的加速度大；当物体的受力一定时，质量大的物体加速度小。
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（3）提出假设 引导学生猜想加速度的大小与合外力、物体的质量的定性关系。
（4）检验假设 利用控制变量法，让学生独立设计实验方案来验证假设：①m一定，探究 a、F的关系；②F一定，探究a、m或a、1/m的关系。并让学生将自己设计的实验方案带到小组内进行讨论，可以通过逻辑推理来间接检验实验方案中对质量、加速度、合力这三个物理量的测量情境的假设，形成较为成熟的、可行的实验方案。
（5）交流评价 让学生在小组内交流分享在问题解决过程中经历的成功与失误、体验与反思。教师可以根据学生的课堂表现，评选出优秀学习小组。
4．高中物理问题解决课堂教学模式的设计原则
（1）主导性与主体性
教师要坚持学生处于课堂教学的主体地位，从问题的提出、表征、解决都要求学生积极参与，教学策略的选择、实施和运用也必须尊重学生的主体地位，发挥他们的主体作用。另外，充分发挥学习小组的作用，让学生共同承担起责任和任务，建立多边多向的交流和合作共建关系，满足学生自主学习和有差异学习的需要，使每一位学生都能参与到学习过程中来。只有充分发挥学生学习的自主性，教师的主导作用才能真正落实到位。
（2）探究性与有效性
以问题为主线，激发学生开展探究学习，追求物理学习的有效性。需要注意的是，必须纠正教学中过度追求重复人类发现过程而使学习效率低下甚至严重偏离教学目标的现象，有人认为“数学教学活动中的数学活动过程更多的是含有‘复制’性质的‘再创造’，而不是‘原始’性质的‘创造’”，物理教学亦然。
（3）预设性与生成性
预设性对教学的实施起定向、导航作用，它可以避免学习活动的形式化和严重偏离目标的现象；如果预设性太强，也会出现教师“牵着”学生走的现象。教学的生成性要求为学生提供可选择的内容以及多层次、多类型的物理活动，以满足学生对不同学习内容和学习过程的需要，展示个体的思维特点及创造力。预设性通常体现在问题解决的目标规划和宏观定向方面，生成性则发生在具体问题的认知解决过程中。
常规解法都是通过转换研究对象，先分析磁铁对通电导电的作用力，然后根据牛顿第三定律判断出磁铁受到导线的作用力竖直向下，对桌面的压力增大。
突然一位学生举手询问：为什么要转换研究对象？以磁铁为研究对象难道就不可以解题吗？
突如其来的质疑激起了每一位学生的沉思，很快一位学生展示了他的思考：先画出磁铁所处空间的通电导线产生的一根磁感线，如图所示，然后根据磁场知识得知，磁铁N极受力方向与磁场方向相同，S
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极受力方向与磁场方向相反，所以磁铁受到通电导线的磁场力的合力竖直向下，磁铁对桌面的压力增大。
真是“神来之笔”，所有学生被这样的精彩解释所鼓舞、感染，也有学生同时提出：如果通电导体不在磁铁的正上方，这种方法还适用吗？这些问题在学生间产生了共鸣，课堂气氛一下子高涨起来，学生的讨论也愈加激烈。学生的创新潜能也就在这不经意间得以开发。所以，物理教师应该善于抓住这些即时生成的教学契机，通过适当点拨让学生的思维细节更加缜密，思维视角更加宽广而发散，思维方法更加丰富而独特，让学生的创新潜能破冰前行。
5．基于问题解决的高中物理思维教学
基于问题解决的教学坚持学生的主体地位，强调问题解决过程本身的价值，重视学生的经验和体验，力图通过对话和活动提高学生的问题解决能力。问题解决本质上是一种思维活动，所以问题解决的过程就是思维发展的过程。美国心理学家斯滕伯格教授认为思维可以划分为分析性思维、创造性思维和实用性思维，即三元思维模式。
（1）更新教学观念——坚持学生的主体地位
在思维教学中，教学策略的选择、实施和运用必须尊重学生的主体地位，发挥他们的主体作用。教师要做苏格拉底所说的“助产士”，而不做“产妇”。 在问题解决的过程中，教师要坚持学生的主体地位，让学生通过活动真正地学会思维。（突出学会，而不是教会）
（2）优化教学过程——以问题解决为载体
教师应该指导学生的问题解决过程，教给学生问题解决的策略，帮助学生归纳、总结问题解决的策略方法，使学生掌握基本的策略并形成问题解决的意识，培养学生发现问题和解决问题的能力。
教师可以结合斯滕伯格提出的思维教学的四步策略和问题解决的四个阶段，在教学过程中促进学生各种思维的发展。发现问题是问题解决的开始，也是人们思维活动的开始。发现问题的能力是个体思维发展水平的重要标志，取决于主体活动的积极性、主体的求知欲望和主体的知识经验。
在学生解决问题的过程中，教师可以采用四步教学法有效地进行思维教学。
第一步：学生自主学习。
教师应该在坚持学生主体地位的基础上，激发学生的学习兴趣，促进学生的思维发展。学生自主学习时，会经历问题解决的表征问题、提出假设和检验假设这三个阶段，可以有效地训练学生的三元思维。
第二步：组内合作学习。
课题组学习活动 主讲人：刘崇慎
教师要组织有效的合作性学习，首先要将不同性别、学习能力和性格的学生分在同一小组内，形成一种差异互补的异质分组。
学生在自主学习的基础上，全组成员坐在一起讨论问题的解决，教师只是作为旁观者，对讨论不做任何干预。教师鼓励学生运用各种程序和策略来解决问题，学生可以通过组内合作学习解决自主学习中没能弄懂的问题，可以对解决问题的思路、方法进行辩论。讨论结束后，每组可以推选一位发言人，发言人的发言应该代表整个学习小组的意见，师生对发言人的评价也就是对这个小组的评价。
第三步：组间交流评价。
小组发言人代表小组在全班展示交流小组合作学习的成果及存在的问题。通过师生、生生互评，教师引导学生归纳、提炼教学内容的重点、规律和解题思路、方法、技巧等，突出易错、易混、易漏的知识薄弱点。教师组织学生开展优秀学习小组的评比，则能鼓励学生尽其所能地思考，提高团队和自己的思维品质。
教师要保证小组学习的时间，让学生之间尽情、深入的交流、对话。通过组内、组间的小组学习，学生的各种思维火花进行了激烈的碰撞，激发了学生的创造性思维。
第四步：学生巩固提升。
学生再次通过自主学习，头脑内部再现组内、组间的辩论过程，相当于让学生进行对话，和同学对话，和老师对话，也和自己对话。学生的对话会平衡分析性、创造性和实用性思维技巧，因此也会融合各种思维模式，找到最好的问题解决办法，从而实现学生知识、能力、思维的生成。
（3）重构教学评价——重视形成性评价
教师应该对形成性评价和终结性评价给予同等重视，使学生的发展变化过程成为评价的重要组成部分。教师则充当的是学生学习的促进者、合作者，学习评价的指导者。物理教师可以在教学过程中采用多样的开放式的评价方法，如采用笔试、实验操作、活动表现评价等方式评价学生。
教师应该以学习小组为抓手，要求学习小组组长及时记录学生在组内合作学习和组间交流评价时的表现。同时，教师也应该鼓励每位学生参与学习过程的评价，积极进行自评和互评，这样不仅有利于教师对学生进行形成性评价，还有利于学习小组的建设，有利于学生正确认识自我、评价自我、完善自我、发展自我。
对学生物理学习的评价不仅包含对课程三维目标的评价，还应该包括对个性化思维与实践能力的评价。对学生个性化思维的评价可使每个学生的个性特长得到充分的张扬和表现。对学生实践能力的客观评价则有利于增强学生将知识应用于生活的意识，积极思考实际问题的解决，发展实用性思维。
四、问题解决的专家视角
下面介绍涉及物理学科的专家关于问题解决的部分研究成果。
1.关于口语报告研究物理问题解决的表征
西南大学廖伯琴教授（1999）基于对物理问题解决表征体系特征的研究，用口语报告法，对不同数理基础的被试在解决物理问题过程中表征体系的动态特征差异进行了实证性研究。结果证明，数理基础扎实的被试，其物理问题解决表征体系的动态特征优于数理基础一般和数理基础差的被试。廖教授
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（2000）用口语报告法, 对不同智商水平的被试在解决物理问题过程中表征体系的动态差异进行了实证性研究。
结果证明，问题解决者的综合智商不显著影响其对物理问题表征体系文字表征的构建，但是高、中等综合智商被试在物理和数学表征层次的所占时间差异显著。问题解决者的操作智商对物理问题解决表征体系动态特征的影响不显著。
2. 关于物理问题解决中状态元认知的结构
南京师范大学邓铸教授（2003）认为学生物理问题解决中的状态元认知主要包括三种成分：问题解决者的自我效能感、问题解决者的自我监测、问题表征与解决策略，状态元认知的作用与表现主要与复杂问题解决有关。
3. 关于新手和专家问题解决的比较
首都师范大学邢红军教授(2010)认为新手与专家在物理习题解决上采用了两种不同的认知加工方式——数据驱动加工与理论（概念）驱动加工。
自上而下的加工即概念驱动加工，是以科学理论与经验事实的矛盾及科学理论自身的矛盾作为科学研究的起点，其加工是以理论分析所产生的问题作为加工对象，并使加工的信息满足理论自身的一致性。自下而上的加工即数据驱动加工，是以观察及科学事实的发现作为科学研究的起点，其加工是以科学研究数据作为加工对象，并使加工信息满足现象的要求。数据驱动是一种较低水平的认知方式，物理习题的“数据”或“条件”是导致学生形成数据驱动加工方式的根本原因。邢教授认为原始物理问题解决有助于实现从数据驱动加工到概念驱动加工的转化。
有时老师做题就是概念驱动加工，华东师范大学陈刚教授(2011)认为问题图式的质量是造成专家和新手问题解决技能存在差异的根本原因。问题图式是针对领域中特定类型问题解决的一种整体性的表征方式，它允许问题解决者根据问题解决的方式对问题进行分类。
心理学家西蒙把科学发现途径归结为两类：一类是数据驱动，即科学家先收集大量数据，然后分析这些材料，找出规律性的东西，再解释这些规律；另一类是理论（概念）驱动，即科学家先提出假设性理论，然后作出预测，并根据事实来检验理论。问题图式主要包含三方面内容：特定类型问题的内在本质结构特征；解决此类问题所必需的专业领域知识；解决此类问题的策略，主要是针对该类问题有效的强方法。
4. 关于物理问题解决的影响因素研究
邢红军教授(2012)等人研究得出物理知识、物理方法、思维品质（深刻性、灵活性、独创性和批判性）是物理问题解决的影响因素。他们认为原始物理问题训练不仅能使学生学到物理知识、物理方法，而且也能很好地培养学生的思维品质。
