摘要：問題圖式與問題解決是相互影響，問題解決的過程就是篩選合適的問題圖式的過程。本文以“輕彈簧”模型為例，運(yùn)用問題圖式理論進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，解決彈簧關(guān)聯(lián)物的位移一類問題，闡述如何幫助學(xué)生建構(gòu)物理問題圖式。

關(guān)鍵詞：問題圖式;問題解決;彈簧模型

一、前言

如今，“核心素養(yǎng)”儼然成為教育界中的熱點(diǎn)。物理學(xué)作為一門科學(xué)學(xué)科的性質(zhì)在很大程度上取決于它所使用的現(xiàn)實(shí)模型，而科學(xué)思維包括基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過程和分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化。在物理教學(xué)中，學(xué)生較弱的問題解決能力是一個(gè)突出的問題。為了克服這一困難，大多數(shù)教師試圖選擇“題海戰(zhàn)術(shù)”，讓學(xué)生通過多做題練習(xí)而領(lǐng)悟其中的方法。然而，學(xué)生沒有習(xí)得一類問題的本質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，缺乏解決這類問題的知識和策略。因此，當(dāng)學(xué)生面對新情境的習(xí)題時(shí)，無法在認(rèn)知結(jié)構(gòu)中找到符合其結(jié)構(gòu)特征的圖式來有效解決問題。這對于培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力的成效不大。本文以“輕彈簧”模型教學(xué)為例，運(yùn)用問題圖式理論幫助學(xué)生提高對該類型的物理問題解決的能力。

二、問題圖式概述

問題圖式，指的是在經(jīng)歷解決大量本領(lǐng)域常規(guī)問題的過程中，專家形成了針對領(lǐng)域中特定類型問題解決的一種整體性表征方式。具體來說，它將解決某類問題所需的陳述性知識和程序性知識包括與問題類型有關(guān)的原理、概念、關(guān)系、規(guī)則和操作程序構(gòu)成的知識綜合體，與成功解決問題密不可分。物理學(xué)科中對問題圖式的研究非常多，齊（M.T.Chi）等人提出，專家和新手的主要區(qū)別在：專家的圖式除了有大量的陳述性知識外，還有程序性知識，明確相關(guān)問題的結(jié)構(gòu)特征;新手的圖式僅有大量的相關(guān)物理問題的陳述性知識，缺乏抽象的解決方法。[2]所以，專家能更加高效地解決問題?？傊瑔栴}圖式主要包含三方面內(nèi)容：問題特征，某一特定類型問題的內(nèi)在本質(zhì)結(jié)構(gòu)特征;知識，解決此類問題所必需的專業(yè)領(lǐng)域知識;策略，解決此類問題的特定策略，主要是針對該類問題有效的強(qiáng)方法。[3]以力學(xué)問題為例，專家在解決一定量的力學(xué)問題后，推測專家形成以下的針對力學(xué)問題解決的圖式，[4]如表1所示。

問題圖式和問題解決是相互影響的。問題圖式不僅作用于問題表征直至問題的解決，反過來，問題解決也是促進(jìn)問題圖式的獲得。解決者對問題進(jìn)行物理表征時(shí)總是先從長時(shí)記憶中提取與相應(yīng)問題相似的問題圖式，問題解決的過程基本就是篩選合適的問題圖式的過程。[5]當(dāng)學(xué)生面對一個(gè)具體問題情境時(shí)，首先對問題進(jìn)行表征，分析問題的起始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，了解問題的要求和約束條件，發(fā)現(xiàn)它們之間的聯(lián)系，進(jìn)而建構(gòu)問題空間，從長時(shí)記憶系統(tǒng)中的原有問題圖式或知識結(jié)構(gòu)中提取有關(guān)信息，將當(dāng)前問題和原有問題圖式進(jìn)行結(jié)合。而在問題解決過程中，問題圖式又得以修正、概括化和精細(xì)化，進(jìn)而形成新的問題圖式。[6]

三、“輕彈簧”模型的問題解決教學(xué)

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)說明

本節(jié)課以運(yùn)用胡克定律求解輕彈簧關(guān)聯(lián)物的位移問題的問題圖式為教學(xué)目標(biāo)，圍繞問題圖式的習(xí)得和應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過提供典型的樣例給學(xué)生嘗試練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)，構(gòu)架此類問題的圖式，再通過變式練習(xí)，使學(xué)生在具體情境中辨別此類問題的本質(zhì)特征，鞏固此類問題的解決方法。

（二）教學(xué)案例分析

【教學(xué)內(nèi)容】彈簧關(guān)聯(lián)物的位移一類問題的解決

【教學(xué)過程】

教學(xué)環(huán)節(jié)一：樣例學(xué)習(xí)

師：前面學(xué)習(xí)完彈力和胡克定律，我們發(fā)現(xiàn)試題當(dāng)中涉及到胡克定律都離不開彈簧模型，那今天我們先來解答彈簧關(guān)聯(lián)物的位移這一類問題。請同學(xué)們先嘗試完成下面一道例題。

例1：如圖所示，豎直放置在水平面上的勁度系數(shù)為k的輕彈簧上疊放著兩物塊P、Q，它們的質(zhì)量均為m，均處于靜止?fàn)顟B(tài)。若將物塊P緩慢提起直到與物塊Q分離。求物塊Q上升的位移。

（學(xué)生思考，嘗試解答，然后教師分析解決。）

師：完成上一道例題，請同學(xué)們完成接下來的一道習(xí)題。

例2：如圖所示，質(zhì)量分別為M1和M2的1、2兩物體，用勁度系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧相連，處于靜止?fàn)顟B(tài)?，F(xiàn)對物1施以豎直向上的恒力F，并將其緩慢提起，當(dāng)物2對地恰無壓力時(shí)撤去F，物體1由靜止向下運(yùn)動(dòng)至最大速度時(shí)，求物1下落的位移。

（在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生思考分析并解決。）

教學(xué)環(huán)節(jié)二：彈簧關(guān)聯(lián)物的位移問題的問題圖式的習(xí)得

（1）學(xué)習(xí)解決此類問題的方法

師：前面我們求解了兩道問題，請同學(xué)們思考，解決這兩道題所用的方法有什么特點(diǎn)？

生1：都用了胡克定律進(jìn)行求解。

生2：先分析物體的初末狀態(tài)，利用題干給出的臨界條件（如兩物塊剛好分離、物塊恰好對地?zé)o壓力等）進(jìn)行列式。

生3：如果初末狀態(tài)的彈簧都是壓縮或者拉伸的，將兩個(gè)狀態(tài)的彈簧形變量直接作差;如果彈簧是由拉伸到壓縮或者由壓縮到拉伸的狀態(tài)，將兩個(gè)狀態(tài)的彈簧形變量求和。

師：分析以上兩道題的求解過程，其實(shí)就是彈簧的彈力變化量和彈簧的實(shí)際形變量的關(guān)系。解這類問題時(shí)，一般先理清初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的彈簧的彈力變化，注意彈力方向的改變，由胡克定律可得彈簧關(guān)聯(lián)物的位移Δx=ΔF/k。

（2）分析此類問題的本質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

師：我們分析完這兩道題的方法，那這兩道題在研究對象、運(yùn)動(dòng)過程和形式上有什么相同的地方嗎？

生1：都涉及兩個(gè)物體和一根彈簧，末狀態(tài)至少有一個(gè)物體與彈簧關(guān)聯(lián)。

生2：物體和彈簧關(guān)聯(lián)的起始位置和問題的終止位置并不是彈簧的原長，往往是已經(jīng)發(fā)生形變的位置。

生3：待求量是彈簧關(guān)聯(lián)物的位移。

師：以上幾位同學(xué)分析得很好，觀察得很仔細(xì)，將以上的分析綜合起來就更全面了。

（3）學(xué)習(xí)并形成解決此類問題的圖式

教師分析概括，并板書：

教學(xué)環(huán)節(jié)三：圖式的運(yùn)用

師：通過練習(xí)前面兩道習(xí)題以及老師的分析，請同學(xué)們完成下面兩道題。

練習(xí)1：如圖所示，兩木塊的質(zhì)量分別為m1和m2，兩輕質(zhì)彈簧的勁度系數(shù)分別為k1和k2，上面木塊壓在上面的彈簧上（但不拴接），整個(gè)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)?，F(xiàn)緩慢向上提上面的木塊，直到它剛離開上面彈簧。在這過程中下面木塊移動(dòng)的距離為（ ）

練習(xí)2：用勁度系數(shù)為k的輕彈簧把質(zhì)量均為m的木板A、B連接組成如圖所示的裝置，靜置于水平地面上，A板在上，B板在下?，F(xiàn)用一個(gè)豎直向下的恒力F將木板A緩慢壓到P點(diǎn)，撤去F后，A向上運(yùn)動(dòng)，在以后的運(yùn)動(dòng)過程中能使B板恰好離開地面。求在這過程物體A上升的位移。

【評析】

本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是幫助學(xué)生習(xí)得解決輕彈簧關(guān)聯(lián)物的位移問題的問題圖式。

在環(huán)節(jié)一中，學(xué)生嘗試自己解決同類型中的兩道習(xí)題，并在教師的引導(dǎo)分析下，學(xué)生從中經(jīng)歷了正確解決該類問題的思路和方法。心理學(xué)家認(rèn)為，要在頭腦中形成一定的圖式，至少要學(xué)習(xí)兩個(gè)圖式的例子。所以在環(huán)節(jié)一中，本文選擇了兩道同類型的例子（壓縮-壓縮和拉伸-壓縮）讓學(xué)生練習(xí)。

在環(huán)節(jié)二中，通過方法教學(xué)，學(xué)生從中觀察、思考，有意義地掌握此類問題解決的方法;接著通過提問，讓學(xué)生對問題的本質(zhì)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，為學(xué)生形成解決此類問題的圖式做準(zhǔn)備;最后在黑板呈現(xiàn)此類問題的圖式，學(xué)生更為深刻地習(xí)得解決此類問題的圖式。

在第三環(huán)節(jié)中，在學(xué)生習(xí)得此類問題的圖式后，給予學(xué)生一定量的同類卻不同情境的問題進(jìn)行圖式的運(yùn)用，促進(jìn)該類問題的圖式儲存在學(xué)生的長時(shí)記憶系統(tǒng)中。

四、結(jié)語

問題圖式作為一種知識結(jié)構(gòu)，能幫助學(xué)生有效解決特定類型的物理問題。學(xué)生如果習(xí)得解決特定類型問題的方法，那么在面對同一類的新問題時(shí)，能在識別出問題的本質(zhì)結(jié)構(gòu)特征后，有比較明確的思路引導(dǎo)，進(jìn)而一步一步地解決問題。然而，在沒有習(xí)得該類型問題的圖式的情況下，學(xué)生在面對該領(lǐng)域的新問題時(shí)，首先要分析解題的思路，但是這種情況下解決問題的效率是很低的，甚至有可能一步也解決不了。所以在教師的教學(xué)過程中，根據(jù)問題具有的一些結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行歸類，注重幫助學(xué)生構(gòu)建問題圖式，并引導(dǎo)學(xué)生對圖式進(jìn)行運(yùn)用，從而脫離題海。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹嘉宇，吳春生.物理學(xué)科核心素養(yǎng)之解決問題指向性培養(yǎng)——彈簧類問題的特點(diǎn)及解決方法[J].牡丹江教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（03）：118-119.

[2]皮連生.智育心理學(xué)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2000.

[3]陳剛，朱曉波.論科學(xué)課程問題解決的教學(xué)[J].教育科學(xué)研究，2011（05）：57-60.

[4]謝柳.基于問題圖式的物理問題解決障礙診斷及對策研究[D].華東師范大學(xué)，2012.

[5]廖元錫，龍志明.物理問題解決過程的兩種思維方式——問題表征和圖式[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001（04）：94-98.

[6]陳剛，舒信隆.問題圖式在物理問題解決教學(xué)中的應(yīng)用[J].課程.教材.教法，2009，29（07）：57-61.

作者簡介：林慧金（1995——）女，漢族，廣東茂名人，單位：廣東省深圳市新安中學(xué)（集團(tuán)）外國語學(xué)校，碩士，中學(xué)二級教師，研究方向：物理教學(xué)。