陳亮　陳鋒

摘? ?要：解決真實(shí)問(wèn)題是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的極佳載體，但真實(shí)問(wèn)題的開(kāi)放、復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不良等特點(diǎn)導(dǎo)致解決方案靈活多變。如何用穩(wěn)定的物理模型思維系統(tǒng)指導(dǎo)千變?nèi)f化的問(wèn)題解決？經(jīng)多年研究和實(shí)踐，將穩(wěn)定普適、有指導(dǎo)意義的系統(tǒng)化思維，采用可視化策略，以模型為中心，按認(rèn)知問(wèn)題、建立關(guān)系和創(chuàng)建路徑三個(gè)流程構(gòu)筑起問(wèn)題解決方案，極大地提升了學(xué)生的問(wèn)題解決能力，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)栴}解決；思維；可視化；物理模型

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2024）6-0015-5

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０２２年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”）指出：科學(xué)思維是建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域中的具體運(yùn)用［１］。由此可見(jiàn)，科學(xué)思維是物理課程核心素養(yǎng)中的關(guān)鍵素養(yǎng)，是學(xué)生解決物理真實(shí)問(wèn)題的必備能力。但在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生的科學(xué)思維培養(yǎng)往往存在方法欠妥、過(guò)程欠佳等問(wèn)題，具體歸納如下：（1）缺乏系統(tǒng)思維的有效引領(lǐng)。一問(wèn)一法造成多問(wèn)多法，方法一多后，又缺乏系統(tǒng)性和共通性思維的提煉和遷移，使學(xué)生難以發(fā)現(xiàn)已知信息的延伸意義，難以建立現(xiàn)有信息與欲知目標(biāo)間的關(guān)聯(lián)。（2）缺少思維訓(xùn)練的有效載體。思維訓(xùn)練需要一定的思維載體，如真實(shí)情境、模型認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)手段等。學(xué)生習(xí)慣性地依賴(lài)教師的講解以直接獲取知識(shí)或問(wèn)題解決的方案。在這一過(guò)程中，知識(shí)雖然到位了，但是能力和素養(yǎng)沒(méi)有有效跟進(jìn)。（3）缺失思維過(guò)程的有效呈現(xiàn)。在解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，學(xué)生的思維可能是混亂復(fù)雜、構(gòu)想相異的，此時(shí)最需要在教師的引導(dǎo)下，清晰呈現(xiàn)學(xué)生的思維過(guò)程和學(xué)習(xí)路徑，并在反思和互評(píng)中發(fā)現(xiàn)思維的缺陷和漏洞。但在傳統(tǒng)教學(xué)中往往丟失這一過(guò)程，學(xué)生無(wú)法“看到”自己或別人的思維過(guò)程，最后獲得一種無(wú)法遷移與應(yīng)用的惰性知識(shí)，其問(wèn)題解決能力也不能得到長(zhǎng)足進(jìn)展。

可見(jiàn)，要提升學(xué)生問(wèn)題解決能力，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，就必須在有跡可循、穩(wěn)定普適的系統(tǒng)化科學(xué)思維指導(dǎo)下，尋找問(wèn)題解決的流程和策略。本文以思維可視化為手段，探究以物理模型為中心，從認(rèn)知問(wèn)題、建立關(guān)系、創(chuàng)建路徑三個(gè)流程構(gòu)建問(wèn)題解決的系統(tǒng)思維路徑。

１? ? 問(wèn)題解決路徑的架構(gòu)

問(wèn)題解決實(shí)質(zhì)是建立從問(wèn)題的已知信息到欲知目標(biāo)的完整、嚴(yán)密的推理路徑，整個(gè)過(guò)程（圖１）通過(guò)從已知信息正向推理、從欲知目標(biāo)逆向推理獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)（推理的中間結(jié)論），再選擇合適節(jié)點(diǎn)、依據(jù)一定邏輯關(guān)系串點(diǎn)成線，形成完整的問(wèn)題解決路徑，而選擇不同節(jié)點(diǎn)串成的不同路徑，就是不同的問(wèn)題解決方案。整個(gè)過(guò)程類(lèi)似于生活中踏石過(guò)河，難點(diǎn)在于創(chuàng)建問(wèn)題解決路徑的支點(diǎn)隱蔽，需要通過(guò)一定的手段讓其顯性化，遠(yuǎn)不像已顯露在外的石塊那么容易發(fā)現(xiàn)。因此，我們將思維可視化作為問(wèn)題解決路徑設(shè)計(jì)的目標(biāo)，將物理模型作為問(wèn)題解決路徑設(shè)計(jì)的支架。

１．１? ? 以“思維可視化”為目標(biāo)

思維本身是內(nèi)隱、不可視的，通過(guò)一定的手段將不可視的思維（思維結(jié)構(gòu)、路徑及方法）轉(zhuǎn)化成清晰可視的過(guò)程，即思維可視化，具體到初中物理問(wèn)題解決中，思維可視化將隱性思維顯性化來(lái)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決規(guī)律模型化［2］。思維可視化是問(wèn)題解決路徑設(shè)計(jì)希望達(dá)成的目標(biāo)。

１．２? ? 以“物理模型”為支架

物理模型是對(duì)物理事物或現(xiàn)象的一種間接表示和表現(xiàn)，按作用分，可以分為理想模型、運(yùn)動(dòng)模型、狀態(tài)模型、概念模型等。新課標(biāo)中指出，科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，所以，在問(wèn)題解決過(guò)程中，模型建構(gòu)本身就是一種思維方式，同時(shí)也是科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等更高階思維的思維支架。通過(guò)物理模型的建構(gòu)和認(rèn)知，能有效、清晰地呈現(xiàn)學(xué)習(xí)路徑，實(shí)現(xiàn)思維可視化的目標(biāo)。

１．３? ? 問(wèn)題解決路徑的架構(gòu)流程

基于思維可視化的問(wèn)題解決，以模型為核心支架，將原本從“已知信息”到“欲知目標(biāo)”兩點(diǎn)間的路徑創(chuàng)建，變成中間有了模型作為跳板，讓“已知信息”與“欲知目標(biāo)”的關(guān)聯(lián)更加順暢，其作用類(lèi)似幾何問(wèn)題中的輔助線，大大降低了節(jié)點(diǎn)的推理選擇、串聯(lián)成徑的難度（圖2）；已知信息與欲知目標(biāo)間的過(guò)程就是問(wèn)題解決過(guò)程，該過(guò)程以物理模型為支點(diǎn)，進(jìn)一步分解為認(rèn)知問(wèn)題、建立關(guān)系和創(chuàng)建路徑三個(gè)流程（圖3），每個(gè)流程以圖示組合的方式呈現(xiàn)原本不可見(jiàn)的思維結(jié)構(gòu)、思考路徑及方法，讓每一次推理論證變得清晰簡(jiǎn)單，讓問(wèn)題解決過(guò)程變得規(guī)律化、模型化、有跡可循，從而提升學(xué)生的問(wèn)題解決能力，發(fā)展科學(xué)思維。

２? ? 問(wèn)題解決路徑的設(shè)計(jì)與實(shí)施

２．１? ? 認(rèn)知問(wèn)題的過(guò)程可視化

物理問(wèn)題在未被認(rèn)識(shí)前，是以原始問(wèn)題形式存在的，所謂原始問(wèn)題是未被分解、簡(jiǎn)化、抽象過(guò)的，能夠直接反映最真實(shí)的物理情境的現(xiàn)象或問(wèn)題，其隱含的物理知識(shí)是隱性、非直觀的，可通過(guò)建構(gòu)物理模型的方式予以顯性化表達(dá)，在建模中，其過(guò)程包括標(biāo)注轉(zhuǎn)譯信息和對(duì)比情境狀態(tài)兩個(gè)部分。

２．１．１? ? 轉(zhuǎn)譯信息的標(biāo)注

在認(rèn)識(shí)原始問(wèn)題時(shí)，首先要將問(wèn)題中隱蔽的或用生活化語(yǔ)言含蓄描述的信息轉(zhuǎn)譯為清晰直觀的、符合科學(xué)表達(dá)習(xí)慣的信息（即科學(xué)術(shù)語(yǔ)），并在問(wèn)題或模型的顯眼處予以標(biāo)注?，F(xiàn)以“冰塊浮于水”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“冰塊問(wèn)題”）這一原始問(wèn)題的認(rèn)知過(guò)程為例說(shuō)明，原始問(wèn)題如圖4所示。

分析該問(wèn)題時(shí)，如只看到欲知目標(biāo)“水面升降”，會(huì)讓人無(wú)從下手。只有將欲知目標(biāo)轉(zhuǎn)譯為“比較水面以下部分體積”，即比較“V水+V排”與“V水+V化水”，才能由“Ｖ排”得到啟發(fā)——利用阿基米德原理，由“V化水”得到啟發(fā)——利用冰塊熔化，質(zhì)量不變、密度變大的特點(diǎn)，進(jìn)而開(kāi)啟后續(xù)問(wèn)題解決，如圖5所示。同理，也還需將生活化語(yǔ)言描述的已知信息“水”“冰”“浮在水面”“冰融化”轉(zhuǎn)譯為“ρ水已知”“ρ冰已知”“漂浮狀態(tài)”“冰熔化”，才能利用已知信息進(jìn)行科學(xué)分析、推理，如圖6所示。

“轉(zhuǎn)譯信息的標(biāo)注”要求在認(rèn)知問(wèn)題的第一時(shí)間清晰、直觀地標(biāo)注重要信息或?qū)⑵滢D(zhuǎn)譯為科學(xué)術(shù)語(yǔ)，這需要熟悉現(xiàn)象的表述習(xí)慣，熟悉物理量的意義，熟悉概念背后的內(nèi)涵和本質(zhì)，還要有一定的推理能力，為后續(xù)模型建構(gòu)奠定基礎(chǔ)。由于此時(shí)尚不清楚解決問(wèn)題的具體路徑，信息轉(zhuǎn)譯盡量越豐富越好。

２．１．２? ? 情境狀態(tài)的對(duì)比

問(wèn)題所處真實(shí)情境往往是連續(xù)發(fā)展變化的，因此，建構(gòu)模型必須先確定每個(gè)情境狀態(tài)，通過(guò)前后對(duì)比，分析研究對(duì)象的整個(gè)過(guò)程，把連續(xù)發(fā)展的過(guò)程分解為若干個(gè)穩(wěn)定的發(fā)展階段或變化的瞬時(shí)，即情境狀態(tài)。

例如，“冰塊問(wèn)題”在建模時(shí)，可以采用理想模型和狀態(tài)模型相結(jié)合的方式，將冰熔化后的水暫時(shí)集中在一起，以“水塊”的方式表示（圖7）。整個(gè)過(guò)程可以分為三個(gè)情境狀態(tài)——冰熔化前、冰熔化中、冰熔化后，具體分析時(shí)，主要選取首尾兩個(gè)情境狀態(tài)。

除“冰塊問(wèn)題”這一穩(wěn)中有變的情境狀態(tài)外，其他存在穩(wěn)中有變的情境狀態(tài)，如自由下落的球、加速上浮的湯圓……解決問(wèn)題不一定用到每一個(gè)情境狀態(tài)，但在建模時(shí)，為了明晰整個(gè)物理過(guò)程，模型中呈現(xiàn)的情境狀態(tài)建議越多越好。

２．２? ? 建立關(guān)系的過(guò)程可視化

“建立關(guān)系”是指分析物理模型的表現(xiàn)結(jié)果、影響因素等各個(gè)要素，選擇一定的認(rèn)知角度建立各要素間的某種關(guān)系，這種關(guān)系可以定量，也可以定性。例如，物體受到的浮力與液體密度、排開(kāi)液體體積可建立F浮=ρ液gV排的關(guān)系，通過(guò)導(dǎo)體的電流（表現(xiàn)結(jié)果）與導(dǎo)體兩端電壓、電阻（影響因素）間可建立I=U/R的關(guān)系……建立關(guān)系具體包含認(rèn)知角度和核心關(guān)系兩個(gè)過(guò)程。

２．２．１? ? 圖表結(jié)合，體現(xiàn)認(rèn)知角度

認(rèn)知角度能反映事物各要素之間的因果關(guān)系，能反映知識(shí)間的宏觀關(guān)系類(lèi)別，為建立關(guān)系、分析問(wèn)題指明方向。如分析物體運(yùn)動(dòng)情況有力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能量三大認(rèn)知角度，分析力大小有“運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系”和“力與影響因素的關(guān)系”兩個(gè)認(rèn)識(shí)角度……結(jié)合認(rèn)知心理規(guī)律，建構(gòu)圖、表等概念模型來(lái)表達(dá)認(rèn)知角度，能幫助學(xué)生理解各物理概念之間的關(guān)系，快速找到問(wèn)題與知識(shí)對(duì)接的方式，促使建立關(guān)系過(guò)程的可視化。

為更好地理解事物各要素間的相互關(guān)系，根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)差異選用不同的概念模型，如用表格促進(jìn)結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化地理解零散知識(shí)，用概念導(dǎo)圖促進(jìn)理解概念提出的背景、證據(jù)、意義、聯(lián)系等，尤其是概念導(dǎo)圖，可幫助理解事物發(fā)展過(guò)程和事物間的因果關(guān)系。

用概念模型呈現(xiàn)認(rèn)知角度是深度理解問(wèn)題解決所需知識(shí)的手段，為夯實(shí)解決問(wèn)題奠定了理論基礎(chǔ)，教師應(yīng)努力讓學(xué)生自主歸納、概括，促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化，為建立關(guān)系服務(wù)。

２．２．２? ? 據(jù)理列式，建立核心關(guān)系

復(fù)雜問(wèn)題往往涉及事物諸多要素，要素與要素之間存在著錯(cuò)綜聯(lián)系。核心關(guān)系可視化就是要在問(wèn)題所涉諸多原理中選擇合適認(rèn)知角度（即據(jù)理），建立各要素間最核心的關(guān)系式（即列式），為后續(xù)以此為節(jié)點(diǎn)前后推導(dǎo)、解決問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

“冰塊問(wèn)題”的關(guān)鍵在浮力，而浮力的認(rèn)知角度有兩個(gè)——“運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系（即沉浮條件）”和“力與影響因素的關(guān)系（阿基米德原理）”，根據(jù)圖8“運(yùn)動(dòng)與力模型”建立關(guān)系，可建立核心關(guān)系F浮=G冰。

建立可視化的核心關(guān)系，將問(wèn)題解決從建立“已知信息”與“欲知目標(biāo)”間的長(zhǎng)聯(lián)系，通過(guò)物理模型作為跳板，建立F浮=G冰的關(guān)系，從而大大縮短“已知信息”和“欲知目標(biāo)”間的距離，短聯(lián)系有助于簡(jiǎn)化解決問(wèn)題的難度（圖9）。

２．３? ? 創(chuàng)建路徑的過(guò)程可視化

創(chuàng)建問(wèn)題解決路徑就是將已知信息、所建關(guān)系、欲知目標(biāo)三者，用物理知識(shí)、方法及邏輯關(guān)系等聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)最終的問(wèn)題解決?；谒季S可視化的問(wèn)題解決雖有“物理模型”作為重要支點(diǎn)，減低了解決問(wèn)題的難度，但仍需采用一定的方法以及靈活應(yīng)用正、逆推理方式，方能最終建立解決問(wèn)題的可視化路徑。

２．３．１? ? 創(chuàng)建并記錄思維節(jié)點(diǎn)

思維節(jié)點(diǎn)是問(wèn)題解決路徑中間的一塊塊“過(guò)河石”，思維節(jié)點(diǎn)本身也是分析推理的產(chǎn)物。在建構(gòu)完整的問(wèn)題解決路徑過(guò)程中，還要做到發(fā)散性思維和聚合性思維相結(jié)合，通過(guò)發(fā)散性思維，擴(kuò)展可能的各種節(jié)點(diǎn)，同時(shí)又通過(guò)聚合思維，凸顯某一個(gè)或某幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，避免中間結(jié)論過(guò)多、過(guò)散而阻礙路徑的創(chuàng)建。思維節(jié)點(diǎn)需要及時(shí)記錄。

在解決圖１0所示摩擦力問(wèn)題中，對(duì)“０～２ ｓ”“２ s～４ ｓ”“４ s～６ ｓ”三個(gè)情境狀態(tài)分別建構(gòu)模型，再?gòu)倪\(yùn)動(dòng)與力關(guān)系的認(rèn)知角度分別建立F靜=F1（1 N）、F滑

記錄思維節(jié)點(diǎn)和標(biāo)注已知信息均為了建立新的聯(lián)系，其功能和目的類(lèi)似，記錄、標(biāo)注的位置和方式也基本相同，所不同的是前者是分析的中間態(tài)，后者是分析的初始態(tài)。

２．３．２? ? 運(yùn)用并呈現(xiàn)正逆推理

創(chuàng)建路徑過(guò)程需要反復(fù)用好正向推理、逆向推理兩種方式。所謂正向推理，即由因得果，是從問(wèn)題的已知信息出發(fā)，利用已有知識(shí)、方法向欲知目標(biāo)推理的思維方式；而逆向推理，即由果索因，是從問(wèn)題的欲知目標(biāo)出發(fā)，利用已有知識(shí)、方法不斷推理探尋目標(biāo)所需條件，最后直至已知信息的思維方式。通過(guò)物理模型呈現(xiàn)正向得果、逆向索因的過(guò)程，能創(chuàng)建思維可視化的問(wèn)題解決路徑。

在如圖１1解決“冰塊問(wèn)題”的路徑創(chuàng)建過(guò)程中，采用概念模型，圍繞核心關(guān)系F浮=G冰，欲知水面變化（轉(zhuǎn)譯為比較V排與V化水），逆推可知：要利用F浮=（ρ水gV排）展開(kāi)F浮=G冰，推導(dǎo)出V排=G冰/p水g。而逆推可知V化水只能來(lái)自冰熔化成水，再?gòu)摹氨刍背霭l(fā)正向推理得m冰=m化水；結(jié)合目標(biāo)可進(jìn)一步正向推理得V化水=m冰/p水=G冰/p水g。如此，有目的（V排與V化水）、多次靈活使用兩種推理方式，使雜亂無(wú)章的思維節(jié)點(diǎn)串聯(lián)成連貫的解題路徑。圖１2是相應(yīng)的板書(shū)設(shè)計(jì)。

簡(jiǎn)單問(wèn)題的解決可能只要用一種推理方式，復(fù)雜問(wèn)題的解決往往需要以已知信息、所建關(guān)系或欲知目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)（如上面V排、V化水），交替多次使用正向推理、逆向推理，而推理過(guò)程可視化大大降低了彼此關(guān)聯(lián)、創(chuàng)建路徑的難度。

以物理模型為思維支架，凸顯思維可視化的問(wèn)題解決路徑，采用認(rèn)知問(wèn)題、建立關(guān)系、創(chuàng)設(shè)路徑三大流程突破問(wèn)題情境、條件變化等限制，不僅能解決各類(lèi)力學(xué)、電路、簡(jiǎn)單機(jī)械等問(wèn)題，還能用于后續(xù)的能量守恒、動(dòng)量守恒問(wèn)題，具有極廣的遷移性和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［１］中華人民共和國(guó)教育部．義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［Ｓ］．北京：北京師范大學(xué)出版社，２０２２．

［２］劉濯源．思維可視化：減負(fù)增效的新支點(diǎn)［Ｊ］．中小學(xué)管理，２０１４（６）：１０－１３．

［３］陳進(jìn)前．理解“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的不同視角［Ｊ］．課程·教材·教法，２０２０，４０（４）：１０８－１１３．

（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：2024-02-20

基金項(xiàng)目：2022年浙江省教研課題“指向科學(xué)觀念建構(gòu)的初中科學(xué)進(jìn)階教學(xué)研究”（G2022023）。

作者簡(jiǎn)介：陳亮（1967-），男，中學(xué)高級(jí)教師，主要從事初中科學(xué)教育研究。

*通信作者：陳鋒（1967-），男，特級(jí)教師，教授級(jí)中學(xué)高級(jí)教師，教育部國(guó)培專(zhuān)家，主要從事初中科學(xué)教育研究。