一、基于物理问题特征的物理习题教学策略

物理学研究始于问题，没有问题，物理学就会停滞不前，不能发展。从亚里士多德认为轻重物体下落的快慢不同到伽利略提出轻重物体以相同的快慢降落，从牛顿的经典力学到爱因斯坦的相对论……无数的事实证明人们是在不断发现问题与解决问题的认知活动过程中，继续完善学科原理或者发现新的学科原理，继续为物理学这座宏伟的大厦添砖加瓦的，以此去促进物理学在探索位置领域的不断发展。

与之相似，物理学习不可能脱离物理问题而获得长远的进步，解决物理问题属于学科原理的运用过程，也是学习者掌握物理学科原理、构建完整物理认知结构、发展认知思维、提升学科问题解决能力的认知活动过程。在物理教学中，教师应该积极发挥物理问题的教学功能，通过问题解决的认知活动，培养学生学会用学科原理去解决物理问题，以此去提升学生的物理问题解决能力。

（一）物理学科问题和物理习题的物理问题特征比较

物理学科问题具备学科性与客观性两个基本的物理问题特征，物理习题具备较强的间接性、情景性、学科性等物理习题构成要素特征和“知识与认知锁链脱节”的问题特征。

1.物理学科问题和物理习题的差异

（1）学习学科原理和应用学科原理

从物理学科问题的学科性特征可知，物理学科问题的主要教学功能是学习学科原理，即学习者研究物理学科问题就是为了发现蕴涵在物理学科问题之中的学科原理，并学习这些学科原理。从物理学科问题的构成可知，物理学科问题研究对象的构成元素以及元素之间的联系承载着与学科问题相对应的学科原理。在研究物理学科问题的过程中，学习者对“物理学科问题的研究对象的最基本元素以及元素之间的内在联系”的认知，就是学习者对蕴含学科问题研究对象的新的学科原理的发现和学习。由此可见，物理学科问题的价值是发现和学习学科原理。

与物理学科问题有所不同的是，物理习题的教学功能是突出学科原理的作用。学习者通过物理习题练习活动去学会应用学科原理解决问题，突出物理习题的应用性。物理习题的学科性、情景性、间接性等物理问题特征是构成物理习题的学科原理应用性的主要因素。在编制物理习题的过程中，命题者依据学科性、情景性、间接性的物理问题构成要素特征以及“知识与认知锁链脱节”的问题特征去编制物理习题，其目的是通过这类主观编制的物理问题，为学习者提供应用学科原理的机会。在解答物理习题的过程中，学习者应用物理习题蕴涵的学科原理去辨别承载习题问题的情景特征，建构习题问题的理想化情景，并在此基础上构思解题思路、构造解题方案和完成物理习题。最终，通过解决物理习题的认知活动，学习者学会应用学科原理去解决问题。

由此可见，物理学科问题与物理习题在主要的教学功能上存在着差别：物理学科问题要求学习者学习新的学科原理，而物理习题则要求学习者学会应用学科原理。学习学科原理和应用学科原理的差异特征，也隐含着物理学科问题和物理习题在客观性与主观性上的差异。

（2）问题的主观性和客观性

由物理学科问题的客观性特征可知，物理学科问题具有客观性。这种客观性体现在“学科问题的研究对象”“研究对象的构成元素以及元素之间的内在联系”“承载学科问题研究对象的学科原理”等物理学科问题的构成成分都是客观存在的，不为人的意志而转移。学习者研究物理学科问题的过程，就是从客观的学科问题研究对象中去揭示“客观的学科问题研究对象的最基本元素以及元素之间的内在联系”和发现学科原理的认知过程。

尽管物理习题也体现着一定的客观性，但是其更加强烈地体现着主观性色彩。这种主观性特征可在物理习题的学科性、情景性、间接性等物理问题特征中得到体现，这些物理习题的物理问题特征都指向“实现学科原理应用”的目的。在编制物理习题的过程中，命题者根据“实现某一或多个学科原理应用”的目标进行习题设计，以学科原理以及学科原理间组合的“作用效果”为依据，从中选择恰当的习题问题切入点，形成蕴涵习题问题的完整认知脉络，通过选择物理情景承载习题问题，并通过隐藏条件和设计未知等方式设置疑惑，使完整的习题问题变成具有非完整性特征的习题问题。不难看出，物理习题具有主观性特征。

由此可见，物理学科问题和物理习题是有所差异的。首先，在教学功能方面，物理学科问题重视学习者经过研究学科问题发现和学习蕴涵于学科问题中的学科原理；而物理习题重视学科原理的应用，学习者通过解决习题去学会应用学科原理。其次，在问题的客观性与主观性上，物理学科问题偏向客观性，其所研究的物理问题是客观存在的，而物理习题则偏向主观性，是命题者为实现学科原理的应用而主观设计的物理问题。尽管物理学科问题和物理习题之间存在差异，但是从两者的物理问题特征比较来看，两者又有一定的共性联系。

2.物理学科问题和物理习题之间的联系

（1）学科原理

学习一个“事物”不应该成为学习的最终目的，而是像皮亚杰与杜威所倡导的那样，学习事物最终是为了练习学科内容的其他方面，让它们足够普遍化地应用到其他情景或其他问题中。知识结构为学习的这种特殊迁移提供了基础。在物理教学中，学习学科原理是为了应用学科原理，而应用学科原理也是为了学习和发现新的学科原理。由物理学科问题的学科性特征可知，物理学科问题蕴涵着物理概念、物理规律、物理原理等学科原理，这些学科原理以及学科原理之间的组合“作用效果”，是学科问题研究对象的构成元素以及元素间的内在联系的反映。因此，在研究物理学科问题的认知过程中，学习者对学科问题研究对象的最基本元素以及元素间的内在联系的揭示，就是学习者发现学科原理和学习学科原理的认知过程。但是，学习学科原理并不是我们的最终目的，最终目的是将所学的学科原理用于解决其他物理问题，如解决常见的物理习题。

由物理习题的学科性、情景性、间接性等特征可知，物理习题突显出学科原理的应用。从学科原理的应用看，物理习题就是以“学科原理的应用”为目的而设计的物理问题，即命题者以“学科原理的应用目的”为导向，以学科性、情景性、间接性等物理问题特征为依据，来设计的具有主观性和非完整性的一系列问题。通过解决物理习题，学习者学会应用学科原理，或者更进一步学会灵活地应用学科原理去解决其他物理问题。比如，应用这些学科原理去探究物理学科问题，以此去发现和学习新的学科原理。

综上所述，学科原理是架起物理学科问题和物理习题之间联系的桥梁或者纽带，学习者从物理学科问题中学习学科原理，然后这些学科原理应用于解决物理习题；通过解决物理习题，学习者学会灵活应用学科原理，然后将学科原理应用于研究物理学科问题，去学习新的学科原理。无论是物理学科问题还是物理习题，两者的最终目标都指向学科原理，但是问题解决特征并非只是学科原理的学习和应用，还包含认知思维等。正如安德森指出，问题解决具有三个基本特征：一是目的指向性，即问题解决最后要达到一定的目标或终点状态。二是操作序列，即问题解决必须包括心理过程的序列。三是认知操作，即问题解决活动必须由认知操作来进行。

（2）认知思维

从物理学科问题和物理习题的物理问题特征可知，两者具有类似的认知规律，即两者都体现了发展学习者认知思维的特征。由物理学科问题的学科性、客观性可知，物理学科问题是以客观世界中的客观事物或者原理为研究对象的，揭示研究对象的构成元素以及元素间的内在联系，并从中发现蕴涵在学科问题研究对象中的学科原理以及学科原理之间的组合“作用效果”。换言之，学习者“对研究对象的构成元素以及元素间的内在联系的揭示”和“对蕴涵在研究对象中的学科原理以及学科原理之间的组合‘作用效果’的发现”承载着认知思维。即物理学科问题蕴涵着对物理学科问题研究对象的最基本元素以及元素间的内在联系的揭示。在研究物理学科问题的认知活动过程中，学习者需要经历辨别情景、定位学科问题，建构理想情景、构思解题思路、执行解题思路和反思等问题解决过程，并在问题解决过程中发展自己的认知思维。因此，我们认为物理学科问题具有发展学习者认知思维的特征。

物理习题也有发展学习者认知思维的特征，而物理习题的学科性、情景性、间接性等物理问题构成要素特征则是构成物理习题认知思维特征的不可或缺的主要成分。依据物理习题的这些物理问题特征，可知物理习题指的是，由一个或若干个学科原理，以一个或若干个能承载学科原理的物理情景，将学科原理中所涉及的某些物理量或物理量之间存在的某些内在联系以间接的表征方式予以呈现，进而构成具有“知识锁链脱节”特征的物理问题。在解决物理习题的过程中，学习者是以一定的学科原理为基础，应用认知思维认知物理习题和解决物理习题的。

由此可见，物理学科问题和物理习题都具有认知思维教育功能，这种认知思维蕴涵于问题解决的认知过程中，通过学习者的问题解决活动发挥作用，进而发展学习者的认知能力。一般来说，物理问题解决过程都包括以下这些认知环节：辨析问题情景，定位物理问题；明辨问题特征，建构理想情景；洞察问题属性，明晰解题思路；梳理认知结构，形成解析方略；整合认知经验，调控解析行为；反思解题过程，完成问题解决。(www.daowen.com)

（二）物理问题特征的物理习题教学方法

1.辨析问题情景，定位物理问题

由物理问题的问题情景特征可知，问题情景是物理问题的基本构成要素，是学习者进行物理问题解决的起点。发现物理问题是解决物理问题的前提，学习者需要从给定的物理问题情景中辨析问题情景特征，由浅入深、逐步深入地透过问题情景，准确地定位问题。唯有正确地定位问题，才有可能成功地解决问题。正如著名德国物理学家海森堡所说：“提出正确的研究问题往往等于成功地解决了问题的一大半。”在物理习题教学中，为了培养学习者的物理习题解决能力，教师首先需要重视培养学习者发现问题的能力，引导学习者学会主动观察现象，学会运用物理知识去认知观察对象的问题情景，以正确把握问题情景并从中生成研究问题。简言之，在解决物理习题的认知过程中，学习者要学会辨析问题情景、定位物理问题，以准确地提出研究问题。

2.明辨问题特征，建构理想情景

理想情景是一个剔除了问题次要因素或者无关因素，只保持情景的核心要素并以要素间内在联系为依据，对真实问题研究对象的理想化、简单化的描述或者模拟。理想情景是物理学科问题、物理习题等物理问题的基本构成要素，理想情景蕴涵着一定的“解题线索”，这些“解题线索”有助于学习者把握解题方向。因此，正确建构物理问题的理想情景有助于学习者成功地解决物理问题。建构理想情景是学习者将实际问题转化为物理问题的途径，也是进一步深入认知物理问题和解决物理问题的前提。

在物理习题解决过程中，为建构理想情景，学习者需要正确把握物理习题的问题特征。问题特征，即物理习题研究对象的基本构成要素特征以及问题的“知识与认知锁链的脱节”。学习者就是以这些问题特征为基础，去建构理想情景的。简言之，就是学习者要学会明晰问题特征、建构理想情景。

3.洞察问题的属性，明晰解题的思路

在物理问题解决的认知过程中，必然存在着某种正确的认知问题的思维路线，我们通常将这些认知问题的思维路线称为解题思路。正确把握解题思路有助于学习者选择最佳的认知问题路线，运用知识经验去构思正确的解题方案。获得正确解题思路的前提，是学习者能够正确把握问题属性以揭示问题本质。一般来说，物理问题属性包括问题领域、问题类型等众多的物理问题基本信息，这些问题信息有助于学习者深入认知问题本质，以构思正确的解题思路。比如，蕴涵于物理习题的概念、规律以及原理等物理知识能帮助学习者正确地界定物理习题的问题领域。再如，用于描述和研究物理习题构成要素间内在联系的规律以及原理等物理知识的组合以及解题程序则有助于学习者辨别问题类型。换言之，洞察问题属性有助于学习者明晰解题思路。

4.梳理认知结构，形成解析方略

物理知识是物理问题的核心构成要素，也是学习者解决物理习题的基础。就物理问题解决而言，专家与新手的解题能力存在差异，如在问题特征、解题策略、解题计划、解题监控上的差异，这可以归因于他们知识结构上的不同，即精致化的知识为专家提供了更多的可利用的信息与关系，而限制化的知识则起到规限专家思维的作用，使专家的解题过程符合该领域的任务要求。简单来说，就是学习者的物理认知结构直接决定他们解决物理问题的质量。由此可见，要形成正确的物理问题解析方略，学习者就需要具有组织化的物理认知结构。在问题解决的认知活动中，学习者要学会梳理自己的物理认知结构，整合新旧知识以获得物理问题的解析方略。所谓解析方略，是学习者解决物理问题的执行方案。

二、训练学生进行外部多元表征的能力

从形式上区分，问题表征可以分为外部和内部两种表征。内部表征指的是问题解决者在头脑中对问题进行思考的过程；外部表征指的是用文字、符号、图像、实验等形式对问题的本质进行揭示的过程。外部表征是以内部表征为基础的，但是进行外部表征可以大大减轻人脑的负担，进而有利于提高问题解决的效率。一般情况下，教师在遇到一个问题时经常能凭经验对问题进行内部表征，顺利地解决问题。但对于大多数学生来说，遇到稍微复杂一点的问题，学生不仅不能运用内部表征解决，而且还往往不能使用适当的外部表征形式进行表征，导致问题不能得到正确顺利地解决。

（一）训练学生的外部表征能力

教师可在物理课堂中实行三人组“说题、作图、说题”活动，训练学生的图像与文字表征能力及在两种表征间灵活转换的能力。在新知识讲解之后，往往有与之相互配套的例题，教师可把学生分成三人组，对学生实行外部表征中最为常见的文字与图像表征能力的训练，训练方法和流程如下。

第一人：看图说话，看题并且把从问题中得到的已知量、隐含信息和目标量说出。

第二人：听题作图，依据第一人所说的内容，用情景图的形式对问题展开表述。

第三人：看图说题，只看第二人所做的情景图，理解其意并且用文字描述所提供的情景。

学生比较第三人和第一人所说内容的不同之处，分析问题出现在哪一个环节并且找出相应的原因。学生分析他人和自己的表征缺陷，并且对表征问题的合理方法进行探讨，以更好地将其应用在日后的物理问题中。

（二）训练学生的多元表征能力

对于物理问题来讲，其外部表征的形式包括文字、符号、图像和操作四种表征。有研究指出，学优生在解决问题时大多运用外部表征且为多元化的表征，而学困生很少会注意到用多元化的表征。多元化的表征能够拓宽学生的解题思路，促使其从多个角度对问题进行思考。综合运用几种方式表征问题的学生比只用单一方式表征问题的学生在问题解决方面要强许多。用不同表征方式对同一问题进行表征，经常会产生不一样的办法，还能够提高解决问题的效率。

怎样才能养成学生自主运用多元表征来解决问题的习惯呢？首先，教师要引导学生认识到外部表征对问题解决的重要作用。学生遇到问题要先审明题意，做出表征之后再去制订相应的解题计划。否则一味地着急制订计划，不在问题表征上下功夫，反而容易导致问题中途搁浅。其次，教师在向学生传授新知识的过程中，应当注重讲清物理概念，尽量多从不同角度用多种方式去表征新知识。此外，在例题的教学中，教师要留给学生一定的理解、表征问题的时间，为其创造机会来对问题进行表征。而有些教师往往在给出例题后马上进行分析和讲解，只为多讲一个题而去挤占学生的审题与思考的时间，却忘了最终目的是想利用问题提高学生的能力，而不是真去讲题。在给学生留出几分钟的思考时间以后，教师尝试引导：是否能用言语对题目进行表达（文字类表征）？是不是应该引用一些物理符号来表达题意（符号类表征）？可否做出过程草图（图像类表征）？有没有必要设计实验来实际操作一下（操作类表征）？经常性地按以上方法处理问题，学生自然而然地会习惯运用多元表征的方式表征问题。

现代认知心理学将知识分为陈述性和程序性两大类知识。关于“是什么”的陈述性知识，大多运用网络和结构形成观念间的相互联系，以方便人们对问题间的联系进行反思和考虑；关于“做什么”的程序性知识，大多是把条件和行动进行组装，显示出人们在怎样的特定条件下通过采取怎样的行动完成目标。本书认同学生的问题表征能力属于程序性知识，学生在表征问题时，首先应从问题中选择性地提取信息，然后把所提取的信息整合进行建构，再把建构起的心理意义用语言、符号等转译出来，整个过程中一直存在着自我心理监控。通过选、提、整、转、监等一系列心理活动，在理解问题的前提下，学生实现对问题的完全表征。程序性知识正是可以通过“样例”的学习而获得，再加之不断反复的练习，促使产生式系统到达自动化。样例不仅能给学生带来一系列静止的知识，更能带给其一系列动态的操作过程，甚至还有其他一些内容，如当时解题的情景和情绪等。有经验的问题解决者的头脑中有很多样例，这些成功的经验结构完整地存储在记忆中。当遇到任务时，相关线索被察觉，样例被激活，进而可以迅速地表征新问题。只有结合生动的例子，抽象的内容才可以被准确理解，在掌握了足够多的实例的前提下，才能够“感知”物理，在解决题目时才可以得心应手。