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為了有效地指導(dǎo)中學(xué)的物理教學(xué)，高考試題中將包含更多的解決實(shí)際問題的試題，教育部對有四省參加的理科綜合考試提出的指導(dǎo)思想是“以能力測試為主導(dǎo)，考查考生在中學(xué)所學(xué)這些相關(guān)課程基礎(chǔ)知識、基本技能的掌握程度和運(yùn)用這些基礎(chǔ)知識分析、解決問題的能力”。“強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，注重考查分析問題和解決問題的能力，以利于對學(xué)生創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力的培養(yǎng)”。面對這一新的課題，教師該怎么辦？一些教師可能會收集大量的實(shí)際問題，并將其理想化，使其納入典型的物理模型，讓學(xué)生記住結(jié)論，這種方法沒有注重學(xué)生對實(shí)際問題的思考、分析、處理過程，把學(xué)生訓(xùn)練成“模式識別”的機(jī)器，既加重學(xué)生的負(fù)擔(dān)，又沒有培養(yǎng)學(xué)生的能力，當(dāng)學(xué)生面臨教師沒有講過的情景新穎的問題時，會不知所措。本文在現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)對解決實(shí)際問題本質(zhì)認(rèn)識的基礎(chǔ)上，提出了培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題能力的教學(xué)原則與方法。
一、知識的類型及傳統(tǒng)教學(xué)方法的缺陷
1、知識的類型
在斯皮羅提出的令人注目的認(rèn)知靈活性理論中，知識被劃分為良構(gòu)領(lǐng)域的知識和非良構(gòu)領(lǐng)域的知識，所謂良構(gòu)領(lǐng)域的知識，是指有關(guān)某一主題的事實(shí)、概念、規(guī)則和原理。它們是以一定的層次結(jié)構(gòu)組織在一起，即有良好的組織，教師只要講清它們之間的相互聯(lián)系，學(xué)生就不難掌握了。非良構(gòu)領(lǐng)域的知識則是將良構(gòu)領(lǐng)域的知識應(yīng)用于具體問題情景中時產(chǎn)生的知識，即有關(guān)概念應(yīng)用的知識。非良構(gòu)領(lǐng)域的知識具有以下兩大特性：（1）概念的復(fù)雜性，知識應(yīng)用的每一個實(shí)例，都同時涉及到許多概念，這些概念都有其自身的復(fù)雜性，而且，這些概念存在著相互作用與影響。（2）實(shí)例的不規(guī)則性，每個實(shí)例所涉及概念的數(shù)量和種類不同，而且，這些概念的地位、作用以及相互作用的方式也不盡相同。
2、傳統(tǒng)教學(xué)方法的缺陷
在傳統(tǒng)的教學(xué)中，學(xué)生之所以不能將課堂上所學(xué)的知識靈活地應(yīng)用到新的實(shí)際情景中，是由于學(xué)校所教知識都是經(jīng)過簡化處理（理想化、模型化）后的結(jié)構(gòu)性知識，也就是說：學(xué)生普遍在用學(xué)習(xí)良構(gòu)領(lǐng)域知識的方法學(xué)習(xí)非良構(gòu)領(lǐng)域的知識，具體表現(xiàn)在：
?。?span lang=EN-US>1）相加傾向，孤立地學(xué)習(xí)復(fù)雜事物的各個部分，以為重新整合這些部分時，各個部分的特征仍能保留。例如有的教師認(rèn)為，我把基本概念、基本規(guī)律都講清楚了，學(xué)生自然會解決綜合問題了，從而忽視對綜合問題的處理及講解。也有的教師說：這個實(shí)際問題我不都是用基本概念、基本規(guī)律加以解決的嗎？你們?yōu)槭裁床粫@說明你們做的題還不夠多，這就產(chǎn)生了“題海戰(zhàn)術(shù)”。
?。?span lang=EN-US>2）離散傾向，將連續(xù)性的事物，分割為兩個極端，將連續(xù)的過程分解成斷續(xù)的步驟。例如：光的反射既有鏡面反射（理想化的），也有漫反射，其實(shí)問題更多的是非鏡非漫的反射（例如光滑的黑板表面、油漆過的家俱），但我們給出的反射類型的知識結(jié)構(gòu)恰是下面的結(jié)構(gòu)，又例如電路的連接方式既有串聯(lián)、并聯(lián)，也有非串非并的連接方式但我們給出的知識結(jié)構(gòu)只有兩類。通常我們把復(fù)雜的運(yùn)動過程進(jìn)行分段處理，這對許多問題都行之有效。但有的同學(xué)在做1999年高考第14題，求“從離開跳臺到手觸水面，他可用于完成空中動作的時間是──S”時，認(rèn)為運(yùn)動員先跳上去，到達(dá)最高點(diǎn)以后才開始完成動作，導(dǎo)致錯誤，這種錯誤的產(chǎn)生與分段處理運(yùn)動過程的定勢沒有關(guān)系嗎？
?。?span lang=EN-US>3）隔離傾向，孤立地處理實(shí)際上極其相倚的概念要素，散失了它們相互作用的一面，“瞎子摸象”就是如此。有些同學(xué)在處理問題時缺少對整體的“大局觀”，或者“不識廬山真面目，只緣身在此山中”就是這種傾向的結(jié)果。
總之，在實(shí)際問題領(lǐng)域，沒有任何單一的圖式能涵蓋實(shí)例的所有東西，更沒有任何圖式能統(tǒng)帥廣泛范圍的實(shí)例。也就是說，以前我們求解問題時常用的“建立模型、模型識別，對號入座”已是“此路不通”。
從單一角度看待概念、現(xiàn)象和實(shí)例就是一種嚴(yán)重的過份簡化，將會使學(xué)習(xí)者對概念應(yīng)用（解決實(shí)際問題）產(chǎn)生片面的、靜止和機(jī)械的認(rèn)識，勢必會阻礙學(xué)習(xí)者在新情境中靈活使用所學(xué)知識，也就是說求解簡單問題時常用的如“理想化”“等效”方法已是“此法不靈”。
二、解決實(shí)際問題的教學(xué)原則與方法
斯皮羅等人提出的認(rèn)知靈活性理論是從信息加工的角度解釋建構(gòu)性學(xué)習(xí)的過程，以揭示學(xué)習(xí)者在實(shí)際情境中靈活應(yīng)用知識的心理機(jī)制，從而發(fā)展出一套教學(xué)設(shè)計(jì)的原則，來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者靈活應(yīng)用知識的能力，很顯然，這一目標(biāo)與目前培養(yǎng)創(chuàng)新精神為特征的素質(zhì)教育目標(biāo)是符合的。
1、解決實(shí)際問題教學(xué)的原則
整合性原則
傳統(tǒng)認(rèn)知理論認(rèn)為學(xué)習(xí)者通過從記憶中提取組織良好的知識組塊或圖式來加以表征。例如前面走著一個“留著披肩發(fā)，身穿花格衣服的人”就會想到這是一個女人。應(yīng)該說，大多數(shù)情況下這種判斷是正確的，但有時很可能會錯。
整合性原則認(rèn)為學(xué)習(xí)者必須將目前情景中的信息與自己的先前知識結(jié)合在一起，才能對意義形成一個完整而適當(dāng)?shù)谋碚?。例如對前面走著一個“留著長發(fā)穿著衣服的人”，我們要針對當(dāng)前具體情景──大街上、藝術(shù)家、變態(tài)者及標(biāo)新立異者等多種知識加以整合才能作出正確的判斷，整合原則要求我們必須十分重視具體問題的情景分析。
例如圖1中各電壓表的讀數(shù)與具體的情景有密切關(guān)系。
?。?span lang=EN-US>2）雙向建構(gòu)原則
雙向建構(gòu)指的是學(xué)習(xí)者既通過先前知識建構(gòu)當(dāng)前事物的意義，又根據(jù)具體實(shí)例的變異性重新建構(gòu)先前知識。
由于雙向建構(gòu)是一個相互作用過程，教師的作用代替不了學(xué)生的作用，所以學(xué)習(xí)者必須積極參與學(xué)習(xí)，必須時刻保持認(rèn)知靈活性，這要求我們不能只講結(jié)論，而必須注重學(xué)生的探究過程。
?。?span lang=EN-US>3）多角度原則
多角度原則指學(xué)習(xí)者要帶著不同目的從不同角度進(jìn)行多次交叉反復(fù)的學(xué)習(xí)，只有這樣才能把握概念的復(fù)雜性并促進(jìn)遷移。
?。?span lang=EN-US>4）多情景原則
多情景原則，指的是對同一內(nèi)容，學(xué)習(xí)者要在不同時間，不同情景中進(jìn)行學(xué)習(xí)，這種反復(fù)絕非為了鞏固知識技能而進(jìn)行的簡單重復(fù)，因?yàn)槊恳淮蔚膶W(xué)習(xí)情景中存在著互不重合的方面，可使學(xué)習(xí)者對概念獲得新的理解。
（5）具體性原則
具體性原則指的是教學(xué)要避免抽象地講解概念及一般地如何應(yīng)用，而是把概念具體到一定的實(shí)例中，使概念的意義與具體情景聯(lián)系在一起，形成背景性經(jīng)驗(yàn)。例如波動圖象是師生非常熟悉的內(nèi)容，但1999年高考第16題要求考生畫出一些點(diǎn)再經(jīng)過3T／4后的位置和速度方向，結(jié)果得分率不高。我想，原因也可能是我們太注重一般的分析，而沒有把概念具體到一定的實(shí)例中。
2、解決實(shí)際問題的教學(xué)方法
從教學(xué)原則我們演繹得到解決實(shí)際問題的教學(xué)方法──個案立體分析法。
我們這里的個案就是需要解決的實(shí)際問題，它有具體的背景，使概念的意義與具體情境聯(lián)系在一起，我們的立體分析法指的是在不同時間（新課、章節(jié)復(fù)習(xí)、總復(fù)習(xí)）、不同情景，從不同角度（情景、模型、場、受力、運(yùn)動、過程、狀態(tài)。做功、隱含條件、幾何聯(lián)系等等）所進(jìn)行的分析。
我們平時的教學(xué)以講解抽象的概念、規(guī)律為主，這些概念、規(guī)律的縱橫聯(lián)系構(gòu)建出一張“平面”網(wǎng)。但這一知識體系是理想化、純粹化的，與實(shí)際相分離的。在這一知識體系的建立過程中，雖然也講一些實(shí)例，但由于多從單一角度分析或過分簡化，學(xué)生仍未能將他們頭腦中的知識體系與實(shí)際問題很好地結(jié)合起來，實(shí)例處于一種“游離”狀態(tài)。個案──立體分析法就在于通過學(xué)生的雙向建構(gòu)活動，使實(shí)際問題在多方面與知識體系發(fā)生聯(lián)系，這樣實(shí)例就不會處于“游離”狀態(tài)，每一個實(shí)例都將成為一個個堅(jiān)固的結(jié)合點(diǎn)，使抽象知識進(jìn)一步具體化。由于在知識體系兩側(cè)生長了豐富的實(shí)例，所以知識結(jié)構(gòu)不再是平面的網(wǎng)狀而成為立體式的。
3.教學(xué)范例
[例1]如圖所示，兩平行帶電板間相距4r，兩板間的電勢差為U，在兩板正中間有一半徑為r的金屬網(wǎng)狀圓筒，圓筒內(nèi)有垂直紙面的勻強(qiáng)磁場，上板在圓筒正中心的上方有小孔，一帶正電、質(zhì)量為m的微粒（不計(jì)重力），從小孔處以初速度為零進(jìn)入電場，并從A點(diǎn)進(jìn)入金屬網(wǎng)，從D點(diǎn)離開金屬網(wǎng)，CD是金屬網(wǎng)的水平直徑的兩端，則金屬網(wǎng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為
錯解及錯解分析：
產(chǎn)生錯誤的原因是學(xué)生沒有全面地分析“金屬網(wǎng)”產(chǎn)生的影響。絕大多數(shù)的同學(xué)認(rèn)識到金屬內(nèi)的E＝0，微粒在網(wǎng)內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動。但認(rèn)識不到金屬網(wǎng)的存在已改變了電場的分布，這不能不說是由于傳統(tǒng)教學(xué)從單一角度看待問題等過份簡化教學(xué)方法的結(jié)果。
用立體分析法分析：
?。?span lang=EN-US>1）情景分析：
師：與常見的平行板問題相比，本題多了金屬網(wǎng)，這意味著什么？
生：靜電屏弊作用，網(wǎng)內(nèi)的電場E＝0。
師：金屬網(wǎng)的存在，只影響網(wǎng)內(nèi)的電場嗎？
生：……
（2）電場分析
師：大家知道，微粒所受的電場力與所在處的電場E有關(guān)（F＝qE），由于大家經(jīng)常接觸平行板電容器（勻強(qiáng)電場），所以不太注意對電場分布的分析，有金屬網(wǎng)后的電場還是勻強(qiáng)電場嗎？電場線與金屬同表面有什么關(guān)系？電場線分布的改變意味著什么？
生：有金屬網(wǎng)后的電場不再是勻強(qiáng)電場，因?yàn)榻饘倬W(wǎng)是等勢體，電場線與網(wǎng)表面須垂直，電場線分布的改變必然影響電勢的分布。
（3）受力分析與運(yùn)動分析
生：從極板到網(wǎng)的過程只受電場力（不恒定），作變速運(yùn)動，網(wǎng)內(nèi)因只受洛侖茲力作用作勻速圓周運(yùn)動。Mv2／r＝qvB
?。?span lang=EN-US>4）對稱性分析
生：由于金屬網(wǎng)與極板之間距離的對稱性，上板與網(wǎng)及網(wǎng)與下板的電勢差各為U／2。
（5）功能關(guān)系分析
生：從極板到網(wǎng)，電場力做正功，微粒動能增加。網(wǎng)內(nèi)洛侖茲力不做功
?。?span lang=EN-US>6）幾何關(guān)系分析
生：如圖3所示，通過找圓心及尋找?guī)缀侮P(guān)系知道：r′＝r。
通過上述分析，我們不難得出正確答案 。我們感到，這種立體分析法沒有急于去進(jìn)行“模式識別”。“對號入座”，而是從多個角度先把問題分析透徹。在選擇角度的時候也沒有固定的模式，而是充分保持了思維的靈活性。
［例2］（選修本P246（10）題）
目前世界上正在研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī)，它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能。圖4表示出了它的發(fā)電原理：將一束等離子體噴射入磁場，磁場中有兩塊金屬板A、B，這時金屬板上就會聚集電荷，產(chǎn)生電壓。
?。?span lang=EN-US>1）初始受力分析
帶電粒子之間的作用力可忽略，帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用。
（2）初始運(yùn)動狀態(tài)分析
離子作勻速圓周運(yùn)動。
?。?span lang=EN-US>3）電場分析
設(shè)開關(guān)K處于斷開狀態(tài)，當(dāng)正負(fù)離子在A、B極板上積累增加后，空間不僅有磁場，還有電場，B極帶正電，A極帶負(fù)電，E方向向上。
?。?span lang=EN-US>4）暫態(tài)過程受力分析
我們將處于初始與穩(wěn)定狀態(tài)之間的狀態(tài)稱為暫態(tài)，這時離子的受力情況為：
洛侖茲力f洛，電場力fE，兩者方向相反且有f洛＞fE。
（5）暫態(tài)過程運(yùn)動分析
曲線運(yùn)動。
?。?span lang=EN-US>6）穩(wěn)定狀態(tài)分析
只要f洛＞fE，則帶電粒子仍作曲線運(yùn)動，電荷在板上積累仍將增加，fE將變大。最終必有f洛＝fE，即qv0B＝qε／dε＝v0Bd
(7）能量轉(zhuǎn)化分析
當(dāng)離子作曲線運(yùn)動時，洛侖茲力不做功，電場力做負(fù)功，電勢能增加，粒子運(yùn)動的動能減少，即離子將熱運(yùn)動的動能轉(zhuǎn)化成了電能。
（8）等效電路分析
A、B兩極之間的系統(tǒng)相當(dāng)于電源，ε＝v0Bd，設(shè)等離子體的電阻率為p，A、B板面積為S，則內(nèi)阻r＝pl／S＝pd／S，電路中的電流強(qiáng)度I＝ε／R＋r＝ε／R十pd／S）＝v0Bd／(R＋pd／s）。
［例3」（1996年上海高考題）如圖5所示，長為sin細(xì)繩的兩端，分別系于豎立在地面上0相距為4m的兩桿的頂端A、B。繩上掛一個光滑的輕質(zhì)掛鉤，其下連著重為G＝12N的物體。平衡時繩中的張力T＝()。
繩子的一端從A點(diǎn)沿桿勻速下移時，繩中的張力是否改變？繩子與豎直線的夾角是否改變？
（1）模型分析
畫出截面圖如圖5（b）所示，光滑掛鉤相當(dāng)于滑輪模型。
?。?span lang=EN-US>2）滑輪特點(diǎn)分析
如圖5（b）所示由于光滑，故T1＝T2，又由 ，得
?。?span lang=EN-US>3）平衡條件分析由 ，
?。?span lang=EN-US>4）幾何關(guān)系分析由相似直角三角形對應(yīng)邊成比例有：或由θ相等可得圖5（c），sinθ＝4／5。
?。?span lang=EN-US>5）動態(tài)分析
當(dāng)繩子的一端從A點(diǎn)沿桿勻速下移時，滑輪的特性、平衡條件、幾何約束關(guān)系均沒變，所以T及θ均不變。（繩一端下移，相當(dāng)于A、B之間的高度差變化，由于整個分析過程均與AB之間的高差無關(guān)，所以結(jié)論不變）。
除了滑輪以外，滑環(huán)、輕繩、輕桿、彈簧、斜面等類題目均可從多個角度進(jìn)行分析。
由于題目情景及問題的限制，有時分析的角度并不多，不利于對這類題目的全面把握，這時我們可以用題組的形式對情景進(jìn)行變化。
個案立體分析法需要我們選擇數(shù)量不多的典型例題，不厭其詳，深入解剖，務(wù)求透徹，使學(xué)生有一個牢固的框架和扎實(shí)的起點(diǎn)，養(yǎng)成靈活的思維習(xí)慣，并能逐步運(yùn)用自如。傳統(tǒng)方法與立體法的教學(xué)過程如下所示：
在解決實(shí)際問題中，在進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算之前，必須選擇建立恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，而模型的建立又必須對問題進(jìn)行詳細(xì)深入的分析，并粗略地估計(jì)各量的大小，以判斷什么是主要機(jī)制。傳統(tǒng)教學(xué)方法中最缺少的是建模前的思維活動。由于教師的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有這類問題屬于什么模型的知識，所以教師忽視了學(xué)生面臨建模時的各種思維活動和障礙。造成了思維過程的斷層，立體分析法則有針對性地致力于克服這種思維斷層。
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