基于問題解決的物理創(chuàng)造性思維教學(xué)模式研究

譚志中 陸建隆

摘要：問題的解決過程是一種能力和智慧的生成的過程。從教育心理學(xué)的視角出發(fā)，分析了較為典型的物理問題解決的認知模式，探討了物理學(xué)科的特點與創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建了基于問題解決的物理創(chuàng)造性思維教學(xué)模式。該教學(xué)模式體現(xiàn)了科學(xué)探究教學(xué)思想與研究型學(xué)習(xí)理念，揭示了人類創(chuàng)造性思維教學(xué)活動的動態(tài)過程，滿足了不同個體在同一問題解決教學(xué)過程中存在的認知差異，能夠適用于多種層次的基礎(chǔ)物理教學(xué)和大學(xué)物理課堂教學(xué)活動，并應(yīng)用該教學(xué)模式對2個創(chuàng)新教學(xué)案例進行了有效的詮釋。

關(guān)鍵詞：

物理創(chuàng)新教學(xué)；問題解決；創(chuàng)新思維；教學(xué)模式；案例詮釋

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A文章編號：10054634（2015）05002906

0引言

人類社會已進入依靠新發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和創(chuàng)新的知識經(jīng)濟時代。一個沒有創(chuàng)新能力的民族很難屹立于世界民族之林。能否培養(yǎng)出大批創(chuàng)造型人才關(guān)系到中華民族的興衰存亡。2005年錢學(xué)森教授曾發(fā)問：為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才？“錢學(xué)森之問”成為中國教育界有識之士關(guān)注的焦點，是關(guān)于中國教育事業(yè)發(fā)展的一道深刻命題，需要教育界乃至社會各界共同破解。筆者認為培養(yǎng)杰出人才的關(guān)鍵是培養(yǎng)人的創(chuàng)造性思維。創(chuàng)造性思維是人類智慧的源泉，是宇宙中高級生命的主要特征。所以，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，首要是要培養(yǎng)人的創(chuàng)新思維。

比較典型和實用的教學(xué)理論由十九世紀德國教育家赫爾巴特提出 ，他 “明了、聯(lián)想、系統(tǒng)和方法”的教學(xué)程序體現(xiàn)了心理學(xué)中的思維過程，由此發(fā)展為后來的各種教學(xué)法。另外，由于研究者對教育的認知差異，不少教育家提出了不同的教育思想與教學(xué)方式。如杜威提出了以學(xué)生發(fā)展為中心的“從做中學(xué)”等教學(xué)思想，布魯納提出了認知結(jié)構(gòu)理論并且提出了“發(fā)現(xiàn)教學(xué)法”3，4：。進入21世紀，基于認知心理學(xué)的教學(xué)理論豐富多彩，已經(jīng)沒有哪種教學(xué)理論能夠獨霸天下。目前為止，關(guān)于創(chuàng)造性思維的研究通常還停留在理論探討的層面，空洞的說教難以產(chǎn)生實際的應(yīng)用效果。實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興需要培養(yǎng)大批創(chuàng)造型人才，這就需要探索出一種具體的培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的具有實際應(yīng)用價值的教學(xué)模式。

1物理創(chuàng)造性思維分析

1.1思維與問題解決

思維是人腦所具有的一種特有機能，是人腦對客觀事物的本質(zhì)屬性和事物之間內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律性所做出的概括與間接的反映，思維是內(nèi)化的動作（區(qū)別于外在的行為動作）。思維的基本方式包括：分析與綜合，比較與分類，抽象與概括，歸納與演繹，類比等等。依據(jù)思維材料（即思維加工的對象）不同以及腦區(qū)域活動不同，一般認為，人類思維的基本形式只有三種：形象思維、直覺思維、抽象思維，而創(chuàng)造性思維則蘊含于三種基本形式之中。依據(jù)研究需要及不同分類方法也可將思維分類為常規(guī)思維和創(chuàng)造性思維等，創(chuàng)造性思維是感性與理性的融合。

由于思維是內(nèi)化的動作，這種內(nèi)化動作的操作需要依賴于具體的對象[CD*4/5]問題，沒有具體的問題就不能為思維提供操作對象，只有產(chǎn)生了問題才會激發(fā)思維過程。所以，思維發(fā)端于問題，行進于問題，終止于問題。因此，培養(yǎng)創(chuàng)新思維必須基于問題與問題解決的研究與創(chuàng)新。

眾所周知，物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是一門將觀察、實驗和物理思維相結(jié)合的科學(xué)，同時又是一門有著嚴密的理論、帶有方法論性質(zhì)的科學(xué)。物理學(xué)在長期的發(fā)展過程中，形成了一整套研究問題和解決問題的方法，影響著人們的思想、觀點和方法。從物理學(xué)科及物理思維的特點可以看出物理學(xué)科蘊含著創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的有利因素。因此，基于物理問題解決培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力是一個比較理想的途徑與策略。通過問題的解決，不僅可以幫助學(xué)生建構(gòu)知識網(wǎng)絡(luò)，而且能夠幫助學(xué)生獲得解決問題的過程與方法，體驗積極的情感態(tài)度與價值觀，培養(yǎng)物理問題的解決能力和科學(xué)興趣的形成。

1.2物理創(chuàng)造性思維

創(chuàng)新思維是一種在現(xiàn)有知識的基礎(chǔ)上，通過改變事物原有結(jié)構(gòu)或?qū)⒁延杏^念應(yīng)用于新事物的思維能力。在學(xué)校教育中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力是教育工作者追求的目標。

物理創(chuàng)造性思維是指物理思維結(jié)果具有新奇性、獨創(chuàng)性、目的性和價值性的物理思維活動。首先，思維的產(chǎn)品必須是新奇的和有獨創(chuàng)的。當然，新奇、獨創(chuàng)的標準是相對的，對于成人和兒童不同，對于學(xué)習(xí)物理者和研究物理者也不同；其次，思維的產(chǎn)品必須符合物理思維的目的和具有一定的價值。物理創(chuàng)造性思維包括兩方面內(nèi)容：一是重新安排、組合已有的物理知識，創(chuàng)造出新的知識和形象；二是突破已有的物理知識，提出嶄新的見解、設(shè)想、思路、觀點等。

物理問題處在物理學(xué)科背景中，與大量專門知識相聯(lián)系，屬于知識豐富領(lǐng)域問題69：，這有許多與知識貧乏領(lǐng)域的問題解決有著不同的規(guī)律。隨著物理學(xué)科問題解決的心理學(xué)研究不斷深入，物理問題解決認知模式的研究已經(jīng)取得了比較理想的結(jié)果。文獻＼[9：基于現(xiàn)代認知心理學(xué)并兼顧傳統(tǒng)心理學(xué)的合理因素構(gòu)建了物理問題解決的認知模式，該模式體現(xiàn)了較強的操作性，能夠有效地應(yīng)用于研究型課堂教學(xué)活動。另外，創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)與學(xué)生個性培養(yǎng)是緊密相聯(lián)的，文獻＼[1：基于學(xué)生個性發(fā)展的教學(xué)理念提出了發(fā)展學(xué)術(shù)健全個性的彈性教學(xué)模式。本研究將基于以上研究成果構(gòu)建一種新的物理創(chuàng)造性思維教學(xué)模式，為物理教師開展創(chuàng)造性思維教學(xué)活動提供理論與實踐依據(jù)，同時為學(xué)生開展創(chuàng)新實踐活動提供理論指導(dǎo)。

1.3物理創(chuàng)造性思維歷史考察

歷史上關(guān)于創(chuàng)造性思維的研究一直比較含糊與混亂，直到1945年，德國心理學(xué)家韋索默（Werthermer）出版了名為《創(chuàng)造性思維》的專著，明確地提出了“創(chuàng)造性思維”這一概念，提出了格式塔的“結(jié)構(gòu)說”及頓悟思想。1967年，美國心理學(xué)家吉爾福特（J P Guilford）提出了“智力三維結(jié)構(gòu)”模型，認為創(chuàng)造性思維的核心是“發(fā)散思維”并由此應(yīng)用于教學(xué)實踐。1988年，美國耶魯大學(xué)教授斯滕伯格運用創(chuàng)造力內(nèi)隱理論分析法，提出了一種“創(chuàng)造力三維模型理論”。2000年，我國學(xué)者何克抗教授出版了《創(chuàng)造性思維理論[CD*4/5]DC模型的建構(gòu)與論證》，從本質(zhì)上回答了一些模糊的問題。

另外，再有2012年王如平著的《創(chuàng)造性思維的開發(fā)與培養(yǎng)》，2006年胡珍生與劉奎林合著的《創(chuàng)造性思維學(xué)概論》等。但是，專門研究物理創(chuàng)造性思維的文獻不多，主要有1996年田世昆與胡衛(wèi)平合著的《物理思維論》，2011年祝婭著的《物理發(fā)現(xiàn)中的哲學(xué)和創(chuàng)造性思維》，這些理論研究對推動物理創(chuàng)造性思維教學(xué)研究發(fā)揮了積極作用。然而，物理創(chuàng)造性思維在教學(xué)實踐中還需要澄清一些認識上的錯誤，基于問題解決的物理創(chuàng)造性思維教學(xué)模式在理論和實踐方面的研究還不太理想，還需要與時俱進地構(gòu)建新的理論指導(dǎo)實踐應(yīng)用。

2物理問題解決的認知模式

所有的認識都可用過程與狀態(tài)這一對范疇來描述9，10：，即：狀態(tài)1→過程→狀態(tài)2，狀態(tài)是指個體的認知圖式（已有的知識水平與技能）。這只是對事物認識過程的宏觀描述，然而對不同事物的認識卻有著不同的微觀過程，人們所要揭示的正是具體問題解決的復(fù)雜多變的微觀過程。文獻＼[9：基于認知心理學(xué)理論構(gòu)建了適合于物理問題解決的認知模式，如圖1所示。該模式結(jié)構(gòu)遞進，層次分明，各階段處于動態(tài)聯(lián)結(jié)之中，滿足了不同認知水平的問題解決過程的實際需要，易于實際教學(xué)操作。筆者在研究型教學(xué)活動中應(yīng)用該模式已經(jīng)取得了不少研究成果1116：。

該認知模式考慮到了物理問題解決過程的非線性特點，構(gòu)造了問題解決過程的循環(huán)和交替變化的流程，使得個體解決問題的階段性具有漸進性和突變性。由于物理問題都是與大量專門物理和數(shù)學(xué)知識相聯(lián)系的，物理問題解決通常不是簡單的線性關(guān)系，有時存在頓悟情形而產(chǎn)生跳躍，有時存在圖式激活9：情形而使思路清晰。顯而易見，物理問題解決過程具有非線性和突變性，其所經(jīng)歷的階段不是固定的。圖1所示的認知模式兼容了不同個體（新手和專家）關(guān)于物理問題解決的認知過程：對專家而言通常是“有圖式激活”，過程，其步驟往往是跨越式的，問題解決比較順暢；對于新手而言通常會出現(xiàn)“無圖式激活”9：情形，需要探索“尋求解答”，問題解決過程往往經(jīng)過循環(huán)反復(fù)，出現(xiàn)漸進性和突變性，尋求問題解答的過程呈現(xiàn)動態(tài)生成性。

有圖式激活情形下的問題解決往往采用常規(guī)思維方法，因為該情形下的解題過程中使用的知識基本上是書本上給出的基礎(chǔ)知識，可以根據(jù)已有的樣例（例題）提供的步驟直接給出問題的解答。無圖式激活情形下的問題解決往往需要采用創(chuàng)新思維，因為在該情形下書本上沒有提供現(xiàn)成的樣例，之前學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識不能直接用來解決問題，必須采用不同思路或方法。研究表明開展無圖式激活情形下的問題解決教學(xué)是實現(xiàn)創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的基本手段。

3物理創(chuàng)造性思維教學(xué)模式構(gòu)建

所有的教學(xué)皆可用“教學(xué)準備[CD*4/5]教學(xué)過程[CD*4/5]教學(xué)評價”來描述。教學(xué)準備主要是明確教學(xué)目標，了解學(xué)生狀況（原有的認知圖式），進而創(chuàng)設(shè)問題情境，為教學(xué)過程做準備。教學(xué)過程可以用“狀態(tài)與過程”這一對范疇來描述，而過程隨不同教師的教學(xué)風(fēng)格不同而不同。這些只是對教學(xué)的宏觀描述，然而對不同內(nèi)容的教學(xué)卻有著不同的微觀過程。事實上，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)應(yīng)該是一種彈性教學(xué)，教學(xué)過程有彈性才有利于適應(yīng)不同的教學(xué)內(nèi)容與學(xué)習(xí)個體。一個好的教學(xué)模式在于其靈活性和易于操作。

基于上述分析研究，筆者認為培養(yǎng)物理創(chuàng)新思維能力的教學(xué)主要是基于問題解決與創(chuàng)新。根據(jù)一般認識論的“過程論”，筆者構(gòu)建了物理創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的教學(xué)操作流程，如圖2所示。

物理創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的教學(xué)操作流程之核心要素是問題解決，其認知過程可以用圖1的模式來表征，其具有非線性、多樣性、靈活性、動態(tài)生成性。該教學(xué)操作流程包含了6個基本要素：教學(xué)目標、認知圖式、情境、問題、問題解決、評價與調(diào)節(jié)。其中右邊的認知圖式★是在左邊認知圖式基礎(chǔ)上的發(fā)展與進化。對這6個基本要素的理解是實施物理創(chuàng)造性思維能力教學(xué)活動的關(guān)鍵（限于篇幅，此處不再展開論述）。

4基于教學(xué)模式的實踐案例

作為對所建構(gòu)的物理創(chuàng)造性思維教學(xué)模式的理解與應(yīng)用，這里擬給出2個具體的教學(xué)實踐案例。這其實是用本文構(gòu)建的模式對過去創(chuàng)造性思維教學(xué)的案例詮釋。限于篇幅所限，下列案例中筆者僅僅著重于創(chuàng)新思維過程的教學(xué)分析研究而略去詳細的教學(xué)過程。

案例1：大擺角單擺運動周期的創(chuàng)新思維教學(xué)[ZK）][BT）]

教學(xué)問題：探究無阻尼單擺的動力學(xué)方程及大擺角單擺運動周期?；緱l件是已知擺長為L，最大擺角為θ0的單擺作無阻尼運動。

對于大學(xué)生而言，單擺問題已經(jīng)在中學(xué)時就有了初步的認識，而之前學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)動定理為學(xué)生推導(dǎo)無阻尼單擺的動力學(xué)方程奠定了理論基礎(chǔ)。

1） 問題1的解決（推導(dǎo)單擺的動力學(xué)方程）。單擺受力分析如圖3所示。 擺球（質(zhì)點）受重力G和細繩張力F作用，以懸點O為轉(zhuǎn)動軸，單擺受到的力矩為（屬于有圖式激活）：

[JZ]M=-mgLsinθ

根據(jù)轉(zhuǎn)動定理M=Iβ可得到單擺的動力學(xué)方程（化簡之后）：