高中教育培訓(xùn) 高中教育培訓(xùn) 發(fā)布時(shí)間： 2016年06月01日
物理解題屬于問(wèn)題解決的范疇，是認(rèn)知心理學(xué)的一個(gè)重要課題。但它又有明顯的單學(xué)科特征，解物理題需要引用物理學(xué)科的知識(shí)，因此對(duì)物理解題進(jìn)行心理學(xué)的研究和探討無(wú)疑對(duì)物理教學(xué)是有積極意義的，對(duì)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維也是有幫助的。
一、物理解題概述 近年來(lái)解題研究指出：一個(gè)問(wèn)題是指一個(gè)不能及時(shí)達(dá)到的目標(biāo)，為求達(dá)到這個(gè)目標(biāo)所作的體力或心理的行動(dòng)叫做問(wèn)題解決。解題時(shí)必須要遵從一定的法則。故一個(gè)問(wèn)題應(yīng)包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：（1）始態(tài)（initialstate）──問(wèn)題所給予的已知情況，物理習(xí)題中的已知條件；（2）終態(tài)（goglstate） ──解題時(shí)要達(dá)到的最終目標(biāo)，物理題中的所求；（3）操作法則（operator）──應(yīng)用這些法則把問(wèn)題由始態(tài)轉(zhuǎn)變成終態(tài)，在物理解題中包括要符合的物理定律原理也要符合人們認(rèn)識(shí)的規(guī)律。 在解題過(guò)程中，解題者要由始態(tài)開(kāi)始，通過(guò)一系列的問(wèn)題態(tài)，到達(dá)終態(tài)。由始態(tài)到終態(tài)的所有問(wèn)題態(tài)構(gòu)成了問(wèn)題空間，而問(wèn)題態(tài)的轉(zhuǎn)變需要解題者作出某些心理操作，這樣就構(gòu)造了解題的心理圖象。這心理圖象是個(gè)人化的，它因人而異，它所包含的信息可以較問(wèn)題本身的信息為多或?yàn)樯伲鞘芙忸}者貯存在長(zhǎng)期記憶里知識(shí)的影響。也就是說(shuō)，解題者根據(jù)自己已有的知識(shí)來(lái)構(gòu)造心理圖象和尋找題解。許多時(shí)，問(wèn)題空間很大，容許操作的法則也很多。就是一題多解；有時(shí)問(wèn)題空間雖然很大，容許操作的法則卻很有限，相應(yīng)的問(wèn)題解法也就較少。 解題過(guò)程也是一個(gè)非常復(fù)雜的信息處理過(guò)程，解題者則是一個(gè)信息處理系統(tǒng)，解題就是系統(tǒng)跟問(wèn)題的相互作用。解題取決于這個(gè)信息處理系統(tǒng)的特性和問(wèn)題結(jié)構(gòu)。問(wèn)題結(jié)構(gòu)限制解題的過(guò)程，提供一些可行的行動(dòng)；解題者的特性是指他短期記憶的容量，長(zhǎng)期記憶貯存的知識(shí)和貯藏及提取這些知識(shí)所需的時(shí)間，貯藏的知識(shí)“模塊”（基題）越多，提取這些“模塊”的速度越快，解題的效率就越高。 二、物理解題中的心理操作 解題時(shí)，將題目所描述的物理現(xiàn)象譯成物理圖象輸入大腦暫時(shí)儲(chǔ)存，而后大腦將進(jìn)行一系列復(fù)雜的心理操作，使問(wèn)題得以解決。進(jìn)行心理操作，一是要有操作對(duì)象，二是要有一定的操作規(guī)則（包括操作的先后次序）。物理解題中的心理操作對(duì)象是貯存于大腦長(zhǎng)久記憶中物理知識(shí)的基本模塊。而這些“模塊”信息量的大小，集成化程度的高低，因人而異，各不相同。操作規(guī)則必須符合本門(mén)學(xué)科的原理和人們認(rèn)識(shí)的規(guī)律。所謂心理操作是指對(duì)這些“模塊”進(jìn)行加工、組合、銜接、再造的心理過(guò)程。沒(méi)有這些“模塊”，心理操作就失去了原料。不能要求一個(gè)毫無(wú)物理知識(shí)的人去解物理題，不論他如何聰明，也不會(huì)解出物理題來(lái)，道理很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵谒竽X的長(zhǎng)久記憶里沒(méi)有貯存加工的“模塊”，巧婦難為無(wú)米之炊就是這個(gè)道理。 物理解題的心理操作一般分三個(gè)階段進(jìn)行： 第一階段為檢索提取階段。當(dāng)要解的習(xí)題輸入大腦后，一旦被吸引去開(kāi)始解決時(shí)，我們?cè)械闹R(shí)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐知覺(jué)就會(huì)向著一定問(wèn)題的方向去變化、檢索、識(shí)別而后提取貯存于大腦長(zhǎng)期記憶里相近、相似的“模塊”。這些“模塊”可以是物理某部分、某單元的知識(shí)，也可以是同類(lèi)型的基本習(xí)題。第一階段的工作為第二階段的加工提供了原料和必要的準(zhǔn)備。當(dāng)然，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，不見(jiàn)得一次就能將“模塊”提取的十分準(zhǔn)確，有時(shí)在加工的過(guò)程中還可反復(fù)檢索，反復(fù)提取。 第二階段為溝通加工階段。這一階段是心理操作十分重要的階段，它包括采納、排除、分解、組合、遷移、選擇、改造、銜接：溝通等操作環(huán)節(jié)。通過(guò)以上的操作，使問(wèn)題空間逐步確定，逐步明朗。溝通思路，形成策略。在這了階段要對(duì)原有的“模塊”加工再造，重新進(jìn)行組織，大腦皮層的暫時(shí)神經(jīng)聯(lián)系在有些部位出現(xiàn)新的開(kāi)通，有些部位產(chǎn)生暫時(shí)關(guān)閉，進(jìn)行新的改組，這時(shí)候新的創(chuàng)造思維就會(huì)產(chǎn)生。解題從某個(gè)角度講就是一種創(chuàng)造，當(dāng)解決別人從未解決的問(wèn)題時(shí)更是如此。 在進(jìn)行操作時(shí)，有時(shí)需要把整體“模塊”分成元件，直至不能再分。把每一個(gè)“模塊”所含的元素按需要排列，按需要將上述被分解的元素重新組合，依所提供的信息充分想象，還要克服思維定勢(shì)的影響，使問(wèn)題空間逐步確定，形成解題策略。 第三個(gè)階段為反饋輸出階段，經(jīng)過(guò)第二階段的溝通加工，方案策略已經(jīng)形成，再經(jīng)過(guò)編輯、優(yōu)化、計(jì)算、檢驗(yàn)，使被加工的信息系統(tǒng)化、條理化，這就達(dá)到了問(wèn)題的終態(tài)。這時(shí)將已加工完畢的信息分為兩部分：一部分通過(guò)職能器官輸出，一部分又回輸（反饋）到大腦成為新的“模塊”貯于長(zhǎng)期記憶。我們將心理操作過(guò)程用框圖示意如下： 心理操作是個(gè)人化的思維圖式。有些人在問(wèn)題空間中漫無(wú)邊際的思索，但無(wú)法組織，終無(wú)所獲。有些人卻能在問(wèn)題空間中用極為有限的搜尋來(lái)代替幾乎無(wú)法窮盡的搜索，甚至有條不紊地走向目的，不出現(xiàn)任何嘗試的錯(cuò)誤。 三、解題實(shí)例分析
例1，一個(gè)質(zhì)量為m，帶有電荷為q的物件可在水平軌道ox運(yùn)動(dòng)，O端有一與軌道垂直的固定墻。軌道處于勻強(qiáng)電場(chǎng)中，場(chǎng)強(qiáng)的大小為E，h向沿ox是正向，如圖二所示，小物體以初速vo從xo沿ox軌道運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)受到大小不變的摩擦力f作用，且f＜Eq，設(shè)小物體與墻碰撞時(shí)不損失機(jī)械能，且電量保持不變，求它在停止運(yùn)動(dòng)前所通過(guò)的總路程S0（1989年高考題） 
解：如果我們將上述問(wèn)題所描述的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析，將會(huì)從大腦的長(zhǎng)期記憶中提取“電勢(shì)能”、“動(dòng)能”、“摩擦力作功”、“功能原理”四個(gè)基本知識(shí)模塊。而這四個(gè)模塊間有什么聯(lián)系，是怎樣銜接起來(lái)的呢？下面我們分兩種情況來(lái)討論：如果沒(méi)有摩擦力，由于物體與墻壁的碰撞井不損失能量，因此物體的功能和電勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)化，但功能和電勢(shì)能的總和是守恒的；在有摩擦力的情況下，摩擦力的方向與小物體的運(yùn)動(dòng)方向相反，動(dòng)能和電勢(shì)能都會(huì)逐漸減少，最后將停在O點(diǎn)。這就是小物體克服摩擦力所做的功等于減少的動(dòng)能和電勢(shì)能之和。我們可以用框圖表示如下： 
“模塊2”與“模塊3”從不同的方面描寫(xiě)了物體狀態(tài)的變化，“模塊1”描寫(xiě)克服摩擦力作功的過(guò)程。物體狀態(tài)的變化，顯然是因摩擦力作功而引起，這樣“模塊1” 與“模塊2、3”之間就有了困果聯(lián)系，而二者的定量關(guān)系是由“模塊4”（功能原理）銜接起來(lái)的。因?yàn)楸締?wèn)題所求物體的后路程是與過(guò)程量功密不可分的物理量，同樣出現(xiàn)在作功的全過(guò)程中，所以提取摩擦力作功的模塊是有道理的。依照?qǐng)D三列式計(jì)算并不困難，此處計(jì)算從略。 
例2，如圖所示，在水平光滑的桌面上放一個(gè)質(zhì)量為M的玩具小車(chē)，和小車(chē)的平臺(tái)（小車(chē)的一部分）上有一質(zhì)量可以忽略的彈簧。一端固定在平臺(tái)，另一端用質(zhì)量為m的小球?qū)椈蓧嚎s一定距離后用細(xì)線(xiàn)捆住，用手將小車(chē)固定在桌面上，然后燒斷線(xiàn)，小球就被彈出，落在車(chē)上A點(diǎn)
。如果小車(chē)不固定而燒斷細(xì)線(xiàn)，球?qū)⒙湓谲?chē)上何處？設(shè)小車(chē)足夠長(zhǎng)。球不致落在車(chē)外。（1987年高考題） 解：本題可以分小車(chē)動(dòng)與不動(dòng)兩種情況，四個(gè)基本物理過(guò)程，即“小車(chē)不動(dòng)時(shí)小球的平拋運(yùn)動(dòng)”，“小車(chē)動(dòng)時(shí)小球與小車(chē)的相互作用”、“小球?qū)π≤?chē)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)”，“小車(chē)動(dòng)時(shí)小球的平拋運(yùn)動(dòng)”。每一個(gè)物理過(guò)程可以認(rèn)為是儲(chǔ)存了一定信息的模塊。每個(gè)模塊統(tǒng)攝了許多物理知識(shí)，為小球的乎拋運(yùn)動(dòng)，包括了平拋的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，重力作用的瞬時(shí)效應(yīng)，空間積累效應(yīng)，時(shí)間積累效應(yīng)，小車(chē)動(dòng)時(shí)情況更復(fù)雜。但是經(jīng)過(guò)分解、篩選可以發(fā)現(xiàn)四個(gè)過(guò)程都與速度緊密相連，這就有可能通過(guò)速度將四個(gè)物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，如框圖所示： 
在圖五中已圖示了每一“模塊”的從屬關(guān)系，所應(yīng)滿(mǎn)足的物理規(guī)律以及它們之間相互聯(lián)系的銜接條件。這樣解題的思路已經(jīng)溝通，再構(gòu)造數(shù)學(xué)模型去解是并不難的。 例3，一根細(xì)繩跨過(guò)一定滑輪，兩端分別有質(zhì)量為m及M的物體，如圖六，且 
M＞m，M靜止在地面上，當(dāng)m自由下落h距離后，繩子開(kāi)始與m、M相互作用，在極短時(shí)間內(nèi)繩子被拉緊，求繩子剛剛被拉緊時(shí)，M能上升的最大高度？ 解：本題整個(gè)的物理過(guò)程可分為三個(gè)階段。第一階段：m作自由落體運(yùn)動(dòng)。第二階段：繩子分別與物體相互作用。第三階段：m及M分別作勻變速運(yùn)動(dòng)。三個(gè)階段的聯(lián)系是：第一階段m作自由落體運(yùn)動(dòng)的末速度v恰是第二階段m與繩相互作用前的初速度。第二階段m、M與繩子相互作用后的速度V就是第三階段M作變速運(yùn)動(dòng)的初速度。如圖七所示。 
從圖七我們可以看出每一個(gè)階段實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)知識(shí)“模塊”，但每一“模塊”所包含的知識(shí)容量并不相同，每一“模塊”有各自的特點(diǎn)和應(yīng)該滿(mǎn)足的規(guī)律。這些規(guī)律就是操作規(guī)則。這三個(gè)“模塊”自然地銜接起來(lái)就構(gòu)成了一個(gè)完整清晰的圖象，再計(jì)算是不難的。 人類(lèi)認(rèn)識(shí)的理論不僅要解釋人怎樣進(jìn)行復(fù)雜的思維和解題工作，還要解釋人是怎樣學(xué)會(huì)這么作的。研究解題者對(duì)物理問(wèn)題構(gòu)造的心理圖象，目的是了解他們對(duì)物理知識(shí)的組織和加工能力。在物理學(xué)習(xí)上重理解輕記憶的作法是不足取的，也是沒(méi)有根據(jù)的。解題的成功者在于他們擁有高度組織的物理知識(shí)，并在記憶中貯藏了不少相類(lèi)似問(wèn)題的題解。在物理教學(xué)中只讓學(xué)生盲目作題，不講習(xí)題的溝通和演變、不引導(dǎo)學(xué)生作正確的定性分析也是不可取的。凡成功的解題者，解題策略好的，大都是先對(duì)問(wèn)題作定性分析，探索到解題思路后，才作定量分析。 近年來(lái)國(guó)外有些物理教育家紛紛呼吁應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生定性推理能力。我國(guó)近幾年的高考試題也加大了定性分析考題的成分，注意把重點(diǎn)轉(zhuǎn)向知識(shí)技能的習(xí)得過(guò)程。但是我們?nèi)孕杓訌?qiáng)物理解題的心理過(guò)程研究，加強(qiáng)物理解題的定性分析，這不僅有助于學(xué)生解題策略的形成，也有助于學(xué)生創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。
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