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為了有效地指導中學的物理教學，高考試題中將包含更多的解決實際問題的試題，教育部對有四省參加的理科綜合考試提出的指導思想是“以能力測試為主導，考查考生在中學所學這些相關課程基礎知識、基本技能的掌握程度和運用這些基礎知識分析、解決問題的能力”。“強調(diào)理論聯(lián)系實際，注重考查分析問題和解決問題的能力，以利于對學生創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(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際問題，并將其理想化，使其納入典型的物理模型，讓學生記住結論，這種方法沒有注重學生對實際問題的思考、分析、處理過程，把學生訓練成“模式識別”的機器，既加重學生的負擔，又沒有培養(yǎng)學生的能力，當學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)代認知心理學對解決實際問題本質(zhì)認識的基礎上，提出了培養(yǎng)學生解決實際問題能力的教學原則與方法。
一、知識的類型及傳統(tǒng)教學方法的缺陷
1、知識的類型
在斯皮羅提出的令人注目的認知靈活性理論中，知識被劃分為良構領域的知識和非良構領域的知識，所謂良構領域的知識，是指有關某一主題的事實、概念、規(guī)則和原理。它們是以一定的層次結構組織在一起，即有良好的組織，教師只要講清它們之間的相互聯(lián)系，學生就不難掌握了。非良構領域的知識則是將良構領域的知識應用于具體問題情景中時產(chǎn)生的知識，即有關概念應用的知識。非良構領域的知識具有以下兩大特性：（1）概念的復雜性，知識應用的每一個實例，都同時涉及到許多概念，這些概念都有其自身的復雜性，而且，這些概念存在著相互作用與影響。（2）實例的不規(guī)則性，每個實例所涉及概念的數(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)教學方法的缺陷
在傳統(tǒng)的教學中，學生之所以不能將課堂上所學的知識靈活地應用到新的實際情景中，是由于學校所教知識都是經(jīng)過簡化處理（理想化、模型化）后的結構性知識，也就是說：學生普遍在用學習良構領域知識的方法學習非良構領域的知識，具體表現(xiàn)在：
?。?span lang=EN-US>1）相加傾向，孤立地學習復雜事物的各個部分，以為重新整合這些部分時，各個部分的特征仍能保留。例如有的教師認為，我把基本概念、基本規(guī)律都講清楚了，學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?，這說明你們做的題還不夠多，這就產(chǎn)生了“題海戰(zhàn)術”。
?。?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構恰是下面的結構，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構只有兩類。通常我們把復雜的運動過程進行分段處理，這對許多問題都行之有效。但有的同學在做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，認為運動員先跳上去，到達最高點以后才開始完成動作，導致錯誤，這種錯誤的產(chǎn)生與分段處理運動過程的定勢沒有關系嗎？
?。?span lang=EN-US>3）隔離傾向，孤立地處理實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”就是這種傾向的結果。
總之，在實際問題領域，沒有任何單一的圖式能涵蓋實例的所有東西，更沒有任何圖式能統(tǒng)帥廣泛范圍的實例。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)象和實例就是一種嚴重的過份簡化，將會使學習者對概念應用（解決實際問題）產(chǎn)生片面的、靜止和機械的認識，勢必會阻礙學習者在新情境中靈活使用所學知識，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、解決實際問題的教學原則與方法
斯皮羅等人提出的認知靈活性理論是從信息加工的角度解釋建構性學習的過程，以揭示學習者在實際情境中靈活應用知識的心理機制，從而發(fā)展出一套教學設計的原則，來培養(yǎng)學習者靈活應用知識的能力，很顯然，這一目標與目前培養(yǎng)創(chuàng)新精神為特征的素質(zhì)教育目標是符合的。
1、解決實際問題教學的原則
整合性原則
傳統(tǒng)認知理論認為學習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。
整合性原則認為學習者必須將目前情景中的信息與自己的先前知識結合在一起，才能對意義形成一個完整而適當?shù)谋碚?。例如對前面走著一個“留著長發(fā)穿著衣服的人”，我們要針對當前具體情景──大街上、藝術家、變態(tài)者及標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系。
?。?span lang=EN-US>2）雙向建構原則
雙向建構指的是學習者既通過先前知識建構當前事物的意義，又根據(jù)具體實例的變異性重新建構先前知識。
由于雙向建構是一個相互作用過程，教師的作用代替不了學生的作用，所以學習者必須積極參與學習，必須時刻保持認知靈活性，這要求我們不能只講結論，而必須注重學生的探究過程。
?。?span lang=EN-US>3）多角度原則
多角度原則指學習者要帶著不同目的從不同角度進行多次交叉反復的學習，只有這樣才能把握概念的復雜性并促進遷移。
?。?span lang=EN-US>4）多情景原則
多情景原則，指的是對同一內(nèi)容，學習者要在不同時間，不同情景中進行學習，這種反復絕非為了鞏固知識技能而進行的簡單重復，因為每一次的學習情景中存在著互不重合的方面，可使學習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要避免抽象地講解概念及一般地如何應用，而是把概念具體到一定的實例中，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。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再經(jīng)過3T／4后的位置和速度方向，結果得分率不高。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例中。
2、解決實際問題的教學方法
從教學原則我們演繹得到解決實際問題的教學方法──個案立體分析法。
我們這里的個案就是需要解決的實際問題，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)復習、總復習）、不同情景，從不同角度（情景、模型、場、受力、運動、過程、狀態(tài)。做功、隱含條件、幾何聯(lián)系等等）所進行的分析。
我們平時的教學以講解抽象的概念、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，雖然也講一些實例，但由于多從單一角度分析或過分簡化，學生仍未能將他們頭腦中的知識體系與實際問題很好地結合起來，實例處于一種“游離”狀態(tài)。個案──立體分析法就在于通過學生的雙向建構活動，使實際問題在多方面與知識體系發(fā)生聯(lián)系，這樣實例就不會處于“游離”狀態(tài)，每一個實例都將成為一個個堅固的結合點，使抽象知識進一步具體化。由于在知識體系兩側生長了豐富的實例，所以知識結構不再是平面的網(wǎng)狀而成為立體式的。
3.教學范例
[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（不計重力），從小孔處以初速度為零進入電場，并從A點進入金屬網(wǎng)，從D點離開金屬網(wǎng)，CD是金屬網(wǎng)的水平直徑的兩端，則金屬網(wǎng)中的磁感應強度為
錯解及錯解分析：
產(chǎn)生錯誤的原因是學生沒有全面地分析“金屬網(wǎng)”產(chǎn)生的影響。絕大多數(shù)的同學認識到金屬內(nèi)的E＝0，微粒在網(wǎng)內(nèi)做勻速圓周運動。但認識不到金屬網(wǎng)的存在已改變了電場的分布，這不能不說是由于傳統(tǒng)教學從單一角度看待問題等過份簡化教學方法的結果。
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：……
?。?span lang=EN-US>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（F＝qE），由于大家經(jīng)常接觸平行板電容器（勻強電場），所以不太注意對電場分布的分析，有金屬網(wǎng)后的電場還是勻強電場嗎？電場線與金屬同表面有什么關系？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電場，因為金屬網(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），作變速運動，網(wǎng)內(nèi)因只受洛侖茲力作用作勻速圓周運動。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。
?。?span lang=EN-US>5）功能關系分析
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）幾何關系分析
生：如圖3所示，通過找圓心及尋找?guī)缀侮P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。
?。劾?span lang=EN-US>2］（選修本P246（10）題）
目前世界上正在研究的一種新型發(fā)電機叫磁流體發(fā)電機，它可以把氣體的內(nèi)能直接轉化為電能。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。
（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。
?。?span lang=EN-US>2）初始運動狀態(tài)分析
離子作勻速圓周運動。
?。?span lang=EN-US>3）電場分析
設開關K處于斷開狀態(tài)，當正負離子在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極帶負電，E方向向上。
（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。
?。?span lang=EN-US>5）暫態(tài)過程運動分析
曲線運動。
?。?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）能量轉化分析
當離子作曲線運動時，洛侖茲力不做功，電場力做負功，電勢能增加，粒子運動的動能減少，即離子將熱運動的動能轉化成了電能。
?。?span lang=EN-US>8）等效電路分析
A、B兩極之間的系統(tǒng)相當于電源，ε＝v0Bd，設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，電路中的電流強度I＝ε／R＋r＝ε／R十pd／S）＝v0Bd／(R＋pd／s）。
?。劾?span lang=EN-US>3」（1996年上海高考題）如圖5所示，長為sin細繩的兩端，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，光滑掛鉤相當于滑輪模型。
?。?span lang=EN-US>2）滑輪特點分析
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）幾何關系分析由相似直角三角形對應邊成比例有：或由θ相等可得圖5（c），sinθ＝4／5。
?。?span lang=EN-US>5）動態(tài)分析
當繩子的一端從A點沿桿勻速下移時，滑輪的特性、平衡條件、幾何約束關系均沒變，所以T及θ均不變。（繩一端下移，相當于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，所以結論不變）。
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，務求透徹，使學生有一個牢固的框架和扎實的起點，養(yǎng)成靈活的思維習慣，并能逐步運用自如。傳統(tǒng)方法與立體法的教學過程如下所示：
在解決實際問題中，在進行詳細分析計算之前，必須選擇建立恰當?shù)奈锢砟Ｐ?，而模型的建立又必須對問題進行詳細深入的分析，并粗略地估計各量的大小，以判斷什么是主要機制。傳統(tǒng)教學方法中最缺少的是建模前的思維活動。由于教師的認知結構中已有這類問題屬于什么模型的知識，所以教師忽視了學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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