羅鳳麗+陳剛

摘 要：本文利用任務(wù)分析法對新情境物理習(xí)題進行分析，理清解題的必要技能和策略，為教學(xué)的有序和有效奠定基礎(chǔ)。通過分析習(xí)題所采用的策略，提出弱方法是影響解新題的重要因素，在此基礎(chǔ)上，對物理習(xí)題教學(xué)提一點建議。

關(guān)鍵詞：新情境習(xí)題；任務(wù)分析法；物理習(xí)題教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）9-0015-4

1 問題解決

問題解決就是運用一系列的認知操作掃除障礙，將初始狀態(tài)轉(zhuǎn)化為目標狀態(tài)的過程。[1]從以上的定義我們可以看出：（1）一系列的認知操作是問題解決的必要條件，這些認知操作包括問題解決所需的必要技能和策略；（2）從初始狀態(tài)到目標狀態(tài)，中間需要經(jīng)過一個或多個中間狀態(tài)，在此過程中可能會產(chǎn)生一個個子問題。

從認知心理學(xué)對問題解決的定義來看，在物理學(xué)科中，真正的解決問題是學(xué)生解新情境習(xí)題。所謂新情境習(xí)題，指的是學(xué)生第一次遇到的問題，如果學(xué)生之前遇到過的，那就不是問題解決，只能算是練習(xí)。解新情境問題，尤其是復(fù)雜的問題，對于大部分同學(xué)來說是有一定難度的。要做到教學(xué)的有序和有效，教師必須課前理清問題解決的過程、所需的技能和策略。

2 任務(wù)分析法與物理問題解決

2.1 任務(wù)分析

任務(wù)分析是指詳細描述完成某一任務(wù)所需的行為技能的成分，把教學(xué)目標分解成構(gòu)成它們的簡單的子成分的過程，以便指導(dǎo)學(xué)生達到終點目標。任務(wù)分析法有兩種主要類型：信息加工分析和學(xué)習(xí)任務(wù)分析。信息加工分析主要描述完成某一任務(wù)的步驟，是將任務(wù)分解為學(xué)習(xí)者完成任務(wù)而必須執(zhí)行的步驟；學(xué)習(xí)任務(wù)分析是分析完成任務(wù)的先決條件（完成任務(wù)必須習(xí)得的知識或技能）。[2]物理習(xí)題屬于結(jié)構(gòu)良好問題，即使是新情境問題，其解題所需的技能和方法是可以確定的。任務(wù)分析法將復(fù)雜的技能逐步解構(gòu)成簡單的技能，有助于教師清晰地識別出完成任務(wù)所需的技能，為有效教學(xué)提供了依據(jù)。一般來說結(jié)構(gòu)良好的物理習(xí)題的任務(wù)分析應(yīng)包含以下方面[3]：

（1）顯過程：運用類似“任務(wù)描述法”清晰地描述習(xí)題解決的完整過程。

（2）清技能：運用類似“層級分析法”分析習(xí)題解決的每一步所需的必要技能。

（3）析策略：分析解題所采用的策略，并分析該策略對此問題的解決是強方法還是弱方法。

2.2 案例分析

（2016天津，12）電磁緩速器是應(yīng)用于車輛上以提高運行安全性的輔助制動裝置，其工作原理是利用電磁阻尼作用減緩車輛的速度。電磁阻尼作用可以借助如下模型討論：如圖1所示，將形狀相同的兩根平行且足夠長的鋁條固定在光滑斜面上，斜面與水平方向夾角為θ。一質(zhì)量為m的條形磁鐵滑入兩鋁條間，恰好勻速穿過，穿過時磁鐵兩端面與兩鋁條的間距始終保持恒定，其引起電磁感應(yīng)的效果與磁鐵不動、鋁條相對磁鐵運動相同。磁鐵端面是邊長為d的正方形，由于磁鐵距離鋁條很近，磁鐵端面正對兩鋁條區(qū)域的磁場均可視為勻強磁場，磁感應(yīng)強度為B，鋁條的高度大于d，電阻率為ρ。為研究問題方便，鋁條中只考慮與磁鐵正對部分的電阻和磁場，其他部分的電阻和磁場可忽略不計，假設(shè)磁鐵進入鋁條間以后，減少的機械能完全轉(zhuǎn)化為鋁條的內(nèi)能，重力加速度為g。

1）求鋁條中與磁鐵正對部分的電流；

2）若兩鋁條的寬度均為b，推導(dǎo)磁鐵勻速穿過鋁條間時速度v的表達式；

3）在其他條件不變的情況下，僅將兩鋁條更換為寬度b' >b的鋁條，磁鐵仍以速度v進入鋁條間，試簡要分析說明磁鐵在鋁條間運動時的加速度和速度如何變化。

2.2.1 顯過程

2.2.2 清技能

問題（1）

問題情境是金屬板切割磁感線，學(xué)生平常所解的都是“線”切割磁感線，從“線”切割磁感線過渡到“板”切割磁感線，需要有（1）—（6）的推理過程；該問所需的必要技能為：

a.會應(yīng)用微元法將鋁板分割成無數(shù)根長為d的鋁棒，建立起“線”切割磁感線模型；

b.會計算動生電動勢的大??；

c.會根據(jù)右手定則判斷電流方向，依據(jù)電流方向確定電阻長度和橫截面積，從而計算一根鋁棒的阻值；

d.運用等效法將磁鐵正對部分的鋁板等效為N個內(nèi)阻為Rn的電源并聯(lián)，并會求幾個電源并聯(lián)后的總電源和幾個電阻并聯(lián)后的總電阻；

e. 理解、應(yīng)用歐姆定律；

f. 會計算一根鋁棒受到的安培力大小，并運用疊加的思想求出鋁板受到的安培力大?。?/p>

g.理解電磁阻尼的相互阻礙作用，知道物體做勻速直線運動其受力平衡。

問題（2）

給出寬度b，在（1）的基礎(chǔ)上，該問的必要技能是：

a. 運用等效法將厚度為b的鋁塊等效于長度為d，橫截面積為db的鋁棒切割磁感線。

問題（3）

在第一問的（6）（8）得知磁鐵受力平衡時安培力F的表達式，當鋁條寬度變化時得到F'的表達式。通過比較F（F=mgsinθ）與F'的大小關(guān)系來推斷磁鐵的運動情況。依解題過程分析得到必要技能：

a.知道鋁條寬度變化對磁鐵所受安培力的影響；

b.依據(jù)安培力的表達式，知道磁鐵的下滑速度變化會影響安培力大小；

c.能根據(jù)物體的受力情況推斷其運動情況。

2.2.3 析策略

解決物理習(xí)題有弱方法和強方法。強方法是指習(xí)得的特定方法，保證能解決問題。對于本質(zhì)結(jié)構(gòu)相同的習(xí)題可以歸為一類，即對于這一類題存在強方法，如解決人-船模型的方法、解決物塊漂浮的方法等。強方法具有效率高的特點，但是只能在熟悉的領(lǐng)域中使用，其適用范圍窄。弱方法是當問題解決者并不知道怎么直接解決問題時求助的一種通用的問題解決策略。[4]弱方法有逆推法、手段-目標法、類推法、爬山法、類比法等；而審題、分析題、列方程、求解是物理習(xí)題求解的通用的弱方法，此外守恒法、對稱法、整體法、隔離法、圖像法等也屬于弱方法。對案例解題策略分析如下：endprint

問題（1）

問題解決最關(guān)鍵的是如何從金屬棒模型轉(zhuǎn)換到金屬板模型。解決不熟悉的問題，個體傾向于從熟悉的情境思考，通過類比將這兩種模型建立起聯(lián)系。依題意，首先運用微元法將鋁板分割成無數(shù)根長為d的鋁棒，建立起熟悉的鋁棒切割磁感線模型；利用等效法將磁鐵正對部分的鋁板等效為N個內(nèi)阻為Rn的電源直接并聯(lián)的電路模型，計算每一個鋁棒受到的安培力，并運用疊加法計算出整個鋁板受到的安培力大小。磁鐵受力平衡，磁鐵與鋁條有相互作用力，通過分析磁鐵的受力情況建立方程求解出電流大小。解決該問采用了類比法、微元法、等效法、疊加法和分析法，這些方法都屬于解題的弱方法。

問題（2）

通過（1）的計算知道可以把磁鐵正對部分的鋁板等效成長為d、橫截面積為db的鋁棒，此問主要使用等效法。

問題（3）

通過上述分析，解決此題主要使用了類比法、微元法、等效法、疊加法、分析法和假設(shè)-檢驗法等弱方法。弱方法雖然不一定能保證解決問題，但是可以避免盲目地嘗試錯誤，為個體提供了解題的思考方向。

3 總結(jié)與建議

紐威爾和西蒙將問題解決者對問題的客觀陳述的理解稱為問題空間，問題空間包括初始狀態(tài)、目標狀態(tài)以及轉(zhuǎn)換狀態(tài)的方法（算子）。問題解決就是找出穿越問題空間的路徑，形成正確的問題空間，運用正確的方式搜索問題空間是解決問題的必要條件。對于不熟悉的問題最重要的是理解和搜索，理解是指個體對問題的表征，依據(jù)這個表征，個體開始搜索解決問題的路徑，依靠弱方法以不斷減少初始狀態(tài)與目標狀態(tài)的距離。而任務(wù)分析法可以幫助教師課前梳理問題解決的過程和所需的必要技能，理清習(xí)題解決所需的方法、思路等并據(jù)此安排教學(xué)，一定程度上實現(xiàn)了教學(xué)的有序性和有效性。通過“清技能”環(huán)節(jié)分析發(fā)現(xiàn)，解題所需的必要技能學(xué)生基本都具備，但是卻不能解答習(xí)題，其中最重要的原因是缺乏解題需要的一些研究方法和思維方法（策略）。對于新情境習(xí)題解決，“審題”“分析題”主要是靠弱方法，在上述對案例的解題策略分析中也可以看到，解題過程中個體更多的是依靠弱方法，因此，教師在習(xí)題教學(xué)中不能只關(guān)注學(xué)生所具有的物理知識，還需注重解題過程中所蘊含的策略方法，“析策略”環(huán)節(jié)有助于教師發(fā)現(xiàn)解題過程中內(nèi)隱的策略。由于方法的運用具有隱性的、無意識的特征，教師應(yīng)注重將方法“顯性化”的教學(xué)，如解決問題后，教師可以提示問題（1）中所采用的策略是類比法，介紹逆推法的步驟并精心挑選實例讓學(xué)生運用策略。通過教授弱方法，可以減少盲目地嘗試錯誤，從而提高解題的效率。

此外，任務(wù)分析還可以讓教師更清晰地認識到試題對學(xué)生的難易程度，并依據(jù)學(xué)生的實際情況來改編試題。如通過對案例的必要技能和策略分析可以知道，若要從熟悉的“金屬棒切割磁感線模型”過渡到“金屬板切割磁感線模型”需要使用微元法、疊加法和等效法，如果學(xué)生從來沒有定量分析過金屬板切割磁感線模型，并且在試題沒有任何思路引導(dǎo)的情況下讓學(xué)生做這樣的習(xí)題顯然是不合適的，實際上這道習(xí)題的跨度對于很多學(xué)生來說是非常大的。新情境習(xí)題是考查學(xué)生問題解決能力的最佳方式，但是如果忽略學(xué)生實際的情況，再新穎的試題也達不到測試學(xué)生能力的目的。因此，建議在試題前加上如下的引導(dǎo)：

微元法是一種思維科學(xué)方法，通過把研究對象分為無限多個極小部分（微元）進行分析處理，找出微元部分的物理規(guī)律，再利用求和的方式來得出研究對象整體的變化規(guī)律。例如，如圖3所示，一塊長為b，寬為d，厚度為a的金屬板在勻強磁場中以速度v向右做勻速運動。研究金屬板切割磁感線時，我們可以將金屬板切割成N根長為b的金屬棒，每一根棒相當于一個內(nèi)阻為Rn的電源。整塊金屬板產(chǎn)生的電動勢等效于N個內(nèi)阻為Rn的電源并聯(lián)產(chǎn)生的。為研究方便，只考慮金屬板的電阻，其余的電阻忽略不計。設(shè)金屬板的電阻率為ρ，磁感應(yīng)強度為B。

1）推導(dǎo)Rn的表達式，并求出金屬板的電阻R，通過R的表達式你能得出什么結(jié)論；

2）求一根金屬棒受到安培力和整個金屬板受到安培力Fn，并推導(dǎo)金屬板受到的安培力F與通過金屬板總電流I的關(guān)系。

參考文獻：

[1]王小明.學(xué)習(xí)心理學(xué)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2009：232.

[2]（美）加涅，等.王小明，等，譯.教學(xué)設(shè)計原理[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2007：138-139.

[3]陳剛.物理教學(xué)設(shè)計[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2009：09-52.

[4]（英）S.lan Robertson.張奇，等，譯.問題解決心理學(xué)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2004：43.

（欄目編輯 趙保鋼）endprint