劉增澤 童大振 潘蘇東

（華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院，上海 200062）

復(fù)雜問題解決能力是心理學(xué)與教育學(xué)研究的重要內(nèi)容，從20世紀(jì)70年代開始，復(fù)雜問題解決能力引發(fā)了諸多專家學(xué)者的關(guān)注.進(jìn)入到21世紀(jì)后，復(fù)雜問題解決能力成為多國基礎(chǔ)教育所追求的課程目標(biāo)，經(jīng)濟合作與發(fā)展組織在提出21世紀(jì)技能和能力的理論框架時，將復(fù)雜問題解決能力作為其中的一個重要成分，并將其納入國際學(xué)生評估項目和國際成人能力測評項目的評估體系.［1］我國在2016年發(fā)布的《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》中指出學(xué)生要有能在復(fù)雜情境中解決問題的行動能力.［2］這些政策內(nèi)容意味著，中國教育的目標(biāo)已經(jīng)從學(xué)業(yè)成績走向?qū)ΜF(xiàn)實社會的適應(yīng)，學(xué)生不僅要能解決學(xué)業(yè)測驗中的問題，還要具備解決現(xiàn)實中復(fù)雜問題的能力.［3］

物理學(xué)科是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會及科技的發(fā)展密切相關(guān)，物理課程目標(biāo)中明確指出學(xué)生應(yīng)能夠運用物理觀念解決實際問題.［4］從文件中可以明確，4大物理核心素養(yǎng)中物理觀念的培養(yǎng)的目標(biāo)之一是能夠解決實際問題，而現(xiàn)代生活中的實際問題多是復(fù)雜問題.因此，復(fù)雜問題解決能力的培養(yǎng)是物理學(xué)科教學(xué)的重要內(nèi)容.以往教學(xué)主要關(guān)注學(xué)生解決基礎(chǔ)物理問題的能力，忽略了復(fù)雜問題解決能力，造成學(xué)生難以將所學(xué)知識遷移應(yīng)用到生活之中，成為“紙上問題解決能力”.隨著物理核心素養(yǎng)的落地與推廣，復(fù)雜問題解決能力應(yīng)是物理學(xué)科教學(xué)追求的重要目標(biāo).

1 物理復(fù)雜問題的特征

復(fù)雜問題解決是指問題解決者與動態(tài)的任務(wù)環(huán)境之間成功交互的過程.［3］復(fù)雜問題情境通常是結(jié)構(gòu)不良的，問題初始階段的信息并不完整，問題指向不明，需要在個體與問題場景的交互中收集有效信息，探索解決方法.［5］有學(xué)者在大量研究的基礎(chǔ)上總結(jié)了復(fù)雜問題的核心特征，包括復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性、模糊性、多目標(biāo)性.［6］這為物理學(xué)科復(fù)雜問題的構(gòu)建與探索提供了有效的理論特征參照.

物理學(xué)科復(fù)雜問題可被視為具有明顯物理學(xué)科情境的復(fù)雜問題.因此，物理復(fù)雜問題不僅具有復(fù)雜問題的基本特征，在問題情境上還應(yīng)具有物理學(xué)科屬性.特別是在中學(xué)物理教學(xué)中的物理復(fù)雜問題解決能力培養(yǎng)的過程中，不僅應(yīng)使問題具備復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性、模糊性、多目標(biāo)性，還應(yīng)關(guān)注問題解決的物理學(xué)科性，從而保障教學(xué)活動的教育屬性.

物理復(fù)雜問題的復(fù)雜性是指問題所涉及的變量多元.復(fù)雜性可通過該問題所涉及建模、推理等思維過程的復(fù)雜程度體現(xiàn).物理復(fù)雜問題通?？梢越鈽?gòu)為多個相互關(guān)聯(lián)的子問題，具有較高的整合程度.

物理復(fù)雜問題的關(guān)聯(lián)性是指多變量之間的多元聯(lián)系.關(guān)聯(lián)性可通過問題解決所涉及的多元概念網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn).物理復(fù)雜問題往往不是單一物理概念就能解決的簡單問題，至少應(yīng)涉及某個領(lǐng)域內(nèi)多個概念所構(gòu)成的概念體系的應(yīng)用遷移才能解決的問題.

物理復(fù)雜問題的動態(tài)性是指人與任務(wù)之間的動態(tài)交互性.這種動態(tài)的交互性通常會在人與任務(wù)的互動中相互影響而發(fā)生動態(tài)變化.如對于某些復(fù)雜問題的探究過程中，會根據(jù)不同的目標(biāo)對情境簡化與建模，造成情境的變化，隨著研究變量的變化，場景的形態(tài)與探究過程也將動態(tài)調(diào)整.

物理復(fù)雜問題的模糊性是指變量關(guān)系、目標(biāo)、探索路徑與形式等任務(wù)的清晰度低，沒有明確的方向性.所以物理復(fù)雜問題的解決往往是多路徑的，結(jié)果是多元的.這與解決問題的個體研究傾向密切相關(guān).

物理復(fù)雜問題的多目標(biāo)性是指目標(biāo)的多元性.不同個體根據(jù)情境特征會識別出不同的有效信息，從而導(dǎo)致學(xué)生解決問題的方向是多元的，他們的目標(biāo)自然也會呈現(xiàn)出多元性.

物理復(fù)雜問題的學(xué)科性是指問題解決過程中的能力方法、核心概念、思維特征等應(yīng)具有物理學(xué)科屬性.學(xué)科性與學(xué)科育人屬性密切相關(guān)，是組織教學(xué)活動的必要保障.由于復(fù)雜問題解決能力通常需要一定的知識基礎(chǔ)，作為問題解決新手階段的中學(xué)生，具有一定知識邊界性的物理復(fù)雜問題有助于學(xué)生逐步提升復(fù)雜問題解決能力，為解決更為綜合性的跨學(xué)科復(fù)雜問題奠定基礎(chǔ).

深刻理解物理復(fù)雜問題的特征，是構(gòu)建物理復(fù)雜問題教學(xué)活動的基礎(chǔ).構(gòu)建物理復(fù)雜問題解決能力培養(yǎng)的教學(xué)時，情境是決定復(fù)雜問題教學(xué)能否進(jìn)行的重要因素.根據(jù)物理課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)生應(yīng)能夠運用物理觀念解決實際問題的要求，借鑒PISA測試的經(jīng)驗，選擇實際生活場景是構(gòu)建物理復(fù)雜問題情境的重要路徑.

2 生活視域下構(gòu)建物理復(fù)雜問題

中學(xué)物理知識內(nèi)容貼近生活、服務(wù)生活.以生活實際場景構(gòu)建復(fù)雜問題情境有利于學(xué)生產(chǎn)生共鳴，構(gòu)建物理學(xué)與生活實踐間的橋梁，促進(jìn)學(xué)生知識遷移，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)核心素養(yǎng).［7］真實的生活情境是構(gòu)建復(fù)雜問題最直接簡單的形式，大部分生活視域下的情境兼具了復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性、模糊性、多目標(biāo)性.因此，在構(gòu)建復(fù)雜問題過程中只需著重關(guān)注情境的物理學(xué)科特性.不同生活情境的復(fù)雜問題解決過程通常會有不同的學(xué)科傾向，在選擇具有物理學(xué)科教育性的生活情境時可采用以下過程.

2.1 知識領(lǐng)域分析

中學(xué)物理涉及力與運動、光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)等知識內(nèi)容，不同的知識領(lǐng)域所涵蓋的概念網(wǎng)絡(luò)是不同的，各知識領(lǐng)域內(nèi)的核心概念間也存在差別，如力學(xué)與運動學(xué)所涉及的概念體系存在差異，運動學(xué)中直線運動與圓周運動的概念體系又存在差異.這些概念體系所對應(yīng)的問題情境必然也存在差異.教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)需求，首先分析學(xué)生已有知識基礎(chǔ)，然后分析教學(xué)目標(biāo)，將學(xué)生知識基礎(chǔ)與教學(xué)知識目標(biāo)相疊加，繪制概念網(wǎng)絡(luò)，確定復(fù)雜問題情境領(lǐng)域邊界，為問題情境的選擇奠定基礎(chǔ).

2.2 生活情境匹配

中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)具有明確的教育指向性，以教學(xué)內(nèi)容為導(dǎo)向，匹配生活情境，構(gòu)建復(fù)雜問題.這個環(huán)節(jié)是還原物理復(fù)雜問題的生活情境，使其從學(xué)科問題轉(zhuǎn)向兼具復(fù)雜問題特征與學(xué)科性的重要環(huán)節(jié).根據(jù)知識領(lǐng)域的概念體系選擇相適應(yīng)的生活場景，由寬泛的生活情境向細(xì)節(jié)性的生活情境逐漸聚焦.如能量守恒相關(guān)知識學(xué)習(xí)完后，需要構(gòu)建運動學(xué)與能量相關(guān)概念之間的概念網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí).根據(jù)學(xué)生的知識基礎(chǔ)與教學(xué)目標(biāo)的知識體系，可以確定該概念網(wǎng)絡(luò)為運動學(xué)知識領(lǐng)域，與之匹配的生活場景范疇為生活中常見的運動，包括體育運動、常見的交通工具的運動、天體運動、其他機械運動等.由于教學(xué)目標(biāo)是要構(gòu)建運動學(xué)與能量相關(guān)的知識體系，進(jìn)一步聚焦場景，以運動狀態(tài)的變化導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)變的情境為主，且能量相互轉(zhuǎn)化的過程中損失較小的為佳.這樣的情境更接近理想狀態(tài)，有助于學(xué)生有效建模與探究實驗.與此同時需要考慮生活情境是否為學(xué)生能夠接觸或容易獲得的情境，如天體運動對于學(xué)生來說仍舊屬于陌生情境，且難以產(chǎn)生真實體驗；而體育運動則與學(xué)生生活更為貼近，考慮到因運動狀態(tài)的變化而導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)變，像常規(guī)的跑步、跳高、跳遠(yuǎn)等相對而言屬于常規(guī)性的物理問題解決范疇，而且其中涉及到身體內(nèi)部持續(xù)消耗的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動能的過程，并不符合教學(xué)目標(biāo)；因此需要選擇相對復(fù)雜的運動形式，如單板U型池技巧運動、雙板U型池技巧運動、雪上大跳臺等多過程的運動場景更適宜該教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜問題情境的構(gòu)建.

2.3 核心問題構(gòu)建

在教學(xué)目標(biāo)指導(dǎo)下匹配復(fù)雜問題情境后，還需對情境下的核心問題進(jìn)行導(dǎo)向性分析，預(yù)判復(fù)雜問題解決的路徑.以單板U型池技巧運動情境為例，可選擇近期冬奧會或錦標(biāo)賽的U型池單板或雙板比賽為真實情境，對真實情境實地、影像資料、圖文資料、賽道數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析.根據(jù)復(fù)雜問題的復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性、模糊性、多目標(biāo)性、學(xué)科性的特征逐條構(gòu)建情境的核心問題.首先，核心問題應(yīng)減少或不設(shè)模擬條件，盡量保持原始情境樣貌.其次，關(guān)注情感與動機，探尋能夠激發(fā)學(xué)生情感共鳴或探究動機的問題表述.再次，問題描述源自生活，避免過多的學(xué)科語言加工，如“請問單板U型池運動的運動學(xué)特征和功能變化是怎樣的”的問題描述忽略了學(xué)生從情境中簡化表征問題的過程.這種描述作為核心問題會使這個情境喪失其效用，切斷了生活與物理之間的界限.最后，核心問題的解決應(yīng)涉及多變量多路徑，這是體現(xiàn)復(fù)雜問題特征的核心.因此，可在冬奧會單板U型池技巧賽的背景下，結(jié)合近期賽事真實賽況設(shè)置問題，如“2022年北京冬奧會單板U型場地技巧競賽中，中國選手如何才能獲得更好的成績呢？”的問題表述，表述首先展現(xiàn)了真實情境，沒有過多的修飾，但又隱性地展現(xiàn)出該情境具有豐富的視頻、圖文、賽道參數(shù)等擴展性資源與信息.其次，作為國際賽事，能夠激發(fā)學(xué)生為國爭光而獻(xiàn)策獻(xiàn)計的動機.然后，描述沒有明顯的學(xué)科語言加工，但又基于其情境的運動特征，隱性地展現(xiàn)了其問題的界限為運動學(xué)領(lǐng)域.最后，依據(jù)競賽規(guī)則，隱性表述了該問題可從多角度入手解決，如個人轉(zhuǎn)體技巧、起跳高度、動作的持續(xù)性等等視角給出問題解決的路徑.與之對應(yīng)的便是物理學(xué)中的轉(zhuǎn)動、慣性、重心、動能勢能轉(zhuǎn)化、能量守恒等概念體系.至此，對于生活情境下的物理復(fù)雜問題構(gòu)建完成，教學(xué)與情境實現(xiàn)有效匹配.

3 構(gòu)建物理復(fù)雜問題梯式支架

中學(xué)階段學(xué)生具備了一些問題解決的能力，但在解決復(fù)雜問題過程中仍存在困難.在面對沒有明確指向的復(fù)雜問題時，學(xué)生需要教師根據(jù)學(xué)生需求，提供有效的問題解決支架.面對學(xué)生能力的差異，問題解決所選擇的路徑、目標(biāo)、方法的不同，教師需提供多路徑的梯式問題解決支架.在復(fù)雜問題解決過程中梯式支架可以以不同形式出現(xiàn).如引導(dǎo)型問題支架，方法型梯式支架，元認(rèn)知支架，輔助型圖表支架，知識與資源支架等.支架類型的選擇可根據(jù)學(xué)生的能力特征選擇，如元認(rèn)知能力匱乏的學(xué)生，需要教師提供時間監(jiān)控、制定計劃、自我調(diào)節(jié)、環(huán)境適應(yīng)與分析等方面的支架，根據(jù)學(xué)生的表情與狀態(tài)實時提供.

在日常教學(xué)中，比較容易操作的是引導(dǎo)型問題支架和階段型方法支架.引導(dǎo)型問題支架常與探究教學(xué)相結(jié)合，以往簡單的物理常規(guī)問題的探究可提供逐漸細(xì)化的引導(dǎo)問題組，通過設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生逐步完成對問題的探究.復(fù)雜問題的梯式支架則更為復(fù)雜，需要教師預(yù)判學(xué)生探究路徑，分析不同路徑變量特征，構(gòu)建依托路徑的問題組作為引導(dǎo)探究活動的支架主體.與此同時，因為學(xué)生的探究可能融合多變量共同研究，教師還需以復(fù)雜問題的概念體系為依托，構(gòu)建整個復(fù)雜問題的問題網(wǎng)絡(luò)，從而保障學(xué)生能夠從多個視角深刻地認(rèn)識并解決這個復(fù)雜問題.例如圖1所示，圖中展示了4條主路徑與路徑之間可用于聯(lián)系的引導(dǎo)型梯式問題網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)學(xué)生需求，主路徑與中間的問題網(wǎng)絡(luò)可不斷細(xì)化延展，為學(xué)生的問題解決提供有效支撐.

圖1 問題支架案例

在復(fù)雜問題解決的過程中，兩段式是常用的形式，分別是“建立問題表征”和“找出問題解決方案”兩個階段.［8］PISA在前人研究的基礎(chǔ)上提出了四段式，復(fù)雜問題解決的過程分為“探索和理解、表征與系統(tǒng)化、計劃和執(zhí)行、監(jiān)控和反思”.［9］以往教學(xué)經(jīng)常忽略建立問題表征的過程，造成學(xué)生具備解題能力，而非問題解決能力.致使學(xué)生不能將物理知識遷移到生活情境中，難以對情境進(jìn)行簡化表征.因此，方法型梯式支架對于學(xué)生掌握復(fù)雜問題的解決步驟、了解不同階段的常規(guī)方法具有較好的效果.方法型梯式支架需給出明確的問題解決階段，如采用PISA的探索和理解、表征與系統(tǒng)化、計劃和執(zhí)行、監(jiān)控和反思四段式.根據(jù)4個階段的主要能力特征提供相應(yīng)的方法支持，如探索和理解關(guān)注學(xué)生的情境分析方法，表征與系統(tǒng)化關(guān)注學(xué)生抽象、簡化、建模等方法，計劃和執(zhí)行注重學(xué)生設(shè)計、探究、合作等方法，監(jiān)控和反思注重學(xué)生的元認(rèn)知相關(guān)方法.

物理復(fù)雜問題解決的梯式支架為課程組織提供了有效保障，同時也為學(xué)生逐步形成良好的物理復(fù)雜問題解決能力奠定基礎(chǔ).物理復(fù)雜問題解決的梯式支架應(yīng)具有一定的物理學(xué)科屬性，特別是在問題細(xì)化過程中要體現(xiàn)出從情境走向物理學(xué)科的導(dǎo)向.良好的梯式支架能夠支持學(xué)生自主性學(xué)習(xí)，為開展多種形式的教學(xué)提供了保障.

4 拼圖式合作學(xué)習(xí)探究物理復(fù)雜問題

科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，生活中所面對的問題情境趨于復(fù)雜，復(fù)雜問題的解決通常以團(tuán)隊的形式共同解決.PISA測試中也明確地考查了學(xué)生合作問題解決能力.［10］因此，在物理教學(xué)中，合作應(yīng)是復(fù)雜問題解決能力培養(yǎng)的重要路徑.根據(jù)復(fù)雜問題多路徑、多變量的特征，以高效的課堂教學(xué)為目標(biāo)，拼圖式合作學(xué)習(xí)探究物理復(fù)雜問題是高效科學(xué)的教學(xué)方法.拼圖式合作學(xué)習(xí)是美國德州大學(xué)Aronson教授提出的，能夠促進(jìn)學(xué)生批判性思考、問題解決、演講溝通等能力.在物理復(fù)雜問題解決的教學(xué)中，拼圖式合作學(xué)習(xí)可劃分為以下幾個環(huán)節(jié)展開.

（1）給出情境并分組討論.給出物理復(fù)雜問題情境，包括視頻、圖片、文本等相關(guān)的資料，讓學(xué)生快速了解真實情境特征.

（2）復(fù)合型隨機分組.教師可采用能夠展示出兩種分組特征的工具，如撲克牌的數(shù)字和花色，顏色和形狀不同的立方體、卡片等.這是拼圖式合作學(xué)習(xí)的重要組織特征，每個個體將會根據(jù)手中的分組工具進(jìn)入到兩個完全不同人員組合的小組中展開學(xué)習(xí).

（3）分組討論現(xiàn)實問題的解決思路.個體根據(jù)分組工具的首要特征尋找相同特征的成員組成小組，進(jìn)行討論，如撲克牌同數(shù)字的學(xué)生作為一組.討論前需組內(nèi)迅速分工，選擇出主持、記錄、代表發(fā)言等工作負(fù)責(zé)人，然后依次請學(xué)生發(fā)言并記錄.首次討論是對情境問題化表征的探索，凝練有效信息，探索問題解決思路，討論過程力求多元而非一致.

（4）代表發(fā)言，匯集情境有效信息與問題解決思路.邀請各組代表將本組討論的情境有效信息與問題解決思路進(jìn)行匯報，教師在黑板上記錄各組匯報的有效信息與問題解決思路，為后續(xù)探究提供群體智慧.

（5）提供梯式支架，引導(dǎo)學(xué)生從情境中抽象表征問題.教師根據(jù)學(xué)生能力特征，提供相應(yīng)的梯式支架，根據(jù)學(xué)生所提出的現(xiàn)實問題解決思路，引導(dǎo)學(xué)生將其轉(zhuǎn)化為物理模型，為后續(xù)進(jìn)一步探究奠定基礎(chǔ).通過這個過程引導(dǎo)學(xué)生逐步形成復(fù)雜問題解決過程中問題表征的重要能力.

（6）二次分組，分配任務(wù).根據(jù)分組工具的第2種特征再次分組，如撲克牌的花色相同的學(xué)生分為一組.重新組合的小組派出代表選擇復(fù)雜問題探究的方向，各組代表可采用抽簽或協(xié)商的方式選擇.這個過程是提升探究效率的重要方式，保障合作學(xué)習(xí)中“拼圖”的完整性，提升學(xué)習(xí)效率.

（7）制定計劃，合作探究.根據(jù)各組的任務(wù)，頭腦風(fēng)暴聚焦研究問題與研究假設(shè).而后討論協(xié)商分工，制定探究計劃，獲取相應(yīng)資料和探究儀器.組內(nèi)分工合作，探究并獲得結(jié)論，完成探究工作圖表.

（8）回歸原始分組，各成員在組內(nèi)匯報2次分組的研究成果.在規(guī)定的時間內(nèi)完成問題探究任務(wù)后，2次分組的小組成員回歸到原始分組的小組中，由此各原始小組每個成員都獲得了不同路徑的探究過程、方法和結(jié)論，實現(xiàn)知識拼圖的拼接.按照原始小組的分工，各成員依次作為2次分組探究路徑的代表向原始小組內(nèi)成員講解其2次分組探究問題的研究方法、路徑和結(jié)論.高效地實現(xiàn)多變量、多路徑探究的物理復(fù)雜問題解決.在原始小組各成員匯報結(jié)束后，組內(nèi)展開討論與互助式學(xué)習(xí)，不斷完善探究結(jié)論，尋找不足，并繪制完整的物理復(fù)雜問題解決變量關(guān)系圖.

（9）物理復(fù)雜問題解決成果匯報.以原始組和2次分組所繪制的圖表為載體，以原始組為單位匯報研究成果.

（10）教師總結(jié)梳理問題解決的過程，指出各組探究活動的優(yōu)點與不足，總結(jié)物理復(fù)雜問題的解決路徑，剖析概念間的關(guān)聯(lián)，以生活情境為基礎(chǔ)，布置擴展型復(fù)雜問題解決作業(yè).

拼圖式合作教學(xué)不僅能夠提升教學(xué)效率，保障復(fù)雜問題解決能力的養(yǎng)成，還能提升學(xué)生溝通、批判、分享、表達(dá)、團(tuán)隊合作的能力.根據(jù)復(fù)雜問題的特性，拼圖式合作學(xué)習(xí)的教學(xué)可分為2個課時進(jìn)行，第1課時以前7個環(huán)節(jié)為主體展開，以問題表征與探究為核心；第2課時以后3個環(huán)節(jié)為主體，以互相講解和交流分享為核心.從而實現(xiàn)知識的有效流動和整合，促進(jìn)學(xué)生高效地對物理復(fù)雜問題的多維路徑完成探索.