基于“IDEAL”模式的物理问题解决能力培养研究

杨卓璇 林钦

摘   要：学生“物理问题解决能力弱”是长期困扰物理教学的问题，认知心理学关于问题解决的“IDEAL”模式为该问题的研究提供了新的视角。以2022年全国乙卷理综第25题为例，借助“IDEAL”模式可以清晰地梳理问题解决的过程，明确各阶段学生遇到的困难及成因。研究发现，借助“读思达”教学法，通过粗读、精读等过程，可以有效帮助学生建构物理模型、理清物理过程，从而提高物理问题解决能力。

关键词：问题解决；“IDEAL”模式；“读思达”教学法

1  问题提出

2019年教育部颁布《中国高考评价体系》，标志着高考评价由“知识立意”向“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”的综合评价转变[ 1 ]，高考更关注学生在情境中解决物理问题的能力。然而当前许多教师，仍将反复讲练作为培养学生问题解决能力的主要途径[ 2 ]，即让学生通过反复练习拥有扎实的知识基础和“熟练”的解题技能以应对考试。这种做法忽视了对学生认知过程的关注，训练出来的学生难以在实际情境中灵活运用所学知识和方法解决问题。

为解决这一困扰物理教学的问题，一些学者从问题解决的过程出发，提出培养学生审题和建模能力的策略，人大附中的刘娜[ 3 ]提出“表征变换”方法培养学生的审题能力；江苏的陈林乔[ 4 ]则提出了结合数学表征特点提高学生的建模能力。这些策略在实际教学中取得了一定的效果，但由于缺乏深层认知理论的支持，使得不少教师在未见效果的情况下半途而废。

因此，本文以认知心理学为基础，挖掘了“IDEAL”这一从学生认知出发划分问题解决过程的模式，以2022年全国乙卷理综第25题为例，分析中学生各阶段的表现及可能遇到的困难，特别关注学生在审题和建模过程中的阅读和思考，结合“读思达”教学法的不同侧重点提出教学策略，旨在提升学生的阅读思考能力，帮助其解决困难，进而培养学生的物理问题解决能力。

原题重现：如图1，一质量为m的物块A与轻质弹簧连接，静止在光滑水平面上；物块B向A运动，t=0 时与弹簧接触，到t =2t0时与弹簧分离，第一次碰撞结束，A、B的v-t图像如图2所示。已知从t=0到t = t0时间内，物块A运动的距离为0.36v0t0。A、B分离后，A滑上粗糙斜面，然后滑下，与一直在水平面上运动的B再次碰撞，之后A再次滑上斜面，达到的最高点与前一次相同。斜面倾角为θ（ sinθ=0.6），与水平面光滑连接。碰撞过程中弹簧始终处于弹性限度内。求：

{1}第一次碰撞过程中，弹簧弹性势能的最大值；

{2}第一次碰撞过程中，弹簧压缩量的最大值；

{3}物块A与斜面间的动摩擦因数。

图 1                                            图 2

本题属于学习探索类情境，题干信息简洁，是典型的力学综合题，涉及牛顿运动定律、运动学、动量、机械能守恒定律等核心概念和规律。解决此问题需要清晰地分析物体的碰撞过程、弹簧压缩过程，以及在此过程中速度、能量的变化及其原因，并根据图像所给信息进行综合分析。试题充分体现了对学生提取文字和图像信息能力、分析综合、推理论证能力的考查。

在解决本题时，大多数学生能通过读题干确定这是熟悉的碰撞模型，并搭建起A、B物体刚接触、压缩弹簧、弹簧开始恢复原长至相互分离几个过程中的静态模型。但对于各时刻速度关系、A物体两次到达斜面底端速度相同等隐含信息则需要深入解析题干才能找到，并以此挖掘出A、B物体碰撞过程中弹簧最大压缩量背后隐藏的相对运动位移的求解问题，是学生的思维高地[ 5 ]。此外，碰撞过程中的运动为非匀变速直线运动，使得学生无法直接运用运动学知识求解，也给其增加了一定的困难。下面借助问题解决的“IDEAL”模式深入分析学生存在的问题。

2  基于“IDEAL”模式的学生问题解决过程分析

20世纪以来，已有众多学者从心理学角度出发，对问题解决领域进行了大量的研究。皮亚杰的认知心理学产生之后，人们才开始从认知的角度，结合问题解决的动态过程，提出不同的问题解决模式，将问题解决研究推到了一个新水平[ 6 ]。其中，布兰福斯特和斯腾提出的 “IDEAL”模式被人们广泛应用于问题解决过程的分析，我国化学、英语、物理等学科的学者均关注到该模式的价值，并将其运用到各自学科问题解决的研究中[ 7-9 ]。

该模式将问题解决过程分成五个阶段：识别问题（Identify）；定义问题（Define）；探索问题（Explore）；实施策略（Act on）；检查效果（Look at）[ 6 ]。识别问题指的是通过阅读题目熟悉场景；定义问题是在场景的基础上明确待解决的问题，静态建模；探索问题是运用物理规律与方法关联静态模型，建立动态模型；实施策略是将物理过程转化为表达式，计算求解；检查效果是对模型的反思与创新。而当前中学物理问题解决的一般过程模式分为问题表征，策略选择，应用求解，检验与反思四个阶段[ 10 ]。其中问题表征是学生根据问题信息和自身的知识经验，发现问题的结构，构建问题空间的过程[ 11 ]，即学生通过审题获取信息建立过程模型的过程。分析可知“IDEAL”模式与中学当前问题解决教学的思路基本吻合（如图3所示）。

下面以2022年全国乙卷理综第25题为例，介绍“IDEAL”模式在问题解决中的具体体现。

（1）首先是识别问题。初步识别问题场景是问题解决的前提，若能与学过的经典问题场景相匹配，则会带给学生“熟悉”感，有利于他们应用所学的知识和方法解决问题；若问题场景来源于生产生活，学生不熟悉，则可能会给他们造成心理压力。如本题中，学生通过阅读题目发现：是A、B两物体碰撞的问题；是压缩弹簧类问题，涉及能量的转换。这两个问题的场景都是学生熟悉的，熟悉的情境，可以为接下来的过程奠定良好的心理基础。

（2）若将识别问题看成是模型场景的搭建，定义问题则是对场景中模型元素位置及其相互关系的优化，要求学生将场景中的模型元素组合并搭建，形成“实物模型”，明确模型元素之间的关系，建立各个状态下的静态模型。有些问题表述比较明确，学生可以直接布置元素，构建实物模型；如在例题第（1）问中，学生被要求分析弹性势能最大值的问题，由弹性势能相关的概念可知，弹簧被压缩到最短的时刻为弹性势能最大值；当弹性势能最大时，就是弹簧压缩量最大时刻。而对于一些来源于生产生活场景中的问题，表述比较模糊，则需要学生依据题意不断变换元素位置，搭建恰当的实物模型，定义问题。

（3）探索问题则需要在明确问题的基础上，运用有关的物理概念和规律，还原场景中各元素变化的过程，建立各状态下静态模型之间的联系，构建“物理过程模型”，明确物理量变化的原因和结果，为求解问题提供思路和方法。如例题第{1}问，需要关联各时刻的运动状态，综合分析物体碰撞前后的状态变化规律，应用动量守恒定律、机械能守恒定律即可求解弹簧最大弹性势能；而在第{2}问中，由于不知道弹簧劲度系数，即使学生自学过弹性势能公式也无法求解弹簧的最大压缩量，因此从弹性势能的角度难以解决问题，需要学生转变思路，重新匹配场景，从相对运动的角度分析问题。

（4）从认知视角看，实施策略就是要将问题的结果进行认知输出。对于简单问题，学生可顺利将物理过程转化为物理表达式，再通过数学运算求解问题；对于复杂题目，则需要学生掌握更高阶的问题解决方法和技巧，如整体-隔离法、微元法、对称法等。如例题第{2}问，通过对A、B两物块相对运动的分析求两者间的相对位移是学生的思维高地，需要学生在匀加速直线运动的基础上，求解变加速直线运动中的相对位移。

（5）解决问题后，能否考虑解决问题的不同思路？能否运用新方法解决新问题？这都是检查效果阶段需要思考的问题。如通过解决例题{1}{2}问，建立起速度相等时刻弹簧压缩量最大的模型，当学生再次遇到同类模型时，应具有一定的敏感度，即能识别出关键点“速度相等时刻”，为问题解决节省的大量时间。

3  基于“IDEAL”模式的问题解决困难及成因分析

基于以上分析，学生“一听就会、一做就错”的原因主要卡在“前两步”，即审题阶段无法定义问题，或建模阶段难以将静态模型动态化，究其原因在于学生缺乏独立阅读和思考的能力。为帮助学生突破这些困难，提升阅读思考水平，进而提高问题解决能力，我国学者分别聚焦培养学生独立阅读或独立思考的能力展开了大量研究[ 12 ]。但是，若将阅读与思考割裂开单独培养，容易造成学生另外一种能力的不足，形成短板。余文森教授提出的“读思达”教学法[ 13 ]（如图4），同时包含了阅读、思考、表达三个相互关联又相互独立的过程。即在阅读的同时也有思考和表达，阅读阶段侧重的是阅读，主要培养学生的物理阅读能力。

因此，笔者结合“读思达”教学法，提出教学策略，旨在让学生学会精准的阅读，深入的思考，规范的表达，进而提升物理问题解决能力。

4  以“读思达”教学法，提升物理问题解决能力策略及示例

具体策略如图5。

4.1  识别问题（I）、定义问题（D）——以“读”为重

独立阅读能力贯穿问题解决的整个过程，特别是在审题阶段显得尤为重要。因此识别、定义问题阶段致力于培养学生的阅读能力，旨在帮助学生搭建完整的物理场景，使物理问题清晰明了。这一过程主要包括两个关键步骤：粗读和精读。

4.1.1  粗读：以提取信息，识别场景

为使学生能够独立识别陌生场景，首先要学会粗读，端正审题态度，认识“审题”的重要性，并养成“从题干到问题”的良好审题习惯。教师也要强调粗读并不代表草率读题，需逐字逐句的读题推敲，要深入理解问题场景。在此阶段，不要求学生深挖题干，只需将题干的文字、图像等字面信息转化为物理语言并进行标注、赋值，建立初步的场景模型，并与已学过的理想场景模型相匹配，以缓解学生在解题前的心理压力。在例题中除了题干基础信息的标注，还需将图像中坐标的比例关系转化为等式关系，如在t=t0时，v=v0。

4.1.2  精读：以挖掘信息，完善图景

粗读后，题干信息虽已基本理清，但为让学生能在完整的题干信息背景下调动模型元素以搭建“实物静态模型”，需进行精读，即再次审题并补充问题细节，明确状态。精读的关键在于在审题的同时加入思考推理，挖掘隐含信息和临界条件，筛选有用信息，以建立各状态下的物理图示（如表1）。

在解决例题第{1}问时，学生通过精读画出两物体第一次碰撞过程中各阶段的受力分析图，并结合图像关键交点信息容易分析出，速度相等时刻为物体间距离以及弹簧弹性势能变化的临界点，由此，学生能够判断A、B物体速度相等时刻为弹簧弹性势能最大时刻。识别和定义问题并不是两个有明确界限的阶段，当学生百炼成兵，规范了审题习惯，且具备了捕获信息的能力后，可以将粗读过程融入精读。

4.2  探索问题（E）——以“思”为重

完整的实物静态模型为探索问题阶段打下了良好基础，因此在本阶段以“思”为重，通过引导学生深入思考，找到突破点，建立静态模型之间的联系，使模型动态化。要让学生破除思维定势，在学习物理方法的同时深入探讨物理量变化的原因和结果，改变学生盲目使用方法忽视物理规律的习惯，持续建立题干与问题、物理知识与问题之间的联系，透过表象看本质，匹配真正符合题意的物理规律。

对于无法用常规思路解决的问题，要引导学生学会转变思路，及时跳出思维困境。思考突破点包括两个方面：首先，回归题干，检查是否存在未使用的条件；其次，回归场景，寻找物理场景中包含的其他问题模型的线索。如题干中“物块A运动的距离为0.36υ0t0”这一条件，给学生将弹簧压缩量转化为物体间的相对运动位移求解提供了线索；而B物体在碰撞压缩弹簧的过程中A物体会向右加速运动，这是隐藏在碰撞问题之后的一个过程，提示学生可以与追及问题的场景相匹配。

4.3  实施策略（A）、检查效果（L）——以“达”为重

为确保学生经历完整的问题解决过程，最后应将重心放在“达”上，关注问题结果的精准表达，以及反思与运用，包含准达和通达两个步骤。

4.3.1  准达：以结合数理，精准表达

通常，学生列出表达式后，通过数学计算即可求解。但在日常学习中，教师应加强对学生的问题解决的规范性训练，让学生养成检验的习惯，回归题目明确问题，考虑结果的物理意义，避免盲目把计算结果当作最终结果而失分的现象出现。

对于复杂问题，学生应体会数学作为辅助物理问题解决的工具的重要作用。数学思想不仅可以帮助学生快速看到物理本质，还能够弥补物理知识短板。在日常教学中，教师应向学生渗透数理结合的观念，积累数学思想，培养学生运用数学工具解决物理问题的能力。如解决例题第{2}问的关键为“微元-累加”思想，借助推导匀变速直线运动公式时用到的“微元”分割思想，将非匀变速直线运动，转化为匀变速直线运动的累加，以此求解学生未学过的非匀变速直线运动的位移。

4.3.2  通达：以反思拓展，迁移创新

学生问题解决能力的演进过程为，从解决一个问题到解决一类问题，最终掌握问题解决的思想方法，以在实际情境中应对千变万化的物理问题。为此，教师要提供一定量的变式练习，让学生在不同情境下反复运用，加深学生对物理模型和方法的理解，培养其总结归纳的能力，建立问题图示体系。同时，教师应引导学生从多个角度寻找解决问题的思路，培养其反思的意识，拓宽学生的思维。如例题第{2}问还可以从人船模型、双星模型、质心运动模型等角度求解。

5  总结与思考

“IDEAL”模式从认知视角出发，关注学生在问题解决过程中的思维过程，通过明确划分各阶段界限，使学生困难更清晰的显露出来，教师则更容易发现学生可能存在的问题。因而可以借助与认知加工过程相契合的“读思达”教学法，有针对性地帮助学生解决各阶段的困难，有侧重的提升阅读、思考和表达能力，促进学生问题解决能力的发展。然而，问题解决能力的培养是一个长期目标，在课标和高考评价体系的指引下，只有在日常教学中，提升教师从“认知过程”关注学生问题解决能力培养的意识，才能真正改变学生物理问题解决能力弱的现状，使核心素养落地生根。

参考文献：

［1］ 教育部考试中心. 中国高考评价体系[N]. 中国教育报， 2020-1-8（1）.

［2］ 孔兴隆.认知视角下物理问题解决的教学策略研究[J].物理教师，2022，43（8）：21-26.

［3］ 刘娜，张玉峰.浅议高中物理审题教学流程[J].物理教师，2020，41（7）：83-86.

［4］ 陈林桥，贾苏荣.把握数学表征特点，提升建模解决物理问题能力[J].物理教师，2021，42（12）：67-68，71.

［5］ 陈森林，陈朝南.立足物理规律模型的深度理解  考查学科关键能力：评析2022年全国高考乙卷理综第25题[J].物理教师，2022，43（10）：81-84，87.

［6］ 刘儒德.论问题解决过程的模式[J].北京师范大学学报（社会科学版），1996（1）：22-29，92.

［7］ 戴明.基于IDEAL模式的问题情境教学策略研究：以“铁及其重要化合物”教学为例[J].天天爱科学（教育前沿），2019，126（11）：38-39.

［8］ 周春洁.IDEAL问题解决策略指导下初中英语阅读课提升学生思维品质的问题链设计[J].中学生英语，2021，849（18）：68.

［9］ 宋静.基于IDEAL过程模式的仪表改装类真实问题的解决策略[J].湖南中学物理，2022，37（12）：63-66.

［10］ 童宇轩，陈曙光，田泽安，等.物理问题解决策略及教学策略的探究[J].大学教育，2020（12）：105-107.

［11］ 胥兴春，刘电芝.问题表征方式与数学问题解决的研究[J].心理科学进展，2002（3）：264-269.

［12］ 张晓红，姚建欣，朱燕明.物理阅读素养的理论析解与培养探讨[J].物理教师，2016，37（11）：64-67.

［13］ 余文森.论“读思达”教学法[J].课程·教材·教法，2021，41（4）：50-57.