從習(xí)題到原始問題科學(xué)教育方式的重要變革

1、邢紅軍等：從習(xí)題到原始問題：科學(xué)教育方式的重要變革一、習(xí)題與原始問題的比較在科學(xué)教育中引入習(xí)題的初衷是， 鞏固和加深學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)， 考查學(xué)生掌握知識(shí)的水平，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決問題的能力。物理高考命題委員會(huì)認(rèn)為： “做題是非常重要的。我們主張要做題，但并不贊成搞題海戰(zhàn)。因?yàn)轭}海戰(zhàn)盲目追求解題的數(shù)量，不重視解題的質(zhì)量， 使學(xué)生根本來不及對(duì)習(xí)題以及與習(xí)題有關(guān)的問題進(jìn)行思考” 其實(shí)， 即使是重視解題質(zhì)量的做題也很難有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。 這是因?yàn)椋?每一道習(xí)題都是從原始問題抽象而來， 已經(jīng)把原始問題的一些次要細(xì)節(jié)、 非本質(zhì)的聯(lián)系舍去， 沒有科學(xué)現(xiàn)象與事實(shí)作為背景， 甚至完全脫離科學(xué)現(xiàn)象， 即學(xué)生

2、思維的一部分已經(jīng)被習(xí)題編制人員 “越俎代庖”地完成了。同時(shí)，習(xí)題教學(xué)還存在著模式化傾向，缺乏科學(xué)思想的分析，太重視程序與計(jì)算、熟練與技巧。因此，在一定意義上說，我國學(xué)生創(chuàng)造能力的匱乏是習(xí)題教學(xué)的直接后果。事實(shí)上， 科學(xué)最重要的部分是與現(xiàn)象有關(guān)的， 現(xiàn)象是科學(xué)的根源。 從這個(gè)基本思想出發(fā)。我們認(rèn)為： 解決我國科學(xué)教育低效能的重要措施就是要打破傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)一統(tǒng)天下的局面， 通過引進(jìn)原始問題來逐步使習(xí)題教學(xué)與原始問題教學(xué)相結(jié)合， 從而達(dá)到提高科學(xué)教育效能的目的。所謂原始問題，是指自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在、能夠反映科學(xué)概念、規(guī)律本質(zhì)且未被加工的典型科學(xué)現(xiàn)象和事實(shí)。 而習(xí)題則是把科學(xué)現(xiàn)象和事實(shí)經(jīng)

3、過一定程度抽象后加工出來的練習(xí)作業(yè)。兩者的關(guān)系如圖 1 所示。由圖1可知，學(xué)生解決原始問題需要經(jīng)歷二個(gè)相互銜接的過程：第一，問題是針對(duì)什么科學(xué)現(xiàn)象和事實(shí)的，弄?t楚原始問題是什么 （what）,即認(rèn)識(shí)問題；第二，原始問題怎 樣通過分解、簡化、抽象后轉(zhuǎn)化為科學(xué)模型 （how）,即科學(xué)建模；第三，怎樣定性或定 量的通過演算和:t導(dǎo)解決問題 （how）,即解題技巧。確切地說，原始問題的表述形式是對(duì)科學(xué)現(xiàn)象的描述，它基本上采用文字?jǐn)⑹龅姆绞匠尸F(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象，與習(xí)題顯著不同的是，沒有習(xí)題中常常給定的已知量、未知量，需要學(xué)生 根據(jù)需要去設(shè)置。比如，1995年10月28日，加拿大人科克倫手握長桿走鋼絲跨越長 江

4、三峽。科克倫如何使用手中的長桿？這樣的問題就稱為原始問題。相反，目前科學(xué)教育中廣泛采用的習(xí)題卻很難為學(xué)生提供這樣的情境。由于歷史的原因，我國傳統(tǒng)的習(xí)題教學(xué)往往側(cè)重圖1的第二個(gè)過程（建模）和第三個(gè)過程（技巧），特別是注重第三個(gè)過程（技 巧），而尤其缺少第一個(gè)過程（認(rèn)識(shí)），對(duì)科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)事實(shí)把握不夠。因此，致使很多 學(xué)生只知道根據(jù)已知條件去解題，遇到實(shí)際問題則常常束手無策。其實(shí)，早在上個(gè)世紀(jì)，蘇聯(lián)心理學(xué)家馬丘什金就將習(xí)題與問題情境進(jìn)行了比較與區(qū)分。他指出：“習(xí)題和問題情境是具有原則性區(qū)別的概念，因?yàn)樗鼈儤?biāo)志著不同的心理 現(xiàn)實(shí)?！睉?yīng)當(dāng)說，這是非常重要的見解。在國內(nèi)，趙凱華先生覺察到這個(gè)問題。他指出

5、：“在我們的教學(xué)中，同一問題，既可以把原始的問題提交給學(xué)生， 也可以由教師把問題分解或抽象成一定的數(shù)學(xué)模型后再提交給學(xué)生。習(xí)慣于解后一類問題的學(xué)生，在遇到前一類問題時(shí)，往往會(huì)不知所措?！憋@而易見， 在科學(xué)教育中明確原始問題與習(xí)題之間的區(qū)別是有著相當(dāng)重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義的。二、原始問題的教育價(jià)值隨著教育研究的不斷深人， 教育領(lǐng)域出現(xiàn)了一門運(yùn)用生態(tài)學(xué)方法研究教育的科學(xué)教育生態(tài)學(xué)。教育生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)在真實(shí)、自然情境中研究教育規(guī)律以及學(xué)生的心理活動(dòng)規(guī)律，強(qiáng)調(diào)提高教育活動(dòng)的可應(yīng)用性和普遍適用性， 建立合理的教育生態(tài)環(huán)境， 提高教育的效益，促進(jìn)人才迅速成長和發(fā)展。生態(tài)學(xué)是 19 世紀(jì)末在生物科學(xué)中成長起來的一

6、門科學(xué)， 它的研究對(duì)象是生物個(gè)體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)。其研究任務(wù)是探索有機(jī)體與環(huán)境之間相互作用的規(guī)律及機(jī)理，研究生物的生存條件以及生物與其生存環(huán)境之間的相互關(guān)系。 在研究方法上， 生態(tài)學(xué)家一般采用描述性分析方法，即先對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行描述，而后再做分析。在科學(xué)教育中強(qiáng)調(diào)生態(tài)性， 乃是源于習(xí)題教學(xué)固有的局限性。 我們知道， 習(xí)題教學(xué)具有許多優(yōu)點(diǎn)。 然而， 隨著科學(xué)教育研究的深人， 習(xí)題固有的缺陷即人為性也日益暴露出來。 由于習(xí)題情境是人為設(shè)置且條件控制嚴(yán)格， 因而使科學(xué)教育情境的真實(shí)性受到破壞，使學(xué)生解答習(xí)題的認(rèn)知心理及行為表現(xiàn)與解決原始問題的認(rèn)知心理及行為表現(xiàn)相去甚 遠(yuǎn)。這樣，就削弱了科學(xué)教育特有的

7、教育價(jià)值。我們知道， 在真實(shí)的情境中， 科學(xué)教育活動(dòng)受到多種因素影響， 這些因素又是相互作用、相互影響的， 是一個(gè)完整的過程， 科學(xué)教育活動(dòng)是該系統(tǒng)中各因素相互作用的綜合結(jié)果。然而， 習(xí)題教學(xué)卻將這些因素孤立開來， 僅局限于特定情境中某些特定因素對(duì)科學(xué)教育活動(dòng)的影響，因而就難以揭示真實(shí)、自然條件下的科學(xué)教育規(guī)律。通過借鑒教育生態(tài)學(xué)的有關(guān)思想， 我們提出了科學(xué)教育生態(tài)化的基本觀點(diǎn)：1.科學(xué)教育活動(dòng)不是孤立的，而是與科學(xué)現(xiàn)象有機(jī)地聯(lián)系在一起的，處于一個(gè)復(fù)雜的關(guān)系之中； 2.科學(xué)教育活動(dòng)既受到自身內(nèi)部因素的影響，又受到外部因素的影響；3 .科學(xué)教育活動(dòng)應(yīng)當(dāng)在科學(xué)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)生態(tài)環(huán)境中進(jìn)行， 以揭示

8、真實(shí)、 自然條件下學(xué)生的心理活動(dòng)規(guī)律與科學(xué)教育規(guī)律； 4. 科學(xué)教育活動(dòng)應(yīng)注重研究學(xué)生與其所處環(huán)境之間的相互作用； 5.科學(xué)教育活動(dòng)應(yīng)注重研究學(xué)生在與其所處環(huán)境相互作用過程中的主動(dòng)性。在科學(xué)教育中， 原始問題教學(xué)并不局限于教育生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)的情境， 而是以生態(tài)學(xué)思想為指導(dǎo)， 把科學(xué)知識(shí)融人科學(xué)現(xiàn)象之中并以原始問題的形式呈現(xiàn)， 主張把習(xí)題固有的嚴(yán)格性移植到自然、真實(shí)的科學(xué)環(huán)境中，并在其中揭示科學(xué)教育活動(dòng)的因果關(guān)系。因此，原始問題教學(xué)所采用的方法， 具有既不同于習(xí)題教學(xué)強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)、 演算而忽視學(xué)生能力培養(yǎng)的特點(diǎn)。 又不同于研究性學(xué)習(xí)為探究而犧牲知識(shí)傳授效率的特點(diǎn)。 它強(qiáng)調(diào)給定的情境雖然是原始的， 但問題

9、本身又必須是嚴(yán)格的。 也就是說， 它要求提高科學(xué)教育的外部效度，而又毋需以降低內(nèi)部效度為代價(jià)。因此，原始問題教學(xué)就具有以下教育價(jià)值。首先， 它有助于解決目前科學(xué)教育內(nèi)部效度和外部效度不能同時(shí)得到滿足的矛盾。 我們知道，習(xí)題教學(xué)雖然內(nèi)部效度較高，但缺乏外部效度。一般認(rèn)為，內(nèi)部效度是外部效度的必要條件， 但不是充分條件。 內(nèi)部效度低的教育結(jié)果就談不上對(duì)其他情境的普遍意義；然而內(nèi)部效度高的教育結(jié)果卻不一定能夠一般化到現(xiàn)實(shí)中去。 研究性學(xué)習(xí)雖然具有較高的外部效度， 但卻難以保證科學(xué)教育的內(nèi)部效度； 原始問題由于將習(xí)題的嚴(yán)格控制應(yīng)用于科學(xué)現(xiàn)象之中， 并且經(jīng)過抽象之后可以成為習(xí)題， 就使得它在一定程度上具

10、備高效完成間接經(jīng)驗(yàn)知識(shí)內(nèi)化的功能，從而將內(nèi)部效度和外部效度較好地統(tǒng)一起來。其次，在原始問題教學(xué)中，學(xué)生的認(rèn)知心理與行為表現(xiàn)都比較真實(shí)，因此，能夠較好地揭示科學(xué)教育中學(xué)生的心理規(guī)律和學(xué)習(xí)規(guī)律。 為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)， 我們運(yùn)用原始物理問題和由其改編而成的習(xí)題對(duì)高中學(xué)生進(jìn)行了測(cè)試， 結(jié)果表明： 原始物理問題卷的平均分為 39.5 ，而習(xí)題卷的平均分為 70 ，差異顯著，且前者得分呈正態(tài)分布，后者呈偏態(tài)分布。 這說明， 原始問題雖然也有一定程度的控制， 但沒有像習(xí)題那樣幾乎完全排除環(huán)境的影響，從而保證了學(xué)生的心理及行為變化仍然是現(xiàn)實(shí)中各種因素綜合作用的結(jié)果。教育心理學(xué)的研究指出， 教育與實(shí)際情境的相似性

11、是教育效果的關(guān)鍵因素。 而這種相似性越高， 教育結(jié)果的可應(yīng)用性也越高。 甚至教學(xué)所采用的方式， 也應(yīng)該盡可能接近教育結(jié)果所要應(yīng)用的實(shí)際情況，這樣才能在更大程度上提高教育的效能。第三， 可以根據(jù)教學(xué)的需要選擇數(shù)量合適的原始問題供學(xué)生練習(xí)， 以保證掌握知識(shí)和培養(yǎng)能力的需要。 事實(shí)上， 科學(xué)概念和規(guī)律只有在原始問題中才有生命力， 才能顯示出其內(nèi)涵、色彩、格調(diào)，才能顯示出其內(nèi)在的理由、作用和功能，學(xué)生學(xué)習(xí)過的概念和規(guī)律才能真正活起來， 這樣才能提高學(xué)習(xí)效率。 通過一定數(shù)量的原始問題訓(xùn)練， 當(dāng)學(xué)生解決實(shí)際問題時(shí)， 各種各樣的策略才能夠迅速檢索而無須搜腸刮肚地對(duì)照做過的題型， 才有可能在處理前一個(gè)步驟時(shí)就

12、在大腦中預(yù)感下一個(gè)步驟， 根本無須暗暗回憶各種題型再思 量其意義。 即使學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性活動(dòng)， 也能憑直覺而非經(jīng)驗(yàn)去探索正確的解決途徑。 所 以，正是在這個(gè)意義上，我們認(rèn)為原始問題教學(xué)不僅可以使學(xué)生有效地學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)， 而且也能很好地培養(yǎng)學(xué)生的能力。從相互作用心理學(xué)的視野來審視，我們更能體察出原始問題教學(xué)與習(xí)題教學(xué)的本質(zhì)不同。 20 世紀(jì) 70 年代以來， 心理學(xué)研究中逐漸形成一種較新的思路， 其基本思想集中于行為發(fā)生過程中人與環(huán)境的多向性交互作用， 并且認(rèn)為， 在這種交互作用中， 人與情境是相互依存而非單方面所決定。其基本觀點(diǎn)有四個(gè)方面： 1. 個(gè)體的行為是他們與所處情境之間多方向的連續(xù)的交互

13、作用結(jié)果； 2. 個(gè)體在這一交互作用過程中是有意識(shí)的和主動(dòng)的； 3. 在交互作用的人的方面，認(rèn)知和動(dòng)機(jī)因素是行為的基本決定因素； 4. 在交互作用的情境方面， 情境對(duì)于個(gè)體所包含的心理學(xué)意義是重要的決定因素。 一相互作用心理學(xué)的新思路，為從個(gè)體和情境兩方面對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的心理過程作出描述、解釋和預(yù)測(cè)，提供了理論和方法方面的基礎(chǔ)。 特別是對(duì)情境研究提供了較系統(tǒng)的分析手段， 分別從 “情境內(nèi)交互作用”和“情境間交互作用”考察情境的心理學(xué)意義。因此， 為了克服習(xí)題教學(xué)的局限性， 科學(xué)教育應(yīng)當(dāng)走出單一習(xí)題教學(xué)的禁錮， 在真實(shí)的情境中研究學(xué)生的學(xué)習(xí)心理與科學(xué)教育活動(dòng)， 重視科學(xué)教育活動(dòng)中學(xué)生與科學(xué)現(xiàn)象的

14、多向性交互作用， 以保證科學(xué)教育活動(dòng)具有較高的生態(tài)學(xué)效度， 具有較高的應(yīng)用價(jià)值。 而原始問題教學(xué)則使教育生態(tài)學(xué)的思想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)成為可能。當(dāng)然， 還應(yīng)當(dāng)指出， 強(qiáng)調(diào)原始問題教學(xué)并不是完全排斥習(xí)題教學(xué)， 否定習(xí)題教學(xué)的價(jià)值，而是主張?jiān)诒Ａ袅?xí)題教學(xué)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)， 克服其不足， 并通過兩者的相互結(jié)合來達(dá)到提高科學(xué)教育效能的目的。三、原始問題的教育功能現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)的研究認(rèn)為，人的思維生理基礎(chǔ)是人的大腦。人腦有多達(dá)150 億個(gè)神經(jīng)元， 靠其突觸相互連接構(gòu)成無數(shù)條通路。 這些通路構(gòu)成了人類后天學(xué)習(xí)結(jié)果無限多樣性的生理基礎(chǔ)。因此，人腦不僅是一個(gè)生物系統(tǒng)，同時(shí)又是一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)理論指出， 一個(gè)開放系統(tǒng)，

15、 在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的條件下可以由混沌向有序方向轉(zhuǎn)化；有序的組織可能通過一個(gè)自組織過程從無序和混沌中自發(fā)地產(chǎn)生出來；自組織的顯著特點(diǎn)是它通過突變過程而完成的， 這個(gè)突變發(fā)生在事物由低級(jí)到高級(jí)階段之間的分叉點(diǎn)上；在發(fā)生突變之前，系統(tǒng)通過正反饋與外界交換物質(zhì)、能量和信息，使有序狀態(tài)參量不斷增強(qiáng)， 超過臨界值系統(tǒng)便進(jìn)人高一級(jí)階段， 這個(gè)高級(jí)階段叫 “耗散結(jié)構(gòu)” ，因?yàn)楸绕鹌胶饨Y(jié)構(gòu)，它要求消耗更多的能量來維持。我們的研究表明， 在科學(xué)教育中進(jìn)行原始問題教學(xué)， 可以較好地創(chuàng)設(shè)使學(xué)生的大腦從混沌向有序方向轉(zhuǎn)化的條件，因此，原始問題教學(xué)具有以下教育功能。（一）使學(xué)生的大腦充分開放根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論， 一個(gè)系統(tǒng)只有開

16、放才能有序。 這是因?yàn)椋?有序的結(jié)構(gòu)需要輸入物質(zhì)、能量或信息， 并與外界進(jìn)行交換才能維持， 封閉的系統(tǒng)無法進(jìn)行有效的交換， 因而最終變?yōu)榛煦纭鹘y(tǒng)的習(xí)題，往往與科學(xué)現(xiàn)象相脫離，充斥著小球、輕桿、木塊、斜面使學(xué)生處于模型和模塊的包圍之中， 卻往往不問其生活源頭， 感受不到科學(xué)現(xiàn)象真實(shí)與鮮活的一面， 久而久之便桎梏了創(chuàng)造性思維的發(fā)展。 由圖 1 可知， 習(xí)題在一定程度上就是一個(gè)封閉系統(tǒng)， 其邊界為虛線框， 它基本上排除了環(huán)境因素的影響， 因而不能使學(xué)生 的大腦充分開放。原始問題則不然， 由于具有生態(tài)性和開放性等特點(diǎn)， 就決定了原始問題的解決必然是探索和發(fā)現(xiàn)的過程。 面對(duì)一個(gè)信息龐雜、 客觀真實(shí)的原

17、始問題， 學(xué)生很難找到可以拿來直接仿效的原型， 需要通過獨(dú)立思考， 不斷嘗試， 對(duì)問題進(jìn)行探索。 只有擺脫習(xí)題的束縛，學(xué)生的思維才可能脫離平衡狀態(tài)。（二 ）使學(xué)生的思維遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)根據(jù)“耗散結(jié)構(gòu)”理論，非平衡是有序之源。我們的思維之所以不斷深化，是因?yàn)樵诖竽X的認(rèn)知過程中，原來認(rèn)知結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)被外來的刺激所打破，發(fā)生了“同化”或更深刻的“順應(yīng)”過程，使原來的認(rèn)知結(jié)構(gòu)得到充實(shí)或變革，達(dá)到新的水平和新的平衡。習(xí)題和原始問題的區(qū)別就在于， 前者很難打破學(xué)生思維的平衡狀態(tài)， 而后者則刺激學(xué)生積極思維。 由圖 1 可知， 原始問題的解決除了推導(dǎo)、演算等過程外，還包括建立模型的分解、簡化、抽象等思維過程以

18、及對(duì)原始問題加以直覺的認(rèn)識(shí)、分析和判斷過程，從而使學(xué)生的思維遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，并達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的目的。（ 三 ） 促進(jìn)學(xué)生思維非線性相互作用的發(fā)展“耗散結(jié)構(gòu)” 理論指出， 只有在系統(tǒng)內(nèi)各要素之間存在著非線性相互作用的機(jī)制下， 才能形成耗散結(jié)構(gòu)。因?yàn)榉蔷€性相互作用，使各個(gè)要素之間產(chǎn)生相于效應(yīng)和協(xié)調(diào)作用。當(dāng)學(xué)生解決原始問題時(shí)， 外界提供的信息常常是不充分的， 有很多空白點(diǎn)， 僅憑邏輯思維很難窺探問題的本質(zhì)，此時(shí)，直覺思維不受“邏輯順序”束縛的特點(diǎn)便可發(fā)揮作用。直覺思維作為一種與邏輯思維截然不同的思維， 是一種非線性思維， 其特點(diǎn)在于思維的觸角可以伸出非常遠(yuǎn)， 往往在還沒有看清楚問題解決途徑的時(shí)

19、候就抓住了它的精神， 然后再想辦法把中間的路徑聯(lián)系起來。雖然并不能保證每一次都能成功， 但如果不去伸出直覺思維的觸角， 就永遠(yuǎn)也走不遠(yuǎn)。 愛因斯坦曾高度評(píng)價(jià)直覺思維的重要價(jià)值， 他指出：“物理學(xué)家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律， 要通向這些定律， 并沒有邏輯的道路， 只有通過那種以對(duì)經(jīng)驗(yàn)共鳴的理解為依據(jù)的直覺， 才能得到這些定律。 高屋建領(lǐng)地說明了直覺思維的創(chuàng)造價(jià)值。對(duì)于原始問題促進(jìn)思維非線性相互作用的功能， 一位物理教師通過教育行動(dòng)研究進(jìn)行了實(shí)踐，取得了較好的效果。依據(jù)行動(dòng)研究是“由社會(huì)情境（教育情境） 的參與者，為提高對(duì)所從事的社會(huì)或教育實(shí)踐的理性認(rèn)識(shí)， 為加深對(duì)實(shí)踐活動(dòng)及其依賴的背

20、景的理解所進(jìn)行的反思研究”的理念，教師在課堂上向同學(xué)們提出了這樣一個(gè)原始物理問題： “在宇航飛行時(shí)人們處于失重狀態(tài)。 失重給宇航員的生活和工作帶來很大不便， 因此， 有必要制造一個(gè)人造重力裝置。人造重力能否實(shí)現(xiàn)？；顯然，這一問題只有在思維的各個(gè)要素產(chǎn)生相干效應(yīng)和協(xié)同作用下才有可能解決。（ 四 ）通過隨機(jī)漲落促進(jìn)學(xué)生思維從無序到有序的轉(zhuǎn)變“耗散結(jié)構(gòu)” 理論提出， 處于近平衡區(qū)的系統(tǒng)， 其內(nèi)部的漲落將會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞， 使系統(tǒng)進(jìn)人無序狀態(tài)。 但對(duì)于遠(yuǎn)離平衡區(qū)的系統(tǒng)， 漲落卻可能成為促使系統(tǒng)從不穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到一個(gè)新的穩(wěn)定有序狀態(tài)的誘因， 漲落就可能被放大， 導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)， 把系統(tǒng)推到臨界點(diǎn)上， 并進(jìn)而由隨機(jī)漲落進(jìn)行選擇， 沿多種可能途徑中的某一分支進(jìn)人一個(gè)新的狀態(tài)。在科