“目标导向思维模型”在物理问题解决中的应用

叶秋香

(厦门市禾山中学，福建 厦门 361009)

“科学思维”是物理新课标的四大核心素养之一，主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。建构与应用模型是物理学最重要的研究方法之一，也是物理学的核心学科特色[1]。“问题解决”是由一定的情景引起的，按照一定的目标，应用各种认知活动、技能等，经过一系列的思维操作，使问题得以解决的过程。如在“中国天眼”的维护和检修中，科学家首次使用了“微重力蜘蛛人”方案就是一个著名的用科学思维实现“问题解决”的例子。在物理教学中，通过建构“目标导向思维模型”，可以让学生像科学家们一般去思考，从而促使学生的科学思维和解决问题的能力大大提升。

学生学习物理时，普遍存在上课能听懂，而在面对较复杂的新问题时却一筹莫展的现象。究其原因，主要是不少学生在面对陌生复杂的问题时，不知道排除无关因素的干扰而无法找到解题的突破口。现代信息加工心理学认为，问题的解决是一种以目标定向的搜寻问题空间的认知过程。其中原有知识经验和当前问题的组成成分必须重新改组、转换或联合，才能达到既定的目标[2]。运用“目标导向思维模型”解决问题时，要求学生“通过通读情境信息，明确最终要解决的问题，然后从问题入手，根据问题的性质和类型搜寻并匹配头脑中储存的物理知识，有针对性地去寻找解决问题所缺的条件”，这样能大大缩小“搜索问题的空间”，把问题中的内隐条件一一倒逼出来，省时高效地形成完整的解题思路。

“目标导向思维模型”的构建过程中，解题者需要将最终要解决的问题（原目标），分解成一系列子目标（图1 中的转换目标1、2、3……），并从题中寻找每一个子目标的所需条件，在实际情境中提取有用信息，看看每个子目标中所要用到的物理量能否在题中直接找到。若能，则目标与条件匹配完成（这一过程叫匹配判断），解决问题的方案已找到，思维链条可以终止。否则思维还要继续，将目标进一步转换，直到所求问题与现有条件完全匹配为止。

图1 “目标导向思维模型”的建构过程

那么，在具体问题的解决过程中，该如何运用“目标导向思维模型”呢？下面结合例1 如图3 所示进行具体说明。

例1.如图2 所示，将边长为20cm 的正方形物块轻轻放入水中，静止时该物块露出水面的高度5cm,求该物块的密度。（ρ水=1.0×103kg/m3，g=10N/kg）

图2

在解答例题1 时，若是没有经过思维训练的学生可能会比较迷茫，无从下手。而利用“目标导向思维模型”来分析，从最终要解决的问题出发，向现有条件反推，直到达到现有条件为止，再逆着“来路”返回，一步一步正向求解，这样能很好地找到答案（图3 所示）。如果题目简单，对应的思维链条就短，反之题目越难，对应的思维链条就越长，分支就越多。在越难问题的解决中，越能体现用“目标导向思维模型”来思考问题的优势。

目标导向思维要外化为学生解题的自觉行为，得先将其内化到学生的思维体系中，使其成为一种解决问题的思维能力。该如何将“目标导向思维模型”根植于学生的头脑中呢？

3.1 教师示范，模型建构可视化

初中生正处于形象思维向抽象思维过渡的阶段，抽象思维能力较弱，因此“目标导向思维模型”的建构离不开教师用可视化的手段进行“示范”（图3），帮助学生把碎片的知识整理出来、间断的思路衔接起来、模糊的策略明晰开来，让思维从“隐性”到“显性”、从“模糊”到“清晰”，让学生从“无模型”到“有模型”、从“无意识”到“有意识”，也从“拔剑四顾心茫然”变为“解题从此有抓手”。

3.2 学生模仿，练习编制配套化

“目标导向思维模型”的建构离不开“学生模仿”。“课上听来终觉浅，绝知此法要躬行”，教师的“法”要转化为学生的“招”，离不开学生的亲力亲为和刻意练习。练习时，习题的难度要与学情配套，先易后难，循序渐进。一开始可设计一些思维链短、分支少的题组，让学生容易上手跟着学。等学生对思考的流程和操作步骤较熟后，逐步抛出较难的题。如例2，就是学生在初步掌握“目标导向思维模型”流程后抛出的较难的题。笔者启发学生“物体所受的摩擦力怎么求？依据是什么？”，一步步引导学生运用目标导向思维法画出的解题思路（图5）。让学生体会到该思维模型在聚焦问题、快速找到答案上的独特优势，他们才会有想学想用的迫切愿望。

图4

图5 解答例题2 的“目标导向思

例2，如图4 所示，一环状物体穿在水平横杆上，受风力作用向左做匀速运动，当将杆竖直放置，且所受风力不变时，物体在杆上竖直向下运动。已知物体重为G，物体在杆上所受的摩擦力与物体对杆的压力成正比，比例系数为k（k＜1），则物体在竖直杆上向下运动时物体所受的摩擦力为。

再如例3 第（1）小题较简单，可让班上基础较弱的学生画思维路径。而第（2）小题是多对象、多条件限制的动态变化题，笔者要求成绩较好的学生来完成，并适时地提示“为什么R2为有范围？如果R2 太小会怎样？如果R2 太大又会怎样？”。经过不断的引导，不少能力稍弱的学生也能顺利画出解答的思维过程（图7）。品尝到用“目标导向思维模型”解决问题的甜头，这也大大提升了他们战胜“难题”的信心。

图6

图7 “微重力蜘蛛人”方案中的“目标导向思维模型”

例3.在如图6 所示的电路中，电源电压9V 保持不变。滑动变阻器上标有“20Ω/2A”字样，电流表的量程为0～0.6A，电压表的量程为0～3V，电阻R1 的阻值为4Ω。闭合电键求：

（1）当滑片在滑动变阻器的最右端a 点时，通过电阻R1的电流。

（2）为了保证电路能正常工作及各电表不致损坏，滑动变阻器的取值范围。

3.3 持之以恒，策略形成自动化

“目标导向思维模型”的应用离不开持之以恒的强化。形成一种新的思维方法，绝不是一朝一夕的事。教师有必要坚持不懈地要求学生在实践中用目标导向法画出思维路径并用此支架去解决问题。若学生在比较难的问题中、关键的环节上，能自动地运用该模型进行聚焦并顺利解决问题，说明此时他已将此思维模型完全内化，甚至已将其变为自己的一种认知策略了。如文首所述，“中国天眼”设计师们首次使用“微重力蜘蛛人”检修方案，这一创举，其实就是利用“目标导向思维模型”认知策略解决问题的一个绝佳实例（如图7）。科学家们良好的思维品质和认知策略，一定是经过长期而系统的训练才形成的。唯有持之以恒，方可彰显久久为功之成效。

由此观之，在“目标导向思维模型”的建构及应用中，经历了从“具体问题→提炼思路→形成认知策略→广而用之”的思维进阶过程，学生的深度学习在这一过程中自然而然地发生，润物无声中核心素养得到了培育。通过“归纳→建模→应用”也即“特殊→一般→特殊”的两次建模转换，使物理问题解决的教学，赋予了方法论渗透的意义，进而完成一种“从题到类，从类到法”的智能升级[3]，避免了就题论题、题海战术带来的沉重负担，这种问题解决的教学策略正呼应了当下“双减政策”减负提质的要求。

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