刘增泽 童大振 潘苏东

（华东师范大学教师教育学院，上海 200062）

复杂问题解决能力是心理学与教育学研究的重要内容，从20世纪70年代开始，复杂问题解决能力引发了诸多专家学者的关注.进入到21世纪后，复杂问题解决能力成为多国基础教育所追求的课程目标，经济合作与发展组织在提出21世纪技能和能力的理论框架时，将复杂问题解决能力作为其中的一个重要成分，并将其纳入国际学生评估项目和国际成人能力测评项目的评估体系.［1］我国在2016年发布的《中国学生发展核心素养》中指出学生要有能在复杂情境中解决问题的行动能力.［2］这些政策内容意味着，中国教育的目标已经从学业成绩走向对现实社会的适应，学生不仅要能解决学业测验中的问题，还要具备解决现实中复杂问题的能力.［3］

物理学科是自然科学领域的一门基础学科，中学物理教学内容与现代生产生活、现代社会及科技的发展密切相关，物理课程目标中明确指出学生应能够运用物理观念解决实际问题.［4］从文件中可以明确，4大物理核心素养中物理观念的培养的目标之一是能够解决实际问题，而现代生活中的实际问题多是复杂问题.因此，复杂问题解决能力的培养是物理学科教学的重要内容.以往教学主要关注学生解决基础物理问题的能力，忽略了复杂问题解决能力，造成学生难以将所学知识迁移应用到生活之中，成为“纸上问题解决能力”.随着物理核心素养的落地与推广，复杂问题解决能力应是物理学科教学追求的重要目标.

1 物理复杂问题的特征

复杂问题解决是指问题解决者与动态的任务环境之间成功交互的过程.［3］复杂问题情境通常是结构不良的，问题初始阶段的信息并不完整，问题指向不明，需要在个体与问题场景的交互中收集有效信息，探索解决方法.［5］有学者在大量研究的基础上总结了复杂问题的核心特征，包括复杂性、关联性、动态性、模糊性、多目标性.［6］这为物理学科复杂问题的构建与探索提供了有效的理论特征参照.

物理学科复杂问题可被视为具有明显物理学科情境的复杂问题.因此，物理复杂问题不仅具有复杂问题的基本特征，在问题情境上还应具有物理学科属性.特别是在中学物理教学中的物理复杂问题解决能力培养的过程中，不仅应使问题具备复杂性、关联性、动态性、模糊性、多目标性，还应关注问题解决的物理学科性，从而保障教学活动的教育属性.

物理复杂问题的复杂性是指问题所涉及的变量多元.复杂性可通过该问题所涉及建模、推理等思维过程的复杂程度体现.物理复杂问题通常可以解构为多个相互关联的子问题，具有较高的整合程度.

物理复杂问题的关联性是指多变量之间的多元联系.关联性可通过问题解决所涉及的多元概念网络体现.物理复杂问题往往不是单一物理概念就能解决的简单问题，至少应涉及某个领域内多个概念所构成的概念体系的应用迁移才能解决的问题.

物理复杂问题的动态性是指人与任务之间的动态交互性.这种动态的交互性通常会在人与任务的互动中相互影响而发生动态变化.如对于某些复杂问题的探究过程中，会根据不同的目标对情境简化与建模，造成情境的变化，随着研究变量的变化，场景的形态与探究过程也将动态调整.

物理复杂问题的模糊性是指变量关系、目标、探索路径与形式等任务的清晰度低，没有明确的方向性.所以物理复杂问题的解决往往是多路径的，结果是多元的.这与解决问题的个体研究倾向密切相关.

物理复杂问题的多目标性是指目标的多元性.不同个体根据情境特征会识别出不同的有效信息，从而导致学生解决问题的方向是多元的，他们的目标自然也会呈现出多元性.

物理复杂问题的学科性是指问题解决过程中的能力方法、核心概念、思维特征等应具有物理学科属性.学科性与学科育人属性密切相关，是组织教学活动的必要保障.由于复杂问题解决能力通常需要一定的知识基础，作为问题解决新手阶段的中学生，具有一定知识边界性的物理复杂问题有助于学生逐步提升复杂问题解决能力，为解决更为综合性的跨学科复杂问题奠定基础.

深刻理解物理复杂问题的特征，是构建物理复杂问题教学活动的基础.构建物理复杂问题解决能力培养的教学时，情境是决定复杂问题教学能否进行的重要因素.根据物理课程标准中学生应能够运用物理观念解决实际问题的要求，借鉴PISA测试的经验，选择实际生活场景是构建物理复杂问题情境的重要路径.

2 生活视域下构建物理复杂问题

中学物理知识内容贴近生活、服务生活.以生活实际场景构建复杂问题情境有利于学生产生共鸣，构建物理学与生活实践间的桥梁，促进学生知识迁移，实现深度学习，培养核心素养.［7］真实的生活情境是构建复杂问题最直接简单的形式，大部分生活视域下的情境兼具了复杂性、关联性、动态性、模糊性、多目标性.因此，在构建复杂问题过程中只需着重关注情境的物理学科特性.不同生活情境的复杂问题解决过程通常会有不同的学科倾向，在选择具有物理学科教育性的生活情境时可采用以下过程.

2.1 知识领域分析

中学物理涉及力与运动、光学、声学、电学等知识内容，不同的知识领域所涵盖的概念网络是不同的，各知识领域内的核心概念间也存在差别，如力学与运动学所涉及的概念体系存在差异，运动学中直线运动与圆周运动的概念体系又存在差异.这些概念体系所对应的问题情境必然也存在差异.教师应根据教学需求，首先分析学生已有知识基础，然后分析教学目标，将学生知识基础与教学知识目标相叠加，绘制概念网络，确定复杂问题情境领域边界，为问题情境的选择奠定基础.

2.2 生活情境匹配

中学物理教学应具有明确的教育指向性，以教学内容为导向，匹配生活情境，构建复杂问题.这个环节是还原物理复杂问题的生活情境，使其从学科问题转向兼具复杂问题特征与学科性的重要环节.根据知识领域的概念体系选择相适应的生活场景，由宽泛的生活情境向细节性的生活情境逐渐聚焦.如能量守恒相关知识学习完后，需要构建运动学与能量相关概念之间的概念网络，促进学生深度学习.根据学生的知识基础与教学目标的知识体系，可以确定该概念网络为运动学知识领域，与之匹配的生活场景范畴为生活中常见的运动，包括体育运动、常见的交通工具的运动、天体运动、其他机械运动等.由于教学目标是要构建运动学与能量相关的知识体系，进一步聚焦场景，以运动状态的变化导致的能量转变的情境为主，且能量相互转化的过程中损失较小的为佳.这样的情境更接近理想状态，有助于学生有效建模与探究实验.与此同时需要考虑生活情境是否为学生能够接触或容易获得的情境，如天体运动对于学生来说仍旧属于陌生情境，且难以产生真实体验；而体育运动则与学生生活更为贴近，考虑到因运动状态的变化而导致的能量转变，像常规的跑步、跳高、跳远等相对而言属于常规性的物理问题解决范畴，而且其中涉及到身体内部持续消耗的化学能转化为动能的过程，并不符合教学目标；因此需要选择相对复杂的运动形式，如单板U型池技巧运动、双板U型池技巧运动、雪上大跳台等多过程的运动场景更适宜该教学内容复杂问题情境的构建.

2.3 核心问题构建

在教学目标指导下匹配复杂问题情境后，还需对情境下的核心问题进行导向性分析，预判复杂问题解决的路径.以单板U型池技巧运动情境为例，可选择近期冬奥会或锦标赛的U型池单板或双板比赛为真实情境，对真实情境实地、影像资料、图文资料、赛道数据等进行分析.根据复杂问题的复杂性、关联性、动态性、模糊性、多目标性、学科性的特征逐条构建情境的核心问题.首先，核心问题应减少或不设模拟条件，尽量保持原始情境样貌.其次，关注情感与动机，探寻能够激发学生情感共鸣或探究动机的问题表述.再次，问题描述源自生活，避免过多的学科语言加工，如“请问单板U型池运动的运动学特征和功能变化是怎样的”的问题描述忽略了学生从情境中简化表征问题的过程.这种描述作为核心问题会使这个情境丧失其效用，切断了生活与物理之间的界限.最后，核心问题的解决应涉及多变量多路径，这是体现复杂问题特征的核心.因此，可在冬奥会单板U型池技巧赛的背景下，结合近期赛事真实赛况设置问题，如“2022年北京冬奥会单板U型场地技巧竞赛中，中国选手如何才能获得更好的成绩呢？”的问题表述，表述首先展现了真实情境，没有过多的修饰，但又隐性地展现出该情境具有丰富的视频、图文、赛道参数等扩展性资源与信息.其次，作为国际赛事，能够激发学生为国争光而献策献计的动机.然后，描述没有明显的学科语言加工，但又基于其情境的运动特征，隐性地展现了其问题的界限为运动学领域.最后，依据竞赛规则，隐性表述了该问题可从多角度入手解决，如个人转体技巧、起跳高度、动作的持续性等等视角给出问题解决的路径.与之对应的便是物理学中的转动、惯性、重心、动能势能转化、能量守恒等概念体系.至此，对于生活情境下的物理复杂问题构建完成，教学与情境实现有效匹配.

3 构建物理复杂问题梯式支架

中学阶段学生具备了一些问题解决的能力，但在解决复杂问题过程中仍存在困难.在面对没有明确指向的复杂问题时，学生需要教师根据学生需求，提供有效的问题解决支架.面对学生能力的差异，问题解决所选择的路径、目标、方法的不同，教师需提供多路径的梯式问题解决支架.在复杂问题解决过程中梯式支架可以以不同形式出现.如引导型问题支架，方法型梯式支架，元认知支架，辅助型图表支架，知识与资源支架等.支架类型的选择可根据学生的能力特征选择，如元认知能力匮乏的学生，需要教师提供时间监控、制定计划、自我调节、环境适应与分析等方面的支架，根据学生的表情与状态实时提供.

在日常教学中，比较容易操作的是引导型问题支架和阶段型方法支架.引导型问题支架常与探究教学相结合，以往简单的物理常规问题的探究可提供逐渐细化的引导问题组，通过设问引导学生逐步完成对问题的探究.复杂问题的梯式支架则更为复杂，需要教师预判学生探究路径，分析不同路径变量特征，构建依托路径的问题组作为引导探究活动的支架主体.与此同时，因为学生的探究可能融合多变量共同研究，教师还需以复杂问题的概念体系为依托，构建整个复杂问题的问题网络，从而保障学生能够从多个视角深刻地认识并解决这个复杂问题.例如图1所示，图中展示了4条主路径与路径之间可用于联系的引导型梯式问题网络，根据学生需求，主路径与中间的问题网络可不断细化延展，为学生的问题解决提供有效支撑.

图1 问题支架案例

在复杂问题解决的过程中，两段式是常用的形式，分别是“建立问题表征”和“找出问题解决方案”两个阶段.［8］PISA在前人研究的基础上提出了四段式，复杂问题解决的过程分为“探索和理解、表征与系统化、计划和执行、监控和反思”.［9］以往教学经常忽略建立问题表征的过程，造成学生具备解题能力，而非问题解决能力.致使学生不能将物理知识迁移到生活情境中，难以对情境进行简化表征.因此，方法型梯式支架对于学生掌握复杂问题的解决步骤、了解不同阶段的常规方法具有较好的效果.方法型梯式支架需给出明确的问题解决阶段，如采用PISA的探索和理解、表征与系统化、计划和执行、监控和反思四段式.根据4个阶段的主要能力特征提供相应的方法支持，如探索和理解关注学生的情境分析方法，表征与系统化关注学生抽象、简化、建模等方法，计划和执行注重学生设计、探究、合作等方法，监控和反思注重学生的元认知相关方法.

物理复杂问题解决的梯式支架为课程组织提供了有效保障，同时也为学生逐步形成良好的物理复杂问题解决能力奠定基础.物理复杂问题解决的梯式支架应具有一定的物理学科属性，特别是在问题细化过程中要体现出从情境走向物理学科的导向.良好的梯式支架能够支持学生自主性学习，为开展多种形式的教学提供了保障.

4 拼图式合作学习探究物理复杂问题

科学技术飞速发展的今天，生活中所面对的问题情境趋于复杂，复杂问题的解决通常以团队的形式共同解决.PISA测试中也明确地考查了学生合作问题解决能力.［10］因此，在物理教学中，合作应是复杂问题解决能力培养的重要路径.根据复杂问题多路径、多变量的特征，以高效的课堂教学为目标，拼图式合作学习探究物理复杂问题是高效科学的教学方法.拼图式合作学习是美国德州大学Aronson教授提出的，能够促进学生批判性思考、问题解决、演讲沟通等能力.在物理复杂问题解决的教学中，拼图式合作学习可划分为以下几个环节展开.

（1）给出情境并分组讨论.给出物理复杂问题情境，包括视频、图片、文本等相关的资料，让学生快速了解真实情境特征.

（2）复合型随机分组.教师可采用能够展示出两种分组特征的工具，如扑克牌的数字和花色，颜色和形状不同的立方体、卡片等.这是拼图式合作学习的重要组织特征，每个个体将会根据手中的分组工具进入到两个完全不同人员组合的小组中展开学习.

（3）分组讨论现实问题的解决思路.个体根据分组工具的首要特征寻找相同特征的成员组成小组，进行讨论，如扑克牌同数字的学生作为一组.讨论前需组内迅速分工，选择出主持、记录、代表发言等工作负责人，然后依次请学生发言并记录.首次讨论是对情境问题化表征的探索，凝练有效信息，探索问题解决思路，讨论过程力求多元而非一致.

（4）代表发言，汇集情境有效信息与问题解决思路.邀请各组代表将本组讨论的情境有效信息与问题解决思路进行汇报，教师在黑板上记录各组汇报的有效信息与问题解决思路，为后续探究提供群体智慧.

（5）提供梯式支架，引导学生从情境中抽象表征问题.教师根据学生能力特征，提供相应的梯式支架，根据学生所提出的现实问题解决思路，引导学生将其转化为物理模型，为后续进一步探究奠定基础.通过这个过程引导学生逐步形成复杂问题解决过程中问题表征的重要能力.

（6）二次分组，分配任务.根据分组工具的第2种特征再次分组，如扑克牌的花色相同的学生分为一组.重新组合的小组派出代表选择复杂问题探究的方向，各组代表可采用抽签或协商的方式选择.这个过程是提升探究效率的重要方式，保障合作学习中“拼图”的完整性，提升学习效率.

（7）制定计划，合作探究.根据各组的任务，头脑风暴聚焦研究问题与研究假设.而后讨论协商分工，制定探究计划，获取相应资料和探究仪器.组内分工合作，探究并获得结论，完成探究工作图表.

（8）回归原始分组，各成员在组内汇报2次分组的研究成果.在规定的时间内完成问题探究任务后，2次分组的小组成员回归到原始分组的小组中，由此各原始小组每个成员都获得了不同路径的探究过程、方法和结论，实现知识拼图的拼接.按照原始小组的分工，各成员依次作为2次分组探究路径的代表向原始小组内成员讲解其2次分组探究问题的研究方法、路径和结论.高效地实现多变量、多路径探究的物理复杂问题解决.在原始小组各成员汇报结束后，组内展开讨论与互助式学习，不断完善探究结论，寻找不足，并绘制完整的物理复杂问题解决变量关系图.

（9）物理复杂问题解决成果汇报.以原始组和2次分组所绘制的图表为载体，以原始组为单位汇报研究成果.

（10）教师总结梳理问题解决的过程，指出各组探究活动的优点与不足，总结物理复杂问题的解决路径，剖析概念间的关联，以生活情境为基础，布置扩展型复杂问题解决作业.

拼图式合作教学不仅能够提升教学效率，保障复杂问题解决能力的养成，还能提升学生沟通、批判、分享、表达、团队合作的能力.根据复杂问题的特性，拼图式合作学习的教学可分为2个课时进行，第1课时以前7个环节为主体展开，以问题表征与探究为核心；第2课时以后3个环节为主体，以互相讲解和交流分享为核心.从而实现知识的有效流动和整合，促进学生高效地对物理复杂问题的多维路径完成探索.