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本论文总体上分为三个部分：
物理开放问题的理论研究（第一章）、物理开放问题解决的策略研究（第二章）和物理开放问题教学的实验研究（第三章）。
对物理开放问题教学实验中尚存在的问题，在论文的第四章进行了反思和简单小结。
本课题在以下一些方面取得了初步的研究成果：
1物理开放问题的理论研究方面
根据物理问题的自身特点着重讨论和总结了物理开放问题的结构形式，并按照问题的结构将物理开放问题细分为情境开放问题、条件开放问题、策略开放问题、结论开放问题和综合开放问题等五个类型；
然后讨论了物理开放问题的编选原则与方法，并给出了具体的编写示例。
2物理开放问题解决的有效策略方面
首先通过一般问题解决过程和一般问题解决策略心理学理论的学习和研究，重点探讨了物理学科问题的解决过程和学科专门解决策略，从而对物理学科问题的解决过程和解决方法有一个整体的把握。
在对物理问题解决的内在心理机制深入分析的基础上，提出了提高学生解决物理开放问题能力的五项教学指导策略：
培养学生解决问题积极性——增强动机、坚定信心；
完善学生认知结构——为双向推理找到思路；
教给学生问题解决策略——掌握、熟练到迁移；
促进学生形成问题图式——为搜索联想准备素材；
提高学生元认知水平——旨在自发地生成策略。
3物理开放问题教学的实验探索方面
在明确提出物理开放问题教学目标和教学原则的基础上，着力构建了以学生主动建构为特征的物理问题解决课堂教学模式。
接着，给出了三个具体的物理开放问题的教学案例：
在开放情境中建构“黑洞”意义；
基于人体的问题建构；
电学实验设计策略和结果的开放等。
最后，提出了物理开放问题教学的评价应当注意的几个问题。
本课题研究所取得的上述初步成果，对高中物理开放问题教学和物理问题解决的教学理论研究具有一定的参考价值。
第一章物理开放问题的理论研究
作为物理学科问题的一部分，物理开放问题虽然具有其学科专业性的特点，但与心理学所论及的一般性问题存在着必然联系；
物理开放问题解决与心理学理论所研究的一般性问题解决也有许多相通之处。
为有效开展物理开放问题教学，本章从现代认知心理学关于问题及问题解决的有关研究入手，着重分析物理开放问题的结构形式和基本特点，并就物理开放问题的编选原则与编选方法进行了初步探讨。
1.1有关概念的界定
1.1.1问题及其基本成分
在直觉的水平上，每个人都知道什么是问题。
我们大家都经常需要解决问题。
在现实生活中，问题是多种多样的，内容和形式也千差万别；
但一般来说，当人们面临一项任务而又没有直接手段去完成时，于是就有了问题。
而一旦找到了完成任务的手段和方法，问题就可以得到解决。
“问题”的英文是problem，也可译成“难题”。
尽管问题是多种多样的，心理学家们对问题的表述也不尽相同，但是多数心理学家都认为，所有的问题都含有三个基本成分：
①给定——一组已知的关于问题条件的描述，即问题的起始状态；
②目标——关于构成问题结论的描述，即问题要求的答案或目标状态；
③障碍——正确的解决方法不是直接显而易见的，必须间接地通过一定的思维活动才能找到答案，达到目标状态。
任何一个真正的“问题”都是由这三个成分组成的，它们有机地结合在一起。
问题的条件和目标之间存在着内在的联系，但是把握这种联系、由起始状态达到目标状态都不是简单地通过知觉或回忆而能实现的，其间存在着障碍，需要进行思维活动。
因此也可以把问题定义为：
“给定信息和目标之间有某些障碍需要被克服的刺激情境。
”
1.1.2问题解决
“问题解决”的英文是problemsolving，也称“解决问题”。
可以定义为：
“当个人在面对问题情境而没有现成的方法可以利用时，指向于将已知情境转化为目标情境的认知过程。
”其中原有知识经验和当前问题的组成成分必须重新改组、转换和联合，才能达到既定目标。
这一定义包含四个要点：
①问题解决是以目标定向的，旨在求得问题的答案，因此无目标的幻想不是解决问题；
②问题解决是在头脑内或认知系统内进行的，只能通过解题者的行为才能间接推测它的存在，如用绳子打结，虽是有目的的，且有一系列操作，但不是解决问题，而是动作技能；
③解决问题的活动包括一系列心理运算，也就是问题解决者要操作自己已有的知识，即对自己内部的符号表征进行认知的运思（operation），因此，像回忆一个朋友的电话号码这样的简易活动不是解决问题；
④问题解决是个人化的，如“8+5=？
”对成人不构成问题，但对学前儿童构成问题，所以一个情境是否构成问题，总是相对于个人的原有知识和技能而言的。
问题解决是一种重要的思维活动，它在人们的实际生活中占有特殊的地位，与概念形成和推理思维活动相比，问题解决显得更为开阔，甚至可以将它看作思维活动的一个最普遍的形式。
问题解决早就得到心理学的重视和研究，人们就问题解决曾经提出过不同的学说，其中影响较大的有联想理论和格式塔理论。
在20世纪50年代认知心理学兴起以后，问题解决的研究出现了转折，认知心理学将人看作主动的信息加工者，为问题解决的研究开拓了新的方向。
1.1.3问题空间
现代信息加工心理学家区分了问题的客观方面和主观方面。
问题的客观方面称课题范围（taskdomain，也译“任务领域”），指课题的客观陈述。
问题的主观方面是指解题者对问题客观陈述（任务领域）的理解，称问题空间（problemspace）。
问题空间由三个部分组成：
①任务的起始状态，即任务的给定条件；
②任务的目标状态，即任务最终要达到的目标；
③任务的中间状态，即任务从起始状态向目标状态转化的若干可能途径。
每一解答途径又由若干步骤构成，并把这种使问题从起始状态向目标状态转化的操作称为算子（operator）。
所以，问题空间是由问题的起始状态、目标状态和一些算子构成的。
人们在解决问题的过程中，将任务领域转化为人的问题空间就实现了对问题的表征和理解，而问题解决就是应用各种算子来改变问题的起始状态，使之转变为目标状态，换句话说，就是对问题空间的搜索，以找到一条从问题的起始状态达到目标状态的通路。
因此，认知心理学从信息加工观点出发，将问题解决看作是一种以目标定向的搜索问题空间的认知过程。
这种看法是Newell，Shaw和Simon（1958）最早提出的，并成为认知心理学关于问题解决的主导看法。
现代信息加工心理学认真分析了问题解决者对问题客观陈述的理解，根据个人的问题空间在问题的起始状态、目标状态和从起始状态到目标状态的途径上的知识差异，可以把问题空间分成如图1——1所示的四种类型。
如图1——1中，A图表示问题空间起始状态和目标状态明确，而且达到的两条途径都是相同的。
B图表示问题空间起点和目标状态明确，但有两条不同效率的达到目标的途径。
C图表示问题空间的起始状态和目标状态明确，但不知如何达到目标。
这是人们遇到新颖性问题时常有的问题空间状态。
D图表示问题空间只有起始状态是明确的，目标和达到目标的途径或方法都不明确。
1.1.4封闭性问题与开放性问题
现实生活中的问题是各种各样的，想把问题做详细的分类研究，目前还不可能。
现在人们公认的是把问题分为两大类：
一类属于有固定答案的问题，另一类属于未定答案的问题。
属于有固定答案的问题很多，学校中用于教材的各种知识几乎都属于这类；
未定答案一类问题在学校教材中虽然不多，但在生活中和社会实践中却处处皆是，而且对人类创造性思维来说则更为重要，此类问题可能根本没有答案，可能有很多答案，也可能有答案但尚未肯定。
例如，大家都认为儿童的食物营养与其身心发展有密切的关系。
但如打破沙锅问到底，究竟应该吃些什么食物会最有利于儿童智力的发展呢？
这个问题不是没有答案，而且有很多可能的答案，但没有唯一肯定的答案。
现代信息加工心理学对问题空间的分析使我们对问题分类有了更全面的认识。
根据问题的起点、目标和容许操作（运算）的清晰度不同，人们又把问题分为定义明确的问题（well-definedproblem）和定义不明确的问题（ill-definedproblem）。
前者是指问题的三个成分都明确的问题，也称常规性问题（routineproblem）；
后者是指问题的三个成分有部分不明确的问题，也称非常规性问题。
结构良好问题（well-structuredproblem）和结构不良问题（ill-structuredproblem）是研究问题时的又一种分类方法。
在传统教育中，学生所解决的大多是结构良好问题（即相当于有固定答案问题），它可以通过特定的步骤获得问题的确切答案；
然而，在现实情境中，结构不良问题却普遍存在着，人们所面临的绝大多数问题则为结构不良问题（即相当于未定答案的问题），它没有确定的问题解决途径，甚至问题的起点、问题的终点（目标状态）也不明确。
事实上，在所有领域，只要将知识运用到具体情境中去，它所产生的问题就带有大量的结构不良特征。
从本质上看，把问题分为封闭性问题与开放性问题，也是人们对问题空间进行深刻分析的结果。
事实上，封闭性问题与有固定答案问题、结构良好问题、定义明确问题几乎等价；
而开放性问题则与未定答案问题、结构不良问题、定义不明确问题有相同或相近的内涵。
1.2物理封闭性问题的作用和不足
开放性问题是相对于传统封闭性问题而言的。
传统物理教学以传授知识为中心，教材配备的习题通常有“完备的条件”和“固定的答案”，物理问题的情景十分理想，解决问题的策略程序化。
我们称这类习题为封闭性问题。
封闭性问题要求学生由已知条件出发，通过有严格限制的推理，得出某些固定的答案。
若是在解决问题的过程中发现某些条件多余而用不着，那是不可想象的。
封闭性问题条件完备、答案固定，练习的针对性强，可以在不同的情境下重复同一种推理，定向地巩固学生的推理技能，使问题解决的技能更完善；
同时也便于检查学生掌握知识的情况，这是封闭性问题的长处。
然而，从相反的视角来看，封闭性问题的优点亦正是它自身的不足。
作为科学教育重要组成部分的物理学科教育，不仅要培养学生从具体的或观察所及的事物通过经验归纳获取知识的能力,而且要发展学生从概念、规律经假设而演绎新的知识，进而判断、评价和发展学生的创新能力，在这一方面，封闭性问题存在着明显的局限。
与封闭性问题相反，物理开放问题没有“完备的条件”和“固定的答案”。
正由于没有固定的答案，问题解决的策略也不是唯一的——问题答案的开放是第一步；
接着是问题解决策略的开放，即多样性；
最后是问题本身的开放，一个问题可以变化出许多新的问题。
随着人们对物理开放问题在测试学生能力水平，特别是测试学生学会学习能力和创造能力水平中重要作用的认识的不断发展，物理开放问题开始进入物理高考试卷。
例如下面[例1.2.1]则是1999年全国高考物理试题中的一个选择题，它与传统习题相比表现出很大的不同。
[例1.2.1]地球同步卫星到地心的距离r可由
求出。
已知式中a的单位为m，b的单位是s，c的单位是m/s2。
则：
①、a是地球半径，b是地球自转的周期，c是地球表面处的重力加速度；
②、a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是同步卫星的加速度；
③、a是赤道周长，b是地球自转的周期，c是同步卫星的加速度；
④、a是地球半径，b是同步卫星绕地心运动的周期，c是地球表面处的重力加速度。
随着高校招生制度的改革，人们对学生的综合实践能力要求也愈来愈高，这一要求也反映在综合考试“3+x”的试题上。
例如2000年浙、苏、吉三省高考理科综合的压轴题（[例1.2.2]）就是一个典型的物理开放问题——问题要求学生设计实验，用测量值表示网络中的电阻值，不同的信息获取和选择将会有不同的解决方法和结果，突出了理论与实践的有机结合，考查了学生的创新能力和科学素养。
[例1.2.2]电阻R1、R2、R3连接成如图所示的电路，放在一个箱中（虚框所示），箱面上有三个接线柱A、B、C，请用多用电表和导线设计一个实验，通过对A、B、C的测量，确定各个电阻的阻值。
相对物理问题的最终结果或答案的有无、多少而言，物理开放题更重视问题的思考过程、思考方法和对物理问题的建构，在2000年高考物理（上海）卷中，开放题被放到了突出的位置。
例如第15题，题目提供了一名宇航员“漂浮”在地球外层空间的照片，要求学生根据照片展现的情景提出两个与物理知识有关的问题。
这就要求学生在照片提供的情景和自己的认知结构之间建立联想，从中发现有意义、有价值的问题，其想象空间十分开阔、答案也是很开放的。
而第20题（[例1.2.3]）则是条件开放问题，它要求考生在条件不足（去建构一定质量的气体为研究对象）、另一方面条件又多余（实验器材中弹簧称用不上）的情况下设计实验方案，并根据方案选用器材以估测当时的室内温度。
[例1.2.3]现有一根粗细均匀长约40厘米、两端开口的玻璃管，内有一小段水柱，一个弹簧秤，一把毫米刻度尺，一小块橡皮泥，一个足够高的玻璃容器，内盛有冰和水的混合物。
选用合适的器材，设计一个实验，估测当时的室内温度。
要求：
（1）在右边方框中（略）画出实验示意图；
（2）写出要测定的物理量，写出可直接应用的物理量；
（3）写出计算室温的表达式。
与第15题和第20题相比，2000年上海高考物理试卷的试卷第21题则表现出更大的开放性——没有现成的公式原理可以套用来解决这一问题。
为了解决这一问题，学生只能从题目中去捕获与问题有关的因素，运用材料中已知和隐含的信息去建立模型、发现规律，并构建问题的答案，这对培养和提高学生学会学习的能力和学生未来的持续发展有着十分重要的意义（第21题文字较长，有意者可参看2000年上海高考物理试卷）。
目前，对物理开放问题的概念还没有一个严格的界定，其表现形式也各种各样，例如讨论题、信息题、模糊题、估算题、综合题等。
但是，从物理问题自身的结构特点来研究和探讨物理开放问题是十分有益的。
1.3物理开放问题的结构形式和基本特点
1.3.1物理开放问题的结构形式
物理开放问题的具体表现形式多种多样，依据不同的标准有不同的分类方法。
皮亚杰的认知发展阶段理论对于物理问题解决教学和物理开放问题的分类产生了很大的影响。
皮亚杰指出，从11-12岁到14-15岁，儿童能够在具体运演的基础上进行形式运演，即可根据语言文字资料进行假设演绎推理，其思维过程可以用“假设（IF）……推理（THEN）……判断（THEREFORE）……”的形式来表达。
皮亚杰称之为形式思维。
根据形式思维组成的三个要素（假设、推理、判断）和物理问题的自身特点，按照物理问题构成要素的发散倾向，可以粗略地把物理开放问题分为：
条件开放——其未知的要素是假设，条件不足或多余；
策略开放——其未知的要素是推理；
结论开放——其未知的要素是判断；
情境开放——物理问题背景与现实生活联系紧密且丰富；
综合开放——其条件、解决策略与结果都（至少有两项）要求主体在情境中自行设定或寻找，或者问题本身要自己发现并提出。
现分类举例如下：
[例1.3.1]（条件开放问题）光线通过一个小圆孔，在光屏上会发生什么现象？
由于题目所给的条件具有很大的伸缩性，因此要回答这一问题应分三种情况进行讨论。
当小圆孔较大时，屏上将出现一个小光斑；
当小圆孔较小时，会发生小孔成像，屏上将出现一个倒立的像；
当小圆孔很小时，会发生光的衍射现象，屏上将出现很多彩色或明暗相间的同心圆。
[例1.3.2]（策略开放问题）有两只伏特表A、B，量程已知，内阻未知。
另有一干电池，其内阻（未知）不能忽略。
只用这两只伏特表、电键和一些导线，能通过测量计算出这个电池的电动势（已知电池电动势不超出任一伏特表量程，伏特表读数准确，干电池不许拆开）。
①试画出测量所用的电路图。
②以测得的量作为已知量，导出计算电动势的式子。
为了测量电源的电动势，可把伏特表A、伏特表B分别与电源相联构成闭合回路，亦可把伏特表A与伏特表B相串联或相并联后接入待测电源。
不同的组合与测量，电表有各自的示数，据此可得到各不相同的电源电动势的表达式，解题策略相当开放。
[例1.3.3]（结果开放问题）有一用电器，其额定电压为6V，额定电流为0.1A。
现用电动势1.5V、内阻为1Ω的干电池组成电池组向用电器供电。
若每个电池允许输出的电流不大于0.05A，问：
应怎样联接组成电池组？
需串联多大的降压电阻？
根据用电器的正常工作要求，至少需要两组并联电池支路（也可选三条或四条等），每一电源支路要有几个相同电池串联（亦可先并后串）。
不难看出，本题有很多种解决方法，每一种电池联接需要相应的分压电阻。
当然，若从最少电池要求，可选两组并联电池支路，每组电池5个，相应串入12.5Ω的电阻分压，其效率也较好（达80%，具体分析略）。
[例1.3.4]（情境开放问题）据报道，1992年7月，航天飞机“阿特兰蒂斯”号进行了一项卫星金属悬绳发电实验，实验取得部分成功。
航天飞机在赤道上空离地面约3000千米处飞行，相对地面速度为6.5×
103米/秒，从航天飞机上发射一颗卫星，携带一根长为2×
104米、电阻为800欧的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直作切割磁感应线运动。
假定这一范围内的地磁场是均匀的，磁感应强度为4×
10-5特，且认为悬绳上各点的切割速度都和航天飞机的速度相同，根据设计，悬绳中可产生约3安的感应电流。
试求：
①金属悬绳中产生的感应电动势；
②金属悬绳两端的电压；
③航天飞机绕半径为6400千米的地球一周悬绳输出的电能。
金属悬绳切割磁感应线相当于普通直流电路的电源部分（有内阻的内电路），因为有持续的电流，总有一个外电路，而且总可以认为金属悬绳的两端与外电路相联。
我们可以这样想象：
在离地面3000千米高处，那里是几乎没有空气的太空，但存在所谓的范艾伦辐射带，有许多带电粒子约束在辐射带上。
金属悬绳上接航天飞机，当其切割磁感应线在上下两端集累电荷时，上下均可能与辐射带上的电荷中和放电，好似外层空间构成闭合回路而形成电流。
于是，根据法拉第电磁感应定律ε=BLv、闭合电路欧姆定律U=ε-Ir和电功公式W=IUt很容易计算出结果（具体从略）。
尽管就问题的解决而言，我们不必弄清楚外电路究竟是怎样的，但我们仍感到物理情境的开放对我们的挑战。
[例1.3.5]（综合开放问题）试构建中学物理中符合X=X1X2/（X1+X2）的物理问题。
例如:
电阻并联其等效电阻R=R1R2/（R1+R2）；
两电容器串联其等效电容C=C1C2/（C1+C2）；
两弹簧串联后的等效倔强系数k=k1k2/（k1+k2）；
温度不变时，一定质量的理想气体，体积为V1时其压强为P1，体积为V2时其压强为P2，体积为（V1+V2）时，其压强为p=p1p2/（p1+p2）；
……
与这一问题相仿,诸如构建形如x=2x1x2/（x1+x2）的物理问题、结合人体构建有关物理问题等，其情境、条件和策略等都是相当开放的。
1.3.2物理开放问题的基本特点
从上述物理开放问题的结构分析可以看出，物理开放问题具有以下一些基本特点：
①物理开放问题的条件具有一般性，需要动态地分析所有可能的情况；
②物理开放问题的结论是不确定的或不唯一的，存在着多种乃至无数的解答，但重要的还不是答案本身的多样性，而在于寻求解答的过程中主体通过比较各种解答的途径实现认知结构的重建；
③物理开放问题的解决策略是相当丰富的，有时表现出直觉地发现——没有现成的解题模式可以套用，但它总需要主体在求解过程中从多个角度、正反方向进行思考、探索和推理；
④物理开放问题的情境往往是真实的，其数据往往也是实际问题中真实数据，对这类问题的解决，主体必须学会排除次要因素、突出主要因素、采用近似手段、从学科角度将其建模；
⑤物理开放问题鼓励学生参与对问题的建构，使学生能结合自己已有的知识经验和思维能力积极主动的参与，而不管其属于何种程度和水平；
⑥物理开放问题特别是综合开放问题有助于培养学生的创新能力和实践能力，有助于培养学生学会学习和解决现实问题的能力。
1.4物理开放问题的编选原则及编选方法
1.4.1物理开放问题的编选原则
目前，物理开放问题教学的现成内容还不是很多，在实际教学中，物理开放问题还需要教师自己编选。
在物理开放问题编选过程中，必须遵守以下几个原则：
①主体性原则
物理开放问题的编选应能体现学生的主体地位，没有学生的积极参与，不可能对开放问题做出最好的解答；
而要体现学生的主体地位，物理开放问题无论在内容上、难度上都要适度——学生熟悉且在学生的最近发展区。
②目的性原则
在目前中学物理教学中，习题基本上是为了使学生了解和掌握物理概念、规律而设计的，在这种情况下，学生在学习过程中产生了以死记硬背代替主动参与、以机械方法代替智力思考的倾向，为了改变这种状况，使物理教学更多体现积极探究的精神，适当增加物理开放问题是必要的。
③趣味性原则
物理开放问题的内容应该富有趣味性，问题的背景及情境应是学生熟悉的，其难度也应控制在学生的现行知识和能力可以解决的范围内。
开放问题应具有一定的灵活性，使其能根据学生的兴趣和能力进行变化。
④互补性原则
开放问题和封闭问题在物理教学中应该并存互补而不是互相排斥。
按照皮亚杰发生认识论的观点，封闭问题主要引起认知结构的同化——量的变化，而开放问题则引起认知结构的顺应——质的变化。
这两种心理过程结合在一起进行多次循环，乃是智能的适应和解决问题能量发展的原因。
⑤发展性原则
物理开放问题应使学生能够获得各种水平的解答，这些解答可以是各不相同的，也可以表现在不同的层次上。
同时，根据物理开放问题的结果往往能导出一般的结论，或者能发展成为另一个新的问题，
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