例談新教材中回歸于生活的原始物理問題

張景銓

摘要：本文通過實(shí)例，探討了原始物理問題與物理習(xí)題的關(guān)系以及如何在物理教學(xué)中創(chuàng)設(shè)物理原始問題。

關(guān)鍵詞：原始物理問題；物理習(xí)題；物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2009)5(S)-0006-2

我國著名教育家陶行知先生曾認(rèn)為，教育起源于生活，生活是教育的核心，教育應(yīng)為社會(huì)生活服務(wù)，凡社會(huì)生活的中心問題也就是教育的中心問題。然而，由于應(yīng)試的需要，傳統(tǒng)的物理教學(xué)常與生活中的物理現(xiàn)象脫離，新課程要求“物理課程的構(gòu)建應(yīng)注重讓學(xué)生經(jīng)歷從自然到物理、從生活到物理的認(rèn)識(shí)過程，經(jīng)歷基本的科學(xué)探究實(shí)踐”。因此，物理教學(xué)應(yīng)該回歸生活，回歸學(xué)生的精神世界。

1 原始物理問題與物理習(xí)題的關(guān)系

趙凱華先生在《我國赴美物理研究生考試(CUS- PEA)歷屆試題集解序言》中指出:“在我們的教學(xué)中，同一物理問題，既可以把原始的物理問題提交給學(xué)生，也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學(xué)模型后提交給學(xué)生”。

根據(jù)趙凱華先生的觀點(diǎn)，中學(xué)物理教學(xué)中遇到的問題可分為兩類：原始問題和抽象問題。所謂“原始問題”是指在現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的，尚未被分解、簡(jiǎn)化、抽象的物理問題，也稱作實(shí)際問題。而“抽象問題”則指將原始問題經(jīng)過合理的分解、簡(jiǎn)化和抽象后形成的問題，這類問題往往是為鞏固物理概念、規(guī)律而人為加工選編的，有人也稱之為“概念題”，比如教科書、教參和各類物理輔導(dǎo)資料中的絕大多數(shù)例題、習(xí)題屬于抽象問題。兩者的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，學(xué)生解決物理問題需經(jīng)歷3個(gè)環(huán)節(jié)：第一，描述問題，即對(duì)現(xiàn)實(shí)問題中的物理現(xiàn)象進(jìn)行描述，使之成為原始物理問題；第二，物理建模，即對(duì)原始物理問題進(jìn)行抽象、簡(jiǎn)化、分解并挖掘物理量，使之轉(zhuǎn)化為物理習(xí)題；第三，解題，即通過定性或定量的演算和推導(dǎo)解決問題。然而，在傳統(tǒng)的物理習(xí)題解答中，往往側(cè)重第三個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)第一、第二環(huán)節(jié)中物理現(xiàn)象和物理事實(shí)把握不夠，以致很多學(xué)生只知道根據(jù)已知條件和現(xiàn)成的物理模型解題，遇到實(shí)際問題時(shí)感到茫然。

2 創(chuàng)設(shè)回歸生活的原始問題

中學(xué)階段涉及的物理知識(shí)大多與生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，如彩虹和肥皂泡的顏色、日月星辰的運(yùn)動(dòng)、閃電的產(chǎn)生、梳過頭發(fā)的梳子吸起紙屑等。因此，教師應(yīng)在教學(xué)過程中多設(shè)計(jì)貼近生活的實(shí)驗(yàn)，提出原始問題，喚起學(xué)生對(duì)身邊熟悉的生活場(chǎng)景的回憶，進(jìn)而建立物理概念或物理規(guī)律，發(fā)展學(xué)生的各種能力和掌握科學(xué)方法。

下面介紹“司南版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書”《物理》（共同必修1）中兩個(gè)“迷你實(shí)驗(yàn)室”創(chuàng)設(shè)的原始物理問題。

例1 試一試，如果要把一堆書盡可能地壘得向一側(cè)傾斜，你能夠使最頂上的一本書超出桌子邊緣多少？想一想，書要怎樣才能保持平衡？

解析 這個(gè)原始物理問題的實(shí)質(zhì)是力的平衡問題，解決此題，首先需要忽略次要因素，抓住主要矛盾，建立物理模型。因此，將書抽象成密度均勻，形狀、質(zhì)量相同的長方體，其長為L，質(zhì)量為m，如圖2所示，再按照由特殊到一般的研究方法求解。

計(jì)算最上面長方體伸出桌子邊緣的最大長度，可以采用從上往下分析。長方體1的重力作用線應(yīng)與長方體2邊緣相切，長方體1、2整體的重力作用線應(yīng)與長方體3邊緣相切，以此類推。

長方體1可在長方體2外伸出S₁=L/2。

要使最上面兩長方體相對(duì)于長方體3有最大伸長量而且不翻倒，要求最上面兩塊的重心不超過長方體3最右端的支點(diǎn)。設(shè)最上面兩長方體的重心與長方體3最右端的距離為x，如圖3所示，以長方體3的最右端為支點(diǎn)，根據(jù)杠桿平衡原理有：

mgx＝mg( L／2－x )， x＝L／4，

則長方體2相對(duì)于長方體3的最大伸長量為：S₂＝L／4

同理可求出長方體3相對(duì)于長方體4的最大伸長量為：S₃＝L／6

以此類推S₄=L／8……，S_n= L／2n

可以看出，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得親身體驗(yàn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了由原始問題抽象到物理習(xí)題的轉(zhuǎn)化，學(xué)會(huì)了模型化、抽象和推理等科學(xué)方法。

例2 兩位同學(xué)進(jìn)行競(jìng)走比賽。為了解他們的加速過程，教師讓兩同學(xué)分別拿著底部穿孔、滴水比較均勻的飲料瓶一起競(jìng)走，然后通過地上的水印，分析他們的速度變化情況（如圖4所示）。請(qǐng)你和同學(xué)們一起試試，并講講其中的道理。

本題基本上可視為原始物理問題，它以研究競(jìng)走速度變化這一生動(dòng)的真實(shí)情境為依托。第一，它具有一定的復(fù)雜性和隱蔽性。其中隱含滴水的等時(shí)性需要學(xué)生自己提出并做出解釋，時(shí)間間隔由飲料瓶的高度控制，同時(shí)隨著瓶中水的深度減小，滴水間隔變化造成一定的誤差；第二，具有較強(qiáng)的趣味性，能培養(yǎng)學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生思維。本題不一定有明確的答案，因?yàn)橥瑢W(xué)的競(jìng)走過程不可能是嚴(yán)格的勻速或勻變速直線運(yùn)動(dòng)，因此要求學(xué)生根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)情況作適當(dāng)?shù)某橄蠓治觥Ｈ绻}中不做“底部穿孔、滴水比較均勻”的提示，僅說明有飲料瓶、水等器材，本題則更具開放性，更能代表真正意義的原始物理問題。

由例2拓展的一些儀器或習(xí)題：

（1）打點(diǎn)計(jì)時(shí)器：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)中常用的基本儀器之一，其工作原理學(xué)生常常感到難理解。可結(jié)合例2中的設(shè)計(jì)思想，用飲料瓶的滴水模擬計(jì)時(shí)器的電火花（不同的是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器兩點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02s），用人提著瓶子的運(yùn)動(dòng)來模擬打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶的運(yùn)動(dòng)，從而理解打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理。

（2）沙擺：沙擺是用于演示振動(dòng)圖象的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)原理與例2一致，即如果勻速拉紙板，單擺任一周期距離是相同的；若勻加速拉紙板單擺，則相鄰周期的間距差值是相同的。

（3）2009年福建省質(zhì)量檢測(cè)（摘要）：

某校物理興趣小組依據(jù)伽利略描述的實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了如圖5所示的裝置，探究物體沿斜面下滑是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。

該實(shí)驗(yàn)探究方案是利用量筒中收集的水量來測(cè)量___________的。（時(shí)間）

本題是為了檢測(cè)學(xué)生對(duì)研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的理解程度而編設(shè)的物理習(xí)題，如果學(xué)生能深入思考例2中的原始問題，則很容易回答。此外，用滴水法測(cè)量重力加速度也可以視為由例2原始問題演變的物理問題。由此可見，加強(qiáng)原始物理問題的教學(xué)，可以讓學(xué)生舉一反三、靈活運(yùn)用物理知識(shí)。

3 新課程實(shí)施原始問題教學(xué)的體會(huì)

高中新課標(biāo)的基本理念之一就是“加強(qiáng)與學(xué)生生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用所帶來的社會(huì)問題”。新教材大量選用生活、生產(chǎn)中的實(shí)例來分析物理問題，避免抽象的闡述；物理習(xí)題中也盡可能安排與實(shí)際生活相關(guān)的物理問題或原始物理問題。這樣既有利于物理學(xué)回歸生活，創(chuàng)設(shè)原始物理問題，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)和能力，同時(shí)也有利于學(xué)生掌握科學(xué)方法，解決實(shí)際問題。

參考文獻(xiàn)：

［1］邢紅軍，陳清梅.對(duì)原始物理問題教學(xué)的思考［J］.中國教育學(xué)刊.2006，（8）.

(欄目編輯趙保鋼)