論復雜性科學視角下的原始物理問題教學*

● 環 敏 楊雄珍

論復雜性科學視角下的原始物理問題教學*

● 環 敏 楊雄珍

當下，學科教學中的問題解決研究，已引起越來越多理論界學者和一線教師的關注。以習題為主的傳統問題解決教學，因在幫助學生鞏固和加深知識理解、訓練演算能力和初步運用知識解決問題的能力、考察學生掌握知識程度等方面有積極的作用，而一直占據著重要的地位。然而，我們也應看到，習題（也稱抽象問題）在對物理現象抽象、理想化和模型化的人為加工中，已把其部分事實背景和現象細節淡化和丟棄了，與“現象是物理學的根源”是相悖的。由于大部分習題條件一般都嚴格控制，答案唯一，極易造成學生習慣用簡單線性思維考慮問題，“只見樹木，不見森林”。有學者認為，“我國學生創新能力的匱乏是習題教學的直接結果”。如何彌補傳統習題教學中的缺失，復雜性科學為我們提供了新的視角：原始物理問題教學，更有利于培養創新思維，促進學生有效地掌握知識，提高解決實際問題的能力。

一、何為原始物理問題

目前國內現有文獻對原始物理問題的定義尚未明確統一。綜合邢紅軍、周武雷教授的界定，筆者認為“原始物理問題”是指：基于自然界及社會生產、生活中客觀存在的、未被加工的典型物理現象和事實的觀察，所產生的對現象和事實背后物理本因的疑問。

典型的原始物理問題如：①登山者背包內的物品有輕有重，不同擺放方式對登山者產生的效果不同。應該怎樣擺放才科學？②小汽車的前擋風玻璃有一定的傾斜度，而卡車、公交車等大型車輛的擋風玻璃卻幾乎是豎直的。為什么要這樣安裝？

與原始問題①對應的習題形式常為：負重爬坡者背包內有大小形狀相同、輕重不同的兩個物品，約各占據背包容積的一半。請分別從重物放在輕物上方、重物放在輕物下方兩種情況，分析比較對爬坡者產生的施力效果，說明哪種擺放方式會使其感到少吃力些。

對比兩者不難發現它們的差別：習題是從物理現象中抽象、簡化或分解出來的人為性練習，偏向訓練演算和推理，一般都給出了相應的物理量或已知條件，學生只需運用相關知識按常規方法即可自行解決。而原始問題只提供真實的物理現象、具有生態性，已知條件和物理量具有遮蔽性不直接給出，需要學生從現象出發進行假設、估計來獲取相關物理量，構建成物理模型后再運用有關知識解答，對學生的能力要求較高；由于問題情景較開放、答案也可不唯一，沒有現成的套路可模枋，常需要依靠小組協作討論完成，所以對學生來說更具有挑戰性和趣味性。

近年來，一些學者在尋求提高科學教育效能的途徑，開始關注原始問題的教學應用價值。北京大學的趙凱華教授較早意識到習題與原始問題的教學差異，曾指出：“在我們的教學中，同一問題，既可以把原始的物理問題提交給學生；也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的數學模型后再提交給學生。習慣于解后一類問題的學生，在遇到前一類問題時，往往不知所措”。

二、原始物理問題的教學功能

（一）創設形成思維耗散結構條件

具體表現在以下幾個方面：

1.提升課堂教學系統的開放性。形成耗散結構的首要條件是系統開放。只有開放系統才能與外界進行信息、能量交流，促使系統煥發生機。教學系統的開放包括學習環境、思維、教學內容和過程、學習方式等的開放。常規習題教學由于受已知條件限定，學生的思維常被題目中的各種模型、理想狀態所框定，開放度較小；而原始問題與前者相比，生態性和探索性大大增強，促使相應的教學系統更加開放。

2.創設復雜情景，引發認知混沌。耗散結構只有在開放系統的非平衡條件下才能形成，即“非平衡是有序之源”。原始問題所呈現的是一個信息龐雜、客觀真實的情景，學生很難找到某種可現成效仿的原型，原有的認知結構平衡被打破，引發了認知混沌，刺激學生的思維走向復雜性而遠離平衡態。正是在認知矛盾沖突中，學生的思維在非平衡——平衡、無序——有序、穩定——不穩定的矛盾相互轉換中，通過同化、順應，上升到了更高水平的新平衡態。

3.教學系統各元素間非線性相互作用，產生自組織演進。這是形成耗散結構的另一條件。課堂教學系統中的教師、學生、教材、環境、教學資源等各元素間是一種復雜的非線性關系。由于原始問題屬于結構不良問題，問題的初始狀態、中間狀態和目的狀態至少有一個是未知的，僅憑常規方法和簡單直線思維難以解決，需要學生調動原有的知識經驗，依靠教學系統中各要素間互動協同作用產生相干效應，經歷“頓悟”的思維突變，使教學系統在自組織中從低級向高級演進。

（二）促進自主學習，有效掌握知識

如前所述，原始問題比常規習題更富有挑戰性和趣味性，故更易激發學生學習的熱情、引發深度學習，進而提高學習的質量。原始問題解決過程既是對學生閱讀審題、觀察分析、信息素養等能力培養的途徑，同時學生又有很多參與討論、師生互動合作探究的機會，促進了自主學習，有利于更好地理解和建構知識，有效掌握知識。

（三）培養創新思維，提高解決實際問題的能力

原始問題的非常規性、復雜性、開放性和已知條件的隱蔽性等特點，決定了其解決過程必然要在探索和發現中完成。從對問題呈現現象的數據假設、簡化和抽象，得到一個物理抽象模型，到運用相關物理知識解決問題，學生的思維一直處于與信息、知識多向流通和不斷碰撞的非線性動態演進中，思維觸角得以延展，思維系統從量變并被逐級放大，最終引起質變達到新的有序，直覺思維、發散思維得到了發展。同時，也發展了學生的科學探究能力，積累了問題解決的策略和經驗，進而提升學生解決實際問題的能力。

三、如何開展原始物理問題教學

課堂教學是一個復雜系統，是由大量相互聯系和作用的要素構成的網絡，是具有特定功能的有機整體。人的大腦是復雜的、認知過程也具有復雜性。僅靠單一思維訓練方式、用常規習題搞題海戰術，難以達到培養學生創新思維和靈活運用知識解決復雜問題能力的目的。基于以上分析，認為要提高問題解決教學的質量，需要打破“習題一統天下”的格局，關注原始問題素材并適切地運用于教學中，倡導傳統習題教學與原始問題教學的有機結合。

（一）以習題教學為基礎，原始問題教學為提升

習題教學與原始物理問題教學各有所長，應發揮其綜合效能。強調原始問題的教學功能，并非否定習題教學的重要作用，而是倡導既要發揮傳統習題（特別是變式練習）教學的優勢、并把其作為問題解決教學的基本途徑，又要注意在教學中酌情選擇適量的原始物理問題，進行創新思維訓練以彌補習題教學的不足，達到掌握知識與培養能力并進的目的。例如，在一定數量的常規習題訓練基礎上，引入原始問題“刀具用鈍后，經磨礪，切割東西就變得容易了，分析其原理。”既可訓練學生靈活應用力學知識解決實際問題，又可突破“理解合力與分力間夾角關系”這一教學難點。

（二）習題與原始問題相互轉換

從原始問題轉換到習題，旨在培養學生的建模能力；從習題轉換到原始問題，旨在培養學生對現實生活現象的觀察力和問題意識。例如，在學習了動量定理，從習題訓練切換到探索 “飛鳥與飛機相撞的危害？”、“運動員摔跤后在地面翻滾的作用？”等原始問題，可深化學生對沖力與作用時間關系的理解，感悟物理就在身邊、蘊含于生活現象中。

（三）選擇適切的原始問題素材，增強教學的針對性。

原始問題來源于我們身邊的客觀現象。我們既不能視而不見，漠然對待，同時也要避免任何問題都原始化，引用泛化，關鍵是運用要適切。為此，教師應思考何時需要引入原始問題、目的何在？自然現象、體育競技、生產、日常生活、新聞媒體、科技領域乃至文學作品中，不乏大量的原始物理問題素材，要根據教學的需要有選擇地引用。例如：體育競技中的緩沖、踢球和投擲技巧、運動姿態等現象中的原始物理問題，適合引入到運動學和動力學知識的學習中，可達到使抽象的物理知識形象具體化、啟發學生學以致用的目的；列舉并分析“掛在壁墻上的石英鐘，當電池的電能耗盡而停止走動時，其秒針往往停在刻度盤上‘9’的位置。”旨在幫助學生理解力矩、增強觀察意識。類似的例子不勝枚舉。

原始物理問題既保持了真實世界的“原汁原味”，又是隱含深刻物理學規律的知識鏈。把它作為習題教學的一種補充、提升和問題解決教學的重要切入點，更能體現“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課程理念，符合科學教育的培養目標。它將拓展教育工作者的教育視野，引起人們思維方式的轉變。

云南省“十一五”教育科研規劃課題《教學模式改革與物理學科教學思想創新研究》編號：GG09003

環 敏/云南大理學院工程學院 楊雄珍/廣西賀州學院物理與電子信息工程系

（責任編輯：劉 明）