如何利用原始物理問題提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

［內(nèi)容摘要］本文結(jié)合兩個長度測量的原始物理問題的解決，介紹了在大學(xué)物理教學(xué)中進行素質(zhì)拓展教學(xué)和興趣教學(xué)的具體實踐，指出原始物理問題對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和必要性。

［關(guān)鍵詞］物理原始問題；興趣物理；長度測量；物理教學(xué)

楊振寧曾經(jīng)指出：“很多學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中形成一種印象，以為物理學(xué)就是一些演算。演算是物理學(xué)的一部分，但不是最重要的部分，物理學(xué)最重要的部分是與現(xiàn)象有關(guān)的。絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源。”當(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)中的主要問題是只強調(diào)概念的定義及其運用，不重視物理概念形成過程的教學(xué)，即忽視了感知操作和表象等認知成分的豐富和鞏固，導(dǎo)致概念與有關(guān)表象經(jīng)常脫節(jié)，這導(dǎo)致學(xué)生對物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生恐懼心理。

目前在很多大學(xué)中，都對全校學(xué)生開設(shè)素質(zhì)拓展課程，尤其是文理專業(yè)之間，相互交叉進行選課。在我校面向非物理專業(yè)學(xué)生開設(shè)了《生活和興趣物理》素質(zhì)拓展課程，把一些常見和奇特的生活現(xiàn)象作為原始物理問題和物理知識聯(lián)系起來，引起了學(xué)生的極大興趣。在教學(xué)過程中通過“小題大做”，訓(xùn)練學(xué)生的思維方法和解決問題的能力。這里介紹一下我們在該課程中引入原始物理問題的教學(xué)實踐，以供同行參考。

原始物理指基于對自然界及社會生活中客觀存在的、未被加工的物理現(xiàn)象的觀察，泛指社會生活中人類預(yù)期要達到某種目的，要得到的某種結(jié)果而需要如何應(yīng)用物理規(guī)律的問題，屬于實際應(yīng)用性問題的范疇。大學(xué)物理教學(xué)中，實施素質(zhì)教育可以避免中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)試教育的功利性。為了真正培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)內(nèi)的全面素質(zhì)，原始物理問題教學(xué)更應(yīng)該得到廣泛而普遍的應(yīng)用。

一、長度測量原始問題的提出及目的

在生活中，經(jīng)常需要對一些物體的長度或者厚度進行估測。如果沒有刻度尺，是不是就沒有辦法知道物體的長度或者厚度呢？盡管物理課堂教會了學(xué)生如何用千分尺測量極細微的物體，但對于這個問題，課堂所學(xué)的知識仍然顯得無能為力。我們可以用肉眼估算一個大致長度，但結(jié)果因人而異，因物體的長短而異，這個簡單的生活問題難倒了一大片學(xué)生。

課堂上，我們提出如何不使用刻度尺來測量400m標(biāo)準(zhǔn)跑道周長和一個長×寬為40mm×35mm長方形的邊長問題。

分析這樣一個問題，其根本是刻度尺的使用問題。什么是刻度尺呢？固有的觀念就是在商店里面買到的帶有刻度線的測量工具，測量范圍從高精度的千分尺到可以測量幾十米的卷尺。人們可以根據(jù)被測物體的大小，選擇合適的刻度尺。除此之外，刻度尺真的僅僅是這些帶有刻度線的有形的測量工具嗎？有些物體有著標(biāo)準(zhǔn)的尺寸，它們自身可以作為刻度尺使用。刻度尺換一個詞可以叫做規(guī)矩物，因為被一定的標(biāo)準(zhǔn)所束縛。

設(shè)置這樣的問題初衷是讓學(xué)生會使用生活中常見的一些規(guī)矩物來進行測量和估算。除了刻度尺這種標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)矩物之外，日常生活中還有許多常見的物體可以作為規(guī)矩物。它們或者有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸，如紙幣、硬幣、銀行卡、打印紙和鞋子等都符合一定的標(biāo)準(zhǔn)；或者是具有大概的尺度范圍，如人的身體密碼包括手指的寬度、手掌大小、步長、臂長、身高以及地球的周長等。這些規(guī)矩物的尺度范圍從小到大，可以很方便地測量長度。除了這些規(guī)矩物之外還有一些方法，經(jīng)過簡單計算可以得到長度的大小，如可以通過汽車的平均速度和運行時間估計兩地之間的距離，通過落地時間估計物體拋出時的高度等等方法。

二、解決方法

拿到題目之后，同學(xué)們投入了很大的熱情來進行測量，想出了許多很好的辦法，測量過程充滿了趣味性。

1.400米標(biāo)準(zhǔn)跑道長度的測量。在400米標(biāo)準(zhǔn)跑道的測量中，同學(xué)們想出了10余種很好的方法，測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的400米相比誤差很小。下面列出幾種具有代表性的方法：

（1）步行法：步行法即走路。首先知道自己一步的長度，有個同學(xué)采用了非常科學(xué)的方法來測量自己一步的長度，他在標(biāo)準(zhǔn)100米跑道上連續(xù)走了4次，然后計算自己的步數(shù)——通過多次測量的方法確定自己的步長，然后繞著跑道走3圈，記下總步數(shù)，利用步數(shù)×步長/3得到了跑道的周長為401.5米，這位同學(xué)利用多次測量的方法來減小測量誤差。之后總結(jié)經(jīng)驗，這位同學(xué)說最大的收獲是知道自己一步有多長，以后不用尺子也能很有信心地量出一段距離的長度。這種方法也有缺點，在數(shù)字很大的時候，容易在受到干擾時發(fā)生計數(shù)錯誤。與這種方法相同的還有利用自行車輪子的周長，通過記錄輪子滾動多少圈來計算跑道的長度。同樣也可以多繞著跑道轉(zhuǎn)幾圈來減小測量的誤差。

(2)分割法：有同學(xué)發(fā)現(xiàn)400米跑道是由兩段100米的直線段和兩個半圓組成的，于是測量了半圓的直徑，通過計算得出圓的周長，加上200米之后就是跑道的長度。

（3）速度和時間組合方法：先在100米標(biāo)準(zhǔn)段上面散步或者跑步，記下所用的時間，然后繞著跑道散步或者跑步，計算總的時間，最后用速度×?xí)r間計算出跑道的長度。這種方法的優(yōu)點是在鍛煉的時候就可以完成測量，可以用于較長距離的估算并且可以避免產(chǎn)生錯誤計數(shù)。

（4）電子地圖方法：這是一種經(jīng)常用到的方法。在電子地圖軟件如Google earth中查到學(xué)校的體育場，然后用鼠標(biāo)連線，可以直接得到連線的長度。

2. 40mm×35mm矩形長和寬的測量。在這個測量問題中，測量對象的尺度比較小，所以測量方法與跑道長度的測量方法不同，需要換用合適的規(guī)矩物。在這樣的尺度范圍內(nèi)，身邊常用物體的長度和身體密碼等都是很合適的規(guī)矩物，還有一些物體雖然很大，但經(jīng)過適當(dāng)處理后同樣可以用來測量這種尺度范圍的長度。常見的物體有紙幣、電話卡和銀行卡等標(biāo)準(zhǔn)卡片；A4打印紙和書本開本信息以及手指的寬度、不同數(shù)目手指并攏時的寬度等。這些規(guī)矩物因人而異，但對每個人來說基本上是固定的，記住這些規(guī)矩物的大小在生活中會非常有用。

同學(xué)們在看到這個長方形之后，提出了許多可用的規(guī)矩物，可歸納為以下五種：

（1）紙幣。紙幣是最合適的規(guī)矩物，只要拿到的是同樣的紙幣，任何一張都具有相同的長和寬。如第五版人民幣的規(guī)格（長×寬×對角線，單位：mm×mm×mm）：100元為155×77×173，50元為150×70×165.5，20元為145×70×161，10元為140×70×156.5，5元為135×63×149，1元為130×63×144.5。100元紙幣、50元紙幣、20元紙幣、10元紙幣和5元紙幣長度從155mm依次遞減5mm，可以很好地估測從130mm到155mm之間的長度，組合起來可以測量更大尺度物體的長度。1元硬幣直徑25mm，邊厚1.85mm，五角硬幣直徑20.50mm，邊厚1.65mm，利用硬幣的厚度可以很好地估測幾個毫米尺度物體的長度。

除了紙幣之外，還有信封（一般信封背面注明尺寸）等標(biāo)準(zhǔn)物。GB/T1416-2003中國國家標(biāo)準(zhǔn)信封尺寸（mm×mm）B6號為176×125，DL號為220×110，ZL號為230×120，C5號為229×162，C4號為324×229。這些標(biāo)準(zhǔn)物提供了長度大小不同的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，讓我們可以進行估測。

(2)適當(dāng)處理后可以用的規(guī)矩物。A4紙的規(guī)格為210mm×297mm（對角線長363.7mm，約364mm），將長度5等分后每一份為42mm，6等分后每一份為35mm，可以用作對圖中長方形長和寬的測量。16開本書的規(guī)格為188mm×265mm（對角線長度324.9mm，約325mm），265/6≈44.2mm，265/7≈37.6mm亦可用于圖中長方形長和寬的測量。大16開書的規(guī)格為210mm×297mm，與A4紙相同。利用這種方法，在尺度合適的情況下誤差較小，一般不會有較大的誤差。

(3)一些日用品的常用尺寸。如常用圓珠筆的長度、圓珠筆芯的長度、飲用水瓶蓋、鑰匙的寬度和長度，測量后記下來，需要的時候就可以用這些物體估測。

(4)利用身體密碼。每個人的五個手指寬度和長度是不一樣的，把它們都記在心里就是一組自己的身體密碼，同樣可以用來測量。

(5)利用計算機刻度象素對應(yīng)長度。有的同學(xué)想到了利用計算機測量掃描圖片象素的方法。把標(biāo)準(zhǔn)1cm畫到圖上，然后把圖片和刻度線掃描成電子格式。量出1cm刻度線的長度，計算每個象素對應(yīng)的長度，然后測出長方形長和寬對應(yīng)的象素，簡單計算即可得出長和寬。這種方法很值得推薦，將其擴展后對于比刻度尺精確度小的問題（如一般刻度尺精確到1mm）和刻度尺難以直接測量的問題都可以解決。

前四種方法可以應(yīng)用到日常估測中，第五種方法則可以應(yīng)用在科學(xué)測量上。在完成這兩個測量之后，教師可以把學(xué)生使用的測量方法進行總結(jié)，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)測量長度可以運用豐富的物理方法，從而產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。

總結(jié)

真正將原始問題應(yīng)用于大學(xué)物理教學(xué)，需要教師認真仔細地體驗和思考生活，與生活實踐和生活現(xiàn)象相結(jié)合，在生活中挖掘物理知識、物理思維和操作方法。這種教學(xué)模式不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情，在思維模式、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)方面都能達到訓(xùn)練目的。

綜觀目前的物理教輔材料編排，一般是理論知識敘述+普通習(xí)題的模式，而從認識自然、解決遇到問題和解釋現(xiàn)象的角度出發(fā)的編排體制，一般限于《十萬個為什么》和科普讀物的形式，這兩者一種偏重學(xué)科系統(tǒng)，一種偏重讀者興趣。從綜合教育學(xué)、心理學(xué)和學(xué)科系統(tǒng)知識的角度出發(fā)，原始物理問題不失為一個最佳的組織物理知識系統(tǒng)的教學(xué)平臺之一。我們相信通過越來越多教師的實踐，或?qū)诶迷嘉锢韱栴}培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面探索出一條新路。

參考文獻：

[1]楊振寧.“讀書教學(xué)再十年”[M]，時報文化出版企業(yè)有限公司， 1995，9.

[2]喬際平. 物理學(xué)習(xí)心理學(xué)[M]．北京：高等教育出版社， 1991，4.

[3]周武雷，蔡托，潘曉慧. 基于原始物理問題的大學(xué)物理教學(xué)實踐[J]. 大學(xué)物理， 2010， 29(6): 43-48.

[4]于克明．談“原始問題”與能力培養(yǎng)[J]．大學(xué)物理，1997，16(5)：44-46．

[5]王靜，邢紅軍．論原始物理問題的特性及其教育功能[J]．物理教師，2004(8)：93—96．

[6]蔡燃，陳清梅，邢紅軍．原始問題教學(xué)——培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的新途徑[J]．教育理論與實踐，2008(5): 54—55．

[7]邢紅軍，陳清梅．從習(xí)題到原始問題：科學(xué)教育方式的重要變革[J]．課程?教材?教法，2006(1)：56—60．

（責(zé)任編輯史玉英）