物理課堂引入原始問題的可行性分析與策略初探＊

朱玉成 劉茂軍 肖 利

（吉林師范大學物理學院，吉林 四平 136000）

1 前言

如何對物理課堂進行適切時代要求的教育教學改革是當前教育研究領域的熱門議題之一，這方面的研究成果涵蓋STS（科學·技術·社會）教學、多媒體輔助教學、物理最新研究成果的滲透等各個領域，但這些研究或追求教學手段的現代化，或強調與前沿科技之切合，或者注重與社會的接軌，卻都未曾考慮基于物理學最核心的特征（物理學是基于現象基礎上的科學）來提出解決方案的，這不能不說是教學改革領域的一個遺憾.

對于這個問題，著名物理學家楊振寧曾有過精辟的分析：“很多學生在物理學習中形成一種印象，以為物理學就是一些演算.演算是物理學的一部分，但不是最重要的部分，物理學最重要的部分是與現象有關的.絕大部分物理學是從現象中來的，現象是物理學的根源”，“中國學物理的方法是演繹法，先有許多定理，然后進行推演；美國對物理的了解是從現象出發，倒過來的，物理定理是從現象歸納出來的，是歸納法.演繹法是學考試的人用的方法，歸納法是做學問用的辦法”.［1］

楊振寧教授對我國傳統物理教育弊端的分析可謂一針見血，基于楊振寧“現象是物理學根源”的觀點，我們認為，基礎物理教學若想擺脫傳統教育的弊病，實現新課程改革之目標，就得打破高度抽象、脫離實際的物理習題一統天下的局面，找尋一條使物理教育回歸現象本源的新途徑，而在物理教學中引入原始物理問題是一個值得我們研究與思考的一個解決方案.

2 原始物理問題的含義

所謂“原始物理問題”，是指自然界與社會生活中客觀存在，未經出題者越俎代庖式加工的典型物理問題，它只是對現象進行了描述，保持著現實生活中物理情景的“原汁原味”.與原始物理問題對應的是習題，習題則是經過編制者簡化、抽象等處理并在設定的條件、范圍內的半成品作業.［2］

圖1

圖1為原始問題解決的基本流程示意圖.由該圖可以看出，一個物理問題的解決大致需要經歷3個過程.第1步，發掘現象中蘊藏的信息，并用物理學的語言進行描述，即認識問題；第2步，丟棄跟問題無關的次要信息，通過簡化、抽象、設置物理量后轉化為物理模型，即物理建模；第3步，基于物理模型選擇合適的物理定律、公式，利用數學工具經推導演算得出最終結果，即推導演算［3］.

傳統的習題往往側重于圖中的后半部分（虛線區域），特別是強調第3個階段而缺少前2個階段；而原始問題除了公式選取、推導演算等習題所注重的步驟外，還需學生排除題中無關信息的干擾，于有用信息中通過抽象、概括等方法抽取出物理模型，之后才是選取定理公式和利用數學工具解題.

我們不妨來看兩道題目.

題1.質量為10kg，長40cm的老鷹（老鷹的速度可近似忽略）與以200m／s飛行的飛機發生正面撞擊，試利用動量定理的相關知識估算從開始碰撞到老鷹完全進入飛機體內的過程中飛機受到的平均撞擊力.——這是一道典型的物理習題，而對應的原始問題則如下.

題2.1903年，萊特兄弟在美國北卡萊納州成功地進行了首次動力飛行，標志著飛機的問世.2011年6月，美國彼得森空軍基地一架F－15戰斗機在執行訓練飛行任務時被一只老鷹撞中發動機部位，操縱失靈后墜毀.試結合有關的物理知識畫出撞擊過程的圖像，設置并估計相應物理量，解釋使飛機墜毀的原因.

我們看到，大部分學生都能很好地解決上面第1道題，但在面對后一道題時卻往往感到無從下手——考察的是哪個知識點？怎么連一個數字都沒有？在平常的習題中這些條件都是明確給出的，題目的物理模型也是清晰的，在這種情況下，學生只需在頭腦中找出一個合適的公式，通過按部就班地推演便能得出最后的答案.而在原始物理問題中，學生找不到現成的模型，也沒有類似的題型作為借鑒，需要自己通過多方面的分析，選擇有用信息抽離出物理模型，設定和估計解題所需的各個物理量，最后選取公式、推導演算，得出答案.

對于第2道題，老鷹與飛機相撞后與飛機合為一體，這顯然屬于“完全非彈性碰撞”的物理模型，碰撞過程滿足動量定理，碰撞前后系統動量守恒.

如果設老鷹和飛機的質量分別為m和M，速度為v與V，碰撞后的共同速度為V′.整個撞擊過程滿足動量定理：Ft＝MV′－MV；碰撞前后動量守恒：MV＋mv＝（M＋m）V′.設老鷹身長為L，則撞擊時間.由于 M?m，V?v，則飛機所受平均撞擊力可近似表示為

之后根據生活經驗，我們可以對各個物理量作出合理的估計（例如我們可以假定老鷹質量在5～10kg之間，身長為30～40cm，飛機的速度約為200m／s），可算得飛機所受平均撞擊力的一個范圍區間（4×105N≤F≤1.3×106N），如此大的沖擊力會對發動機造成致命的損傷，足以解釋使飛機墜毀的原因.

3 原始問題教學的理論依托

原始物理問題既是一種新的物理教育資源、物理教學理念和物理教育思想，又是一種新的物理教育方式、學習方式和評價方式.原始問題教學作為一種創新的教育模式，主要基于以下幾個理論基礎.

3.1 物理學基礎：愛因斯坦科學思維過程理論

愛因斯坦認為科學思維只有中間過程是邏輯思維，其開始和終結都是超邏輯（直覺）思維，習題缺少問題的始末兩個環節，只側重了演算和推導部分，導致學生非線性（直覺）思維的缺失.

而翻閱我國現行中學物理教材，大量充斥的都是毫無實際生活背景的“掐頭去尾”的抽象物理習題，新課改以后的部分習題，例如一些“信息題”，也大都只是在形式上聯系了物理現象，骨子里并未擺脫傳統習題的套路，重點仍然是演算和推導部分.原始物理問題教學的創新之處就在于，它把物理教育的重心從習題前移至原始問題，通過提供給學生未經加工處理的原始情景，使試題回溯到了物理學科的本源——物理現象.

3.2 心理學基礎：皮亞杰雙向建構理論

雙向建構理論認為認知結構（圖式）的形成與發展是源于主客體間反復地、雙向地相互作用，在這個過程中，外界信息內化以形成認知結構（內化建構）；同時，認知結構作用于環境，影響和改變環境（外化建構）.［4］

傳統的物理課堂往往強調對疑難點的“講深講透”和對知識邏輯體系的構建，教學活動大都是圍繞著知識的內化建構而展開的，運用知識解決實際問題的外化建構過程基本上被忽視了.原始物理問題教學之體材來源于生活，其解決又服務于生活，可以真正達到知識鞏固與運用、內化與外化建構雙重收獲的教育目的.

3.3 教育學基礎：杜威經驗組織理論

杜威反對以組織完整、邏輯體系嚴密的抽象教材作為教學活動的起點，而強調把知識恢復到其被抽象出來之前的狀態.因為完全由間接經驗所構成的教材對學生知識的習得是有效的，但在對學生能力的培養方面卻不能令人滿意.為解決這個矛盾，杜威提出“教材心理化”的觀點.強調應以學生個人的直接經驗為起點，通過對直接經驗的抽象、概括和組織，形成系統的知識.［5］

受杜威的經驗組織理論的啟示，我們認為可以采用原始物理問題來實現直接經驗系統化的過程.因為原始物理問題的抽象程度介于間接經驗和直接經驗之間，相對于直接經驗經過了一定程度的概括組織，但又不像物理習題經過了高度抽象加工.

4 原始物理問題教學的優缺點及其融入課堂的策略分析

原始問題教學與習題教學作為兩種不同的物理教學模式，在結構、表現形式與功能上存在著很大的差別，且都存在各自的優點和不足之處.對于“抽象習題”和“原始問題”教學的優缺點分析見表1.

表1

續表

通過上面的分析，我們的觀點是，任何事物都是一體兩面的，習題教學固然有其致命的缺陷，原始理問題教學卻也存在不少弊端，因此不應該絕對化，更不能簡單地取代常規習題練習.物理課堂應相應地、有計劃有意識地滲透一些原始物理問題，以打破物理習題一統天下的局面，達到兩者間的適切與平衡.一句話，物理教學當“以習題演練為基礎，以原始物理問題解決為升華”.

下面提供一些關于原始物理問題編制和融入課堂的教學策略.

（1）從生活中引入真實素材，并做階梯性的問題設計.

物理課堂應回歸于生活、服務于生活，但是在引入生活素材時應當注意，并不是所有問題都是原始物理問題，也不是所有的原始問題都適合中學生解決.因此，教師需要把握原始問題教學的時機，精心選擇教學的切入口，適時、適當地穿插原始物理問題.

另外，在教學實踐中我們發現，雖然學生在對待原始物理問題上總體是持接納態度的，但在初接觸原始物理問題時，由于受傳統學習思維慣性的影響，總會存在著這樣或那樣的困難.為了避免學生解決原始物理問題的挫敗感而造成對物理學習的畏難情緒，教師在編制原始物理問題時應適當使用一些技巧來降低難度，例如有時可以給一些提示作為引導，或者通過階梯性的問題設計以作鋪墊……等等.總之，要盡量讓學生在平穩過渡中接受原始物理問題，以增加原始物理問題在教學中的適切性.

（2）通過普通習題編制“真實”的虛擬原始問題，并采用兩者的轉換式教學法.

這里介紹一種新型的原始物理問題編制與教學方法——習題與原始問題的轉換式教學.在習題、原始問題轉換式教學中，教師只需通過將書本中的習題進行略微改編，比如弱化問題條件，使問題的條件多余或不足，或改變問題的設問方式，使問題沒有明確的指向…等等，就將習題轉換成了原始問題.如果在原始問題教學中發現學生跟不上教師的節奏，無法依靠自身能力獨立完成解題，則又可通過將原始問題還原成習題以作為鋪墊引導，通過習題這個中介橋梁來實現難度較大的原始問題的解決.［7］

這樣，通過從原始問題到習題和從習題到背后的原始問題的轉換教學，不僅讓學生在逆向思維過程中鞏固了理論知識，訓練了各種思維（尤其是非線性思維）的能力，更能讓學生從這種轉換中了解到物理與實際生活的聯系，增強學生運用物理知識至現實情境的意識.

5 結語

新課改目標將人的全面發展放在首位，教育比以往任何時候都更關心對學生綜合素質的培養.［8］原始物理問題作為一個極具研究意義的課題，具有較強的理論研究價值與實踐指導意義，應該成為解決中國物理教育弊病，實現新課程改革目標的一條可行性途徑，希望能引起國內研究者和教育工作者的關注，進而促進我國科學教育的發展.

1 楊振寧.楊振寧文集.上海：華東師范大學出版社，1998.469，839

2 刑紅軍，陳清梅.從習題到原始問題重要變革.課程·教材·教法，2006（1）：56

3 邢紅軍.物理教育的生態化及其對物理課程改革的啟示.教育科學研究，2010（1）：48

4 袁志遠.用建構主義理論構建英語教學模式.教書育人：高教論壇，2007（8）：24

5 李志偉.杜威教育思想的哲學溯源.廣西師范學院學報（哲學社會科學版），2006（2）：24－25

6 鄧鵬.在生物習題教學中引入原始問題的思考.教學與管理，2007（1）：59－60

7 周武雷.基于原始物理問題的大學物理教學實踐.大學物理，2010（6）：17

8 謝衛勇.現代物理知識與中學物理教學.物理教師，2000（9）：27