基于原始物理問題 發(fā)展科學(xué)思維能力①

(江蘇省太倉(cāng)高級(jí)中學(xué)，江蘇 太倉(cāng) 215411)

1 什么是原始物理問題與科學(xué)思維

原始物理問題基于實(shí)際情景，是自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理問題，具有生態(tài)性和開放性的特點(diǎn)。原始物理問題不同于物理習(xí)題，它們之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1

科學(xué)思維是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和改造客觀世界的實(shí)踐活動(dòng)中總結(jié)出來(lái)的思維方式和行為方式。科學(xué)思維的種類繁多，分類角度不同，結(jié)果也就不同，從心理學(xué)理論和物理學(xué)科特點(diǎn)角度進(jìn)行分類，結(jié)果如圖2所示。

圖2

2 為什么原始物理問題能有效發(fā)展科學(xué)思維能力

2.1 原始物理問題有助于滲透科學(xué)思維方法的教育

原始物理問題是基于物理現(xiàn)象的實(shí)際問題，沒有已知量、未知量和情境圖，物理模型需要學(xué)生自己去抽象，物理量需要學(xué)生自己去設(shè)置。因此，學(xué)生在解決原始物理問題的過(guò)程中要綜合應(yīng)用類比、分析、歸納等邏輯思維方法和猜想、發(fā)散、抽象等非邏輯思維方法。

2.2 原始物理問題有助于突出思維過(guò)程

因?yàn)樵嘉锢韱栴}將活生生的物理現(xiàn)象和物理過(guò)程返璞歸真地呈現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生面對(duì)原汁原味的物理問題，從而去親歷物理模型、物理概念的形成過(guò)程、物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程以及物理問題的解決過(guò)程。這些過(guò)程是發(fā)展物理科學(xué)思維的肥沃土壤，也是培育物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基石。

2.3 原始物理問題有助于顯化和內(nèi)化科學(xué)思維方法

研究表明，顯化科學(xué)思維方法有助于科學(xué)思維能力的提升，顯化后更重要的是要內(nèi)化，顯化的目的是促進(jìn)內(nèi)化。在原始物理問題的解決過(guò)程中，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思維方法教育素材，在解決原始物理問題后，可以通過(guò)思維監(jiān)控的方式，將這些科學(xué)思維先顯化，再內(nèi)化，從而有效發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3 如何運(yùn)用原始物理問題發(fā)展科學(xué)思維能力

在運(yùn)用原始物理問題發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力的過(guò)程中，首先，要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容精心編制原始物理問題；其次，對(duì)原始物理問題進(jìn)行科學(xué)建模；再次，賦值解決原始物理問題；最后，通過(guò)思維監(jiān)控內(nèi)化科學(xué)思維方法。

3.1 基于真實(shí)生活情境編制問題

編制原始物理問題的方法主要有兩種：一種是自下而上的編制方式，即把一些符合標(biāo)準(zhǔn)的習(xí)題還原至原始物理問題；另一種是自上而下的編制方式，即對(duì)生活中的物理現(xiàn)象、物理問題等進(jìn)行文字描述，使其成為原始物理問題。不論采取哪一種編制方法，原始問題一定要與真實(shí)的生活情境相對(duì)應(yīng)。

3.1.1 自下而上還原

根據(jù)原始物理問題和物理習(xí)題的關(guān)系，如圖1所示，把物理習(xí)題經(jīng)過(guò)與具體的生活情境對(duì)應(yīng)還原后就可以得到原始物理問題，筆者發(fā)現(xiàn)很多物理習(xí)題可還原為同一個(gè)原始物理問題，可見，原始問題是物理教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和基石。

圖3

例1(2007年全國(guó)Ⅱ卷第23題)：如圖3所示，位于豎直平面內(nèi)的光滑軌道，由一段斜的直軌道和與之相切的圓形軌道連接而成，圓形軌道的半徑為R。一質(zhì)量為m的小物塊從斜軌道上某處由靜止開始下滑，然后沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)。要求物塊能通過(guò)圓形軌道最高點(diǎn)，且在該最高點(diǎn)與軌道間的壓力不能超過(guò)5mg(g為重力加速度)。求物塊初始位置相對(duì)于圓形軌道底部的高度h的取值范圍。

類似這樣的物理習(xí)題有很多，把它們還原后得到的都是過(guò)山車問題。因此，應(yīng)通過(guò)原始問題教學(xué)，從根本上認(rèn)識(shí)和解決這一類問題。本習(xí)題可以還原為這樣的原始問題：過(guò)山車是一種富有刺激性的娛樂項(xiàng)目，當(dāng)你在進(jìn)入“瘋狂之圈”之前，過(guò)山車先要先從一個(gè)較高的坡道上滑下，在通過(guò)‘瘋狂之圈’的最高點(diǎn)時(shí)你對(duì)座椅的壓力有多大？

3.1.2 自上而下描述

從學(xué)生的真實(shí)生活背景出發(fā)，對(duì)一些現(xiàn)象進(jìn)行描述，就可以得到原始物理問題，也可以創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述，得到原始問題。

例2：高鐵技術(shù)是我國(guó)的驕傲和“中國(guó)智造”的標(biāo)志，現(xiàn)在很多同學(xué)出行首選高鐵。在“質(zhì)點(diǎn)”概念的教學(xué)中可以編制這樣的原始問題：從上海到北京的高鐵需要經(jīng)過(guò)南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋，請(qǐng)估算一下高鐵列車通過(guò)大橋需要多長(zhǎng)時(shí)間。

3.2 科學(xué)建模，發(fā)展非邏輯思維能力

由于原始物理問題來(lái)自于真實(shí)的情景，沒有已知量、未知量和情景圖，在解決原始問題時(shí)首先要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)建模。分析所研究的問題與哪些因素有關(guān)，突出主要因素，忽略次要因素，抓住問題的本質(zhì)。理清已知量和未知量，并對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行抽象和理想化處理，建立物理模型，畫出情景圖，從而有效發(fā)展學(xué)生的非邏輯思維能力。

針對(duì)例1中的原始問題，可以通過(guò)“問題串”引導(dǎo)，讓學(xué)生感知人對(duì)座椅的壓力大小與哪些物理量有關(guān)，進(jìn)而抽象出運(yùn)動(dòng)過(guò)程，建立物理模型。

問題1：現(xiàn)在大家坐在凳子上，你對(duì)凳子的壓力由你的質(zhì)量決定，當(dāng)你和凳子一起在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓力是不是還只與質(zhì)量有關(guān)呢？

問題2：在過(guò)山車半徑確定的情況下，過(guò)山車在最高點(diǎn)的速度大小與什么因素有關(guān)呢？

問題3：開始下滑的高度和軌道的粗糙程度如何影響過(guò)山車在最高點(diǎn)的速度大小？

問題4：請(qǐng)畫出過(guò)山車從斜坡上開始運(yùn)動(dòng)到圓軌道最高點(diǎn)的過(guò)程示意圖。

問題5：請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)出解決這一原始問題所需要的物理量，用符號(hào)表示。

物理習(xí)題教學(xué)如少了科學(xué)建模這一重要環(huán)節(jié)，也就少了培養(yǎng)學(xué)生抽象等科學(xué)思維很好的機(jī)會(huì)。通過(guò)問題引導(dǎo)，建立科學(xué)模型，構(gòu)建認(rèn)知圖示。

3.3 賦值解決，發(fā)展邏輯思維能力

原始問題的定量解決不同于物理習(xí)題，不同點(diǎn)在于：已知量由每個(gè)學(xué)生自己去賦值，當(dāng)然計(jì)算結(jié)果也不同，不追求統(tǒng)一性。這樣不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更能發(fā)展學(xué)生的分析、綜合和歸納等邏輯思維能力。

針對(duì)上述例1中的原始問題，可以通過(guò)下面的問題進(jìn)行引導(dǎo)，促進(jìn)原始物理問題的解決。

問題1：請(qǐng)根據(jù)你的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)過(guò)山車的軌道半徑和在斜坡上開始運(yùn)動(dòng)的高度，先假設(shè)軌道光滑，根據(jù)自己的體重算一算你在最高點(diǎn)時(shí)對(duì)座椅的壓力大小。

問題2：有同學(xué)根據(jù)自己估計(jì)的高度，算出來(lái)座椅給人的彈力方向是向上的，想一想有沒有生命危險(xiǎn)？

問題3：要使人和過(guò)山車能安全地通過(guò)“瘋狂之圈”的最高點(diǎn)，開始下滑的高度與半徑之間必須滿足什么關(guān)系？

問題4：在軌道不光滑的情況下，請(qǐng)估算摩擦力做的功。

學(xué)生在估算摩擦力做功時(shí)發(fā)現(xiàn)：斜面上摩擦力恒定，但進(jìn)入圓軌道后，摩擦力在變化，此時(shí)教師再出手幫助學(xué)生。讓學(xué)生自己賦值，不僅使學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的認(rèn)識(shí)更加清楚，還使物理問題生活化，思維更加靈活。

3.4 思維監(jiān)控，內(nèi)化科學(xué)思維方法

引導(dǎo)學(xué)生對(duì)原始物理問題的解決過(guò)程進(jìn)行總結(jié)、反思和評(píng)價(jià)，不僅能理清知識(shí)脈絡(luò)，而且能促進(jìn)科學(xué)思維方法的顯化和內(nèi)化。讓學(xué)生形成自己的思維策略，懂得如何去思考、分析，有效發(fā)展科學(xué)思維能力。

在“過(guò)山車”的問題解決后，進(jìn)行思維監(jiān)控，列表顯化科學(xué)思維方法。

表1 顯化科學(xué)思維方法

問題1：解決這個(gè)原始問題的關(guān)鍵性步驟有哪些？

問題2：這些關(guān)鍵步驟用到了哪些科學(xué)思維方法？

可見，在解決一個(gè)原始問題的過(guò)程中要用到多種邏輯思維和非邏輯思維方法。列出表1后，再通過(guò)下面的問題引導(dǎo)促進(jìn)內(nèi)化。

問題3：你是怎么想到這些步驟和方法的(對(duì)于能解決的同學(xué))?如何才能想到這些方法(對(duì)于未能解決的同學(xué))？

基于原始物理問題的教學(xué)要放慢節(jié)奏，以學(xué)生的思維發(fā)展情況作為教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)建立物理模型，突出思維過(guò)程，通過(guò)思維監(jiān)控內(nèi)化科學(xué)思維，來(lái)發(fā)展科學(xué)思維能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，有效落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。