運用原始物理問題培養學生的表征能力

何謀仁

原始物理問題作為一種重要的物理教學資源，無論對培養學生的解題能力，還是提升學生的學科核心素養，都有積極的推動作用，運用原始物理問題對于培養和提升學生的表征能力效果尤為顯著。表征是客觀事物的反映，又是被加工的客體，指信息或知識在心理活動中的表現和記載的方式。表征分為內部表征和外部表征，內部表征也叫內隱表征，即在分析和理解問題的條件、要求、障礙的基礎上，在頭腦中形成整個問題的結構。外部表征也叫外顯表征，即通過外部行為如作圖、批注、符號標記、摘要排列和作圖示意等輔助內隱表征的策略。本文主要在實驗班運用適當的原始物理問題作為教學案例，通過一定的教學策略、教學模式培養學生的表征能力后，對比實驗班和對照班物理成績，得出在高中物理教學中引入原始物理問題教學對培養學生的解題能力和學科素養效果顯著。

案例：教師展示物理原始問題：某城市規定，卡車在市區行駛的速度不得超過40Km/h，一卡車在危險情況下緊急剎車，在水泥地面上留下了一道筆直的黑色痕跡，此過程剛好被道路上方的電子眼錄下，假如你是交警，請判斷此卡車剎車前是否違章？

表征步驟一：找出問題所給條件和要求，通過標記勾畫出來。

教師展示物理原始問題：某城市規定，卡車在市區行駛的速度不得超過40Km/h，一卡車在危險情況下緊急剎車，在水泥地面上留下了一道筆直的黑色痕跡，此過程剛好被道路上方的電子眼錄下，假如你是交警，請判斷此卡車剎車前是否違章？

表征步驟二：找出思維障礙，做出批注。

從以上批注可以看出：學生的障礙有四處，這些障礙中既有物理知識方面的，也有其他行業規定的，我們采取的辦法是先讓同學之間交流討論，接著再從互聯網上查詢解決。

老師：下面就第一個問題，緊急剎車是什么運動，大家發表一下自己的看法？

學生甲：我做過此類習題，緊急剎車可近似當作勻減速運動處理。因為卡車剎車后，車輪抱死，車輪與地面間是滑動摩擦力，而滑動摩擦力又是恒力。

學生乙：我聽爸爸說，還有一種剎車叫“點剎”，就是剎一下，松一下，如果是這樣的話卡車就不是勻減速了。

學生丙：“點剎”是在濕滑路面和有冰雪的路面上采用的剎車方式，題中給的是水泥路面，而且是緊急剎車，所以，我贊成甲同學的觀點

學生丁：如果裝了ABS呢？

其他學生：剎車原理是什么？什么是“抱死”？什么是“點剎”，它的原理是什么？什么是ABS，它的原理又是什么……

老師：同學們說得都很好，提出的問題也很有針對性，對于同學們提出的問題大家下去先查閱資料，我們后面再討論。現在，我們還是回到這個問題上來，我們解決物理實際問題，一般都要抓住問題的主要因素，忽略次要因素，這就是我們說過的物理模型，如果剎車時車輪是滑動摩擦的，我們就可以按甲同學的說法將剎車過程建立勻減速直線模型，至于其他情況等同學們查閱資料后我們再分析。

老師：下面我們來討論一下第二個問題，“黑色痕跡”怎么形成的，有多長？

同學甲：就是車輪抱死后與水泥地面摩擦留下的劃痕。

其他同學：默許

老師：卡車一般有很多輪子，那么痕跡到底是哪個輪子摩擦留下的？

同學乙：應該是前輪。

同學丙：還有后輪呢！

同學丁：我認為黑色痕跡的長度應該是后輪滑動的距離加上前后輪的距離。

老師：很好，這樣我們就可以知道卡車剎車時滑過的位移大小了……

同學戊：用皮尺測量。滑過的位移大小就是劃痕長度減去前后輪距離，只要我們測出劃痕長度和車的前后輪距離就知道了。

老師：下面我們看第三個問題，電子眼錄下了什么？

同學甲：剎車時間。

老師：很好，雖然電子眼可以錄下很多信息，但其中對我們來說，最主要的信息就是剎車時間。

同學乙：用剎停的時刻減去剎車開始的時刻就是剎車時間。

老師：這里“違章”的含義是什么，我上網查了一下，卡車違章主要包括：超重超載、超速、酒駕、疲勞駕駛、接打電話等。這里我們重點研究的是卡車剎車前是否超速？

同學丙：只要我們算出剎車前的速度，就知道卡車是否超速了。

老師：很好，如果將大家的意見綜合起來，這個物理問題就可以這樣表征：一輛做減速直線運動的汽車，在時間t內行駛位移為x后停下來，問：卡車的初速度為多少，判斷該車是否超速？

同學：（開心輕松）

通過以上案例，發現培養學生的表征能力，關鍵在于合理地引導、交流討論與建模。表征能力的培養一般可以按圖程序進行。

總之，傳統物理教學訓練學生的主要資源是以物理習題為主，這種訓練對培養學生的解題能力固然重要，但也有其局限性，因為它割裂了物理學的本真，物理學的本質是物理現象和物理問題的解釋，物理習題是人為加工、模型化了的物理原始問題，它主要培養的是推理、演繹能力，而原始物理問題的教學對學生的能力培養是全面的、深刻的。本文嘗試運用原始物理問題作為教學資源，通過適當的案例，得出這種教學方式不僅對培養學生的物理表征能力有一定作用，同時發現，在高中物理教學中引入原始物理問題教學對培養學生的解題能力和學科素養也非常有幫助。

注：本文系2019年蘭州市個人教育課題《運用原始物理問題培養高中生物理建模能力的研究》研究成果，課題立項號LZ[2019]GR1342。

編輯 王彥清