核心素養視域下的物理試題命制：原始物理問題

(西南大學物理科學與技術學院，重慶 400715)

科學教育是為了提高學生的核心素養、幫助學生理解與生活相關的事件和現象，而不僅僅是去獲得由具體事實和學科理論提煉出來的知識，核心素養是個體在面對復雜的、不確定的現實問題時能夠發現問題、解決問題的綜合品質。在物理教學中，學生掌握的科學知識不是一些零散的理論和孤立的事實，理論與事實之間有著相互關聯。原始物理問題呈現未被加工的物理現象和事實，又涵蓋了諸多物理概念、規律等。原始物理問題與實際情境緊密聯系、符合核心素養中涉及的“復雜的、不確定的現實問題”，使得教育結果的應用性增大。分析學生在原始物理問題解決過程中的行為、問題表征，可以更好地理解學生的思維方式、學習心理規律，分析學生問題解決中的思維發展過程，可以促進原始物理問題的教學，進而增強教育效率。

1 原始物理問題

現象是物理學之源，在生活生產或自然環境中總是客觀存在著能夠反映科學概念、規律本質的現象，對這些尚未被加工的科學現象或事實進行描述，就能夠產生原始物理問題。[1]原始物理問題中沒有明確的、可利用的條件，需要問題解決者對具體問題情境進行抽象，并構建物理模型、設置物理量，由此將原始問題轉化為物理習題，再加以解決。

例1：有一架由東向西飛行的飛機，請導出這架飛機上的感應電動勢的表達式。

解析：在本題中，無需考慮機身的形狀，而將機翼抽象為桿狀導體，飛機由東向西飛行就可以抽象為一根長為L的桿狀導體由東向西切割地磁場(如圖1)，從而可以順利推導出該桿狀導體所產生的感應電動勢。

圖1

學生從自身已經獲得的知識經驗與當前所面臨的問題相對比，提取與之匹配的源問題知識，設置可利用的物理量。機翼切割磁感線，地磁場強度設置為B，機翼看作桿狀運動導體、長度設置為L,運動速度為v。導體內每個自由電子電荷量為e，會受到洛倫茲力，大小設置為Fm，導體內自由電子所受電場力為F，導體內電場強度為E。在通過抽象表征、賦值表征之后，將原始物理問題轉化為物理習題。

這是一道典型的原始物理問題。中學生需要對飛機飛行這個物理現象展開一系列表征，首先對物理現象進行抽象表征，轉化成物理模型。在抽象表征過程中，學生需要決定舍棄什么、保留什么，抓住問題中的主要因素、隱蔽因素，忽略其中次要因素，將物理現象轉變為模型的過程。

2 從原始問題到物理習題

原始物理問題不同于物理習題，原始物理問題是用文字呈現待解決的物理現象，其中沒有明確的、可直接利用的條件，問題解決者要自主抽象待解決的物理情境，并構造物理模型、設置物理量，由此將原始問題轉化為物理習題，最后解答習題以達到問題的目標狀態。原始物理問題和物理習題之間的轉變，就是將所獲得的物理現象轉變為物理習題。

學生面對待解決的物理現象，不僅從中獲取字面信息，還需發現其中的隱蔽信息，這就可能導致學生產生思維障礙，導致問題表征不當、產生錯誤的問題空間。此時學生要克服思維障礙，根據原有的知識經驗擴大問題空間，搜索與當前問題相匹配的原型，利用該原型啟發式搜索有效信息，正確表征問題，并建構模型、設置物理量，完成物理現象到物理習題之間的轉變，過程如圖2所示。

學生在面對原始物理問題時，因為問題的呈現方式與習題不同，其問題空間也會因人而異，有時會存在著先入為主的觀點、消極的或片面性的思維方式，抑或是不注意隱蔽因素等。

例2：地球周圍被一層很厚的空氣包圍著，這個空氣層叫大氣層。試推導出地球大氣層重量的表達式，用來估算地球大氣層的重量。

解析：這是一道典型的原始物理問題，如果學生僅分析文字信息，沒有直接可利用的物理量，易產生思維障礙。長時間不能解決該問題，學生會重新審視題目，尋求一種新的問題表征以試圖解決問題。[2]研究已知：學生對問題的表征受到以前知識經驗的影響。在之前的學習和問題解決中，形成由若干事實、概念、規律以及物理學方法有機組成的物理知識組塊，這些知識組塊可以稱之為原型。[3]當問題解決過程中出現障礙時，學生可利用原型擴大搜索空間，展開高效的啟發式搜索，尋找隱蔽信息、克服思維障礙，正確表征問題。

傳統的物理習題是對物理現象進行抽象加工之后直接給出具體的數據、條件，重視解決過程中的演算和推導，而原始物理問題強調重現物理現象，培養學生分析、提煉物理現象的能力，有利于學生發散思維的展開以及在生活中運用物理知識。

3 命制策略

(1) 合理提出與生活緊密聯系的原始問題，注意呈現信息不要過于直接明顯。

有研究表明：在解決問題的過程中，解決者通常根據問題本身及其提示的方式來表征問題，并且產生對應的問題搜索空間。教師在培養學生物理思維時需要注意學生有效地發散思維，提出與生活實際密切聯系的物理問題，鼓勵學生嘗試解決新的事實，運用聯想、逆向以及統攝思維和謹慎的懷疑心去看待舊的認知觀念。

(2) 多方位、多角度設置問題，適當地給予提示、類比遷移，以幫助學生。

在學生面對物理現象、存在思維障礙時，教師要鼓勵學生多角度看待問題，增大問題空間。教師根據物理問題給予提示、類比，以促進學生克服思維障礙。[4]其中類比分為三種：地方類比，指針對其中某一個具體特征而言將參考問題和目標問題直接進行的類比；區域類比，在兩個相似領域中存在著相似性問題的類比；遠程類比，指完全不同領域之間存在一些相似性從而進行的類比。教師可以選擇性地提供不同的類比，協助學生在問題空間中搜索與之相匹配的原型，尋找可用的信息。

(3) 教師需要適當鼓勵學生約束松弛，充分發揮物理思維的作用。

約束松弛，即釋放一些不必要的約束假設，進而充分發散思維，尋找可能的解決策略。約束松弛是創造性問題解決中一個重要的組成部分，能夠幫助學生改變最初的無效的約束或者是改變學生對目標狀態的不恰當的表示，協助學生克服思維障礙，以利于問題解決。[5]這些能幫助學生打破思維定勢，突破不必要的思維限制，擴大問題搜索空間，尋找問題解決策略，由此培養學生問題解決能力。

4 結語

課本上的知識大多是間接經驗知識，如果將科學概念和規律放在原始物理問題中，知識將更有生命力，體現出科學概念和規律的作用和功能。使用原始物理問題教學體現物理事實中的科學規律，而非獨立存在的知識。這可以使學生有效地學習科學知識，也能很好地培養學生的能力，提高學生的核心素養。使用原始問題要注意因材施教，不同學生的思維方式、能力水平不同，面對原始物理問題的思維方式也不同，通過學生的行為、問題表征，更好地了解學生的學習心理規律，增強教育效果、提高學生核心素養。