淺談物理解題中的科學、工程和數學思維

陳涵 馬開春

【摘 要】STEAM教育的核心特點是跨學科性，除了通過不同學科知識之間的綜合應用進行實驗探究或創造作品，在解決問題的過程中，不同學科思維方法的相互滲透和使用也是STEAM思想的體現。依照STEAM教學理念，筆者主要對科學、工程和數學的思維在物理解題過程中的體現做了研究，并通過例題加以分析說明。

【關鍵詞】STEAM思想;物理習題;思維方法

【中圖分類號】G633.7 ?【文獻標識碼】A ?【文章編號】1671-8437（2021）10-0040-02

1 ? STEAM教育理念

STEAM教育通過跨學科的方式結合了科學、技術、工程、藝術和數學。它以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能，并進行靈活遷移應用解決真實世界的問題[1]。但STEAM教育不僅僅局限于通過各科知識的疊加應用來完成對項目的學習這一種方式。在日常的學科教學中，STEAM教育更多的體現在運用多個學科的思維方法去解決問題的學習取向。

學科思維是學科的深層次結構，不是具體的學科知識，是基于具體學科的研究而整理和總結出來的思考方式、思想觀念和學習方法[2]。不同學科的知識反應的是事物的不同方面，知識的獲取源于學科的思維[3]?；谒伎紗栴}方式的相通性，在學習中使用的思維方法往往不限于某個固定的學科而具有跨學科性。在以考查學生綜合素養為主的物理習題中，這一點體現得尤為明顯。

2 ? 物理解題過程中各科的思維融合

解題一般分為審題、確定方法和論證三個階段，其間大腦也是通過不斷發散、分析、總結、沉淀等思維過程來對問題進行思考，這些過程中運用的思維方法涉及多個學科。從STEAM教育的角度看，習題的解答過程，既是科學分析、推理論證的過程，也是工程問題中的方案確定和實施的過程，還是一個用數學和物理語言做具體操作呈現結果的過程。

2.1 ?閱讀審題階段

首先需要閱讀題干，正確理解題意，構建物理情境，建立物理模型。這個過程從科學思維的角度來說是基于經驗事實的抽象概括過程，不管學生的理解有什么不同，在最后都會把情境對應的問題抽象到具體的物理模型上。工程是應用數學、科學和技術領域的概念來系統解決復雜問題[4]。其雖然針對的是現實世界的問題，但是在虛擬問題背景的物理習題中，依然可以用到部分工程思維。在認識習題的過程中，學生要通過工程學的視角進行分析，認識問題的多樣性與復雜性，并對問題進行要素分析，從而對問題進行界定。也就是說，這是一個工程思維和科學思維共同作用的過程。

2.2 ?方法構建階段

針對概括出來的物理模型，科學思維要求學生通過分析綜合和科學推理等方法找出規律，形成習題的解法。從工程思維的角度看，學生需要對問題的要求和已有的條件進行權衡和籌劃，結合題干條件，對解題的方法進行評估和取舍，將相關的知識和方法作為完成工程的要素，構建出整個解題方案。這個過程也主要是科學的分析和工程的系統思維在起主要作用。

2.3 ?運算論證階段

當解題的步驟確定后，此時科學思維要求學生擁有科學證據的意識和評估科學證據的能力，通過實際的定量演算或者定性分析，在解題的過程中通過對每一個步驟有效論證，得出習題的答案。這些都需要用數學語言和符號來描述習題的物理過程和規律，合理運用數學的各種思維方法思考和解決問題，并形成結果。

3 ? 舉例

例1（2020年全國高考2卷第21題）水平冰面上有一固定的豎直擋板，一滑冰運動員面對擋板靜止在冰面上，他把一質量為4.0 kg的靜止物塊以大小為5.0 m/s的速度沿與擋板垂直的方向推向擋板，運動員獲得退行速度;物塊與擋板彈性碰撞，速度反向，追上運動員時，運動員又把物塊推向擋板，使其再一次以大小為5.0 m/s的速度與擋板彈性碰撞?？偣步涍^8次這樣推物塊后，運動員退行速度的大小大于5.0 m/s，反彈的物塊不能再追上運動員。不計冰面的摩擦力，該運動員的質量可能為（ ?）。

A.48 kg ? ?B.53 kg ? ?C.58 kg ? ?D.63 kg

3.1 ?讀題確定問題

在閱讀這道題的題干的時候，不難發現在該問題情境中，運動員推物體的時候符合動量守恒定律，運動員會向與物塊相反的方向運動。物塊通過擋板的多次反彈，每次反彈后又追上運動員，被接住后每次以同樣的速度5.0 m/s被推回，這樣運動員的后退速度越來越大，最后就不被反彈回來的物體追上了。在科學思維的指導下，學生對整個習題按照圖1所示的工程的系統思維的流程進行了思考，確定了該題為一個與動量有關的問題，其中涉及多次使用動量守恒定律。

3.2 ?確定解法和論證

結合本道題的問題求運動員的質量的可能值，同時只知道運動員最后的速度大于5.0 m/s，這一限定條件，經過分析推理，可以發現通過應用動量守恒定律，能得到每一次推回物塊后運動員的動量。所以構建出解題的方案為：多次運用動量守恒定律，通過數學歸納的辦法，就可以得到第8次推回物塊后運動員的動量大小，明晰速度大于5.0 m/s這個關鍵信息，就能初步知道運動員質量要滿足的條件，通過論證得到運動員質量必須小于60 kg。

3.3 ?檢查調整再次論證

通過檢查，可以發現質量越小的運動員每次推回物塊后獲得的向后的速度增加量就會越大，也就是說有可能在第8次推回物體之前的某次，物塊反彈回來后就已經無法追上運動員了，故再次構建方案。根據前面計算出的運動員的動量大小，對前面幾次的情況依次進行驗證，結合運動員反向運動的速度不能大于或等于5.0 m/s的要求，再次做一個考查，就會發現運動員質量如果小于52 kg，在第7次推回物體后其速度就會大于5.0 m/s，不能被物體追上，故52 kg不滿足題干要求，這樣也就得出了最后的正確答案。從這道題的解答過程可以看出，科學思維的分析推理、工程思維的系統分析、數學的歸納方法都起到了非常重要的作用。

4 ? 啟示

思維比知識重要，提高教學效能的關鍵在于挖掘與呈現知識背后的思維規律，并訓練學生掌握它[5]。通過對物理解題中體現的幾個學科思維的分析可以發現，在日常教學中，在注重培養物理學科科學思維等素養的同時，也應該對學習中用到的其他學科的思維規律進行發掘和認識，從而提升綜合思維能力。也只有將多個學科的思維發展到融會貫通，學生的思維能力和解決問題的能力才會有更好的發展。

【參考文獻】

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（4）.

[2]孫建明，王后雄.基于學科思想方法整合的高考化學命題研究[J].課程.教材.教法，2014（3）.

[3]陳涵.淺談跨學科思想方法在高中物理教學中的融入[J].湖南中學物理，2020（8）.

[4]羅伯特.M.卡普拉羅.基于項目的STEM學習[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2015.

[5]陳涵.利用“思維可視化”培養高一學生物理解題思維[J].湖南中學物理，2017（6）.

【作者簡介】

陳涵，男，四川省成都市新都一中教師。研究方向：高中物理教學。

馬開春，男，四川省成都市新都一中教師。研究方向：高中物理教學。

Thoughts on Science， Engineering and Mathematics in Solving Physics Problems *

Han Chen， Kaichun Ma

（Xindu No.1 Middle School， Chengdu， Sichuan， 610500）

Abstract： The core feature of STEAM education is interdisciplinary. In addition to the comprehensive application of knowledge between different disciplines to carry out experimental exploration or create works， the mutual infiltration and use of thinking methods of different disciplines in the process of solving problems is also the embodiment of STEAM thought. According to the STEAM teaching idea， the author mainly studies the embodiment of scientific， engineering and mathematical thinking in the process of solving physics problems， and analyzes through examples.

Key words： STEAM thought; physical exercises; thinking method