物理课堂引入原始问题的可行性分析与策略初探＊

朱玉成 刘茂军 肖 利

（吉林师范大学物理学院，吉林 四平 136000）

1 前言

如何对物理课堂进行适切时代要求的教育教学改革是当前教育研究领域的热门议题之一，这方面的研究成果涵盖STS（科学·技术·社会）教学、多媒体辅助教学、物理最新研究成果的渗透等各个领域，但这些研究或追求教学手段的现代化，或强调与前沿科技之切合，或者注重与社会的接轨，却都未曾考虑基于物理学最核心的特征（物理学是基于现象基础上的科学）来提出解决方案的，这不能不说是教学改革领域的一个遗憾.

对于这个问题，著名物理学家杨振宁曾有过精辟的分析：“很多学生在物理学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算.演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的.绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源”，“中国学物理的方法是演绎法，先有许多定理，然后进行推演；美国对物理的了解是从现象出发，倒过来的，物理定理是从现象归纳出来的，是归纳法.演绎法是学考试的人用的方法，归纳法是做学问用的办法”.［1］

杨振宁教授对我国传统物理教育弊端的分析可谓一针见血，基于杨振宁“现象是物理学根源”的观点，我们认为，基础物理教学若想摆脱传统教育的弊病，实现新课程改革之目标，就得打破高度抽象、脱离实际的物理习题一统天下的局面，找寻一条使物理教育回归现象本源的新途径，而在物理教学中引入原始物理问题是一个值得我们研究与思考的一个解决方案.

2 原始物理问题的含义

所谓“原始物理问题”，是指自然界与社会生活中客观存在，未经出题者越俎代庖式加工的典型物理问题，它只是对现象进行了描述，保持着现实生活中物理情景的“原汁原味”.与原始物理问题对应的是习题，习题则是经过编制者简化、抽象等处理并在设定的条件、范围内的半成品作业.［2］

图1

图1为原始问题解决的基本流程示意图.由该图可以看出，一个物理问题的解决大致需要经历3个过程.第1步，发掘现象中蕴藏的信息，并用物理学的语言进行描述，即认识问题；第2步，丢弃跟问题无关的次要信息，通过简化、抽象、设置物理量后转化为物理模型，即物理建模；第3步，基于物理模型选择合适的物理定律、公式，利用数学工具经推导演算得出最终结果，即推导演算［3］.

传统的习题往往侧重于图中的后半部分（虚线区域），特别是强调第3个阶段而缺少前2个阶段；而原始问题除了公式选取、推导演算等习题所注重的步骤外，还需学生排除题中无关信息的干扰，于有用信息中通过抽象、概括等方法抽取出物理模型，之后才是选取定理公式和利用数学工具解题.

我们不妨来看两道题目.

题1.质量为10kg，长40cm的老鹰（老鹰的速度可近似忽略）与以200m／s飞行的飞机发生正面撞击，试利用动量定理的相关知识估算从开始碰撞到老鹰完全进入飞机体内的过程中飞机受到的平均撞击力.——这是一道典型的物理习题，而对应的原始问题则如下.

题2.1903年，莱特兄弟在美国北卡莱纳州成功地进行了首次动力飞行，标志着飞机的问世.2011年6月，美国彼得森空军基地一架F－15战斗机在执行训练飞行任务时被一只老鹰撞中发动机部位，操纵失灵后坠毁.试结合有关的物理知识画出撞击过程的图像，设置并估计相应物理量，解释使飞机坠毁的原因.

我们看到，大部分学生都能很好地解决上面第1道题，但在面对后一道题时却往往感到无从下手——考察的是哪个知识点？怎么连一个数字都没有？在平常的习题中这些条件都是明确给出的，题目的物理模型也是清晰的，在这种情况下，学生只需在头脑中找出一个合适的公式，通过按部就班地推演便能得出最后的答案.而在原始物理问题中，学生找不到现成的模型，也没有类似的题型作为借鉴，需要自己通过多方面的分析，选择有用信息抽离出物理模型，设定和估计解题所需的各个物理量，最后选取公式、推导演算，得出答案.

对于第2道题，老鹰与飞机相撞后与飞机合为一体，这显然属于“完全非弹性碰撞”的物理模型，碰撞过程满足动量定理，碰撞前后系统动量守恒.

如果设老鹰和飞机的质量分别为m和M，速度为v与V，碰撞后的共同速度为V′.整个撞击过程满足动量定理：Ft＝MV′－MV；碰撞前后动量守恒：MV＋mv＝（M＋m）V′.设老鹰身长为L，则撞击时间.由于 M≫m，V≫v，则飞机所受平均撞击力可近似表示为

之后根据生活经验，我们可以对各个物理量作出合理的估计（例如我们可以假定老鹰质量在5～10kg之间，身长为30～40cm，飞机的速度约为200m／s），可算得飞机所受平均撞击力的一个范围区间（4×105N≤F≤1.3×106N），如此大的冲击力会对发动机造成致命的损伤，足以解释使飞机坠毁的原因.

3 原始问题教学的理论依托

原始物理问题既是一种新的物理教育资源、物理教学理念和物理教育思想，又是一种新的物理教育方式、学习方式和评价方式.原始问题教学作为一种创新的教育模式，主要基于以下几个理论基础.

3.1 物理学基础：爱因斯坦科学思维过程理论

爱因斯坦认为科学思维只有中间过程是逻辑思维，其开始和终结都是超逻辑（直觉）思维，习题缺少问题的始末两个环节，只侧重了演算和推导部分，导致学生非线性（直觉）思维的缺失.

而翻阅我国现行中学物理教材，大量充斥的都是毫无实际生活背景的“掐头去尾”的抽象物理习题，新课改以后的部分习题，例如一些“信息题”，也大都只是在形式上联系了物理现象，骨子里并未摆脱传统习题的套路，重点仍然是演算和推导部分.原始物理问题教学的创新之处就在于，它把物理教育的重心从习题前移至原始问题，通过提供给学生未经加工处理的原始情景，使试题回溯到了物理学科的本源——物理现象.

3.2 心理学基础：皮亚杰双向建构理论

双向建构理论认为认知结构（图式）的形成与发展是源于主客体间反复地、双向地相互作用，在这个过程中，外界信息内化以形成认知结构（内化建构）；同时，认知结构作用于环境，影响和改变环境（外化建构）.［4］

传统的物理课堂往往强调对疑难点的“讲深讲透”和对知识逻辑体系的构建，教学活动大都是围绕着知识的内化建构而展开的，运用知识解决实际问题的外化建构过程基本上被忽视了.原始物理问题教学之体材来源于生活，其解决又服务于生活，可以真正达到知识巩固与运用、内化与外化建构双重收获的教育目的.

3.3 教育学基础：杜威经验组织理论

杜威反对以组织完整、逻辑体系严密的抽象教材作为教学活动的起点，而强调把知识恢复到其被抽象出来之前的状态.因为完全由间接经验所构成的教材对学生知识的习得是有效的，但在对学生能力的培养方面却不能令人满意.为解决这个矛盾，杜威提出“教材心理化”的观点.强调应以学生个人的直接经验为起点，通过对直接经验的抽象、概括和组织，形成系统的知识.［5］

受杜威的经验组织理论的启示，我们认为可以采用原始物理问题来实现直接经验系统化的过程.因为原始物理问题的抽象程度介于间接经验和直接经验之间，相对于直接经验经过了一定程度的概括组织，但又不像物理习题经过了高度抽象加工.

4 原始物理问题教学的优缺点及其融入课堂的策略分析

原始问题教学与习题教学作为两种不同的物理教学模式，在结构、表现形式与功能上存在着很大的差别，且都存在各自的优点和不足之处.对于“抽象习题”和“原始问题”教学的优缺点分析见表1.

表1

续表

通过上面的分析，我们的观点是，任何事物都是一体两面的，习题教学固然有其致命的缺陷，原始理问题教学却也存在不少弊端，因此不应该绝对化，更不能简单地取代常规习题练习.物理课堂应相应地、有计划有意识地渗透一些原始物理问题，以打破物理习题一统天下的局面，达到两者间的适切与平衡.一句话，物理教学当“以习题演练为基础，以原始物理问题解决为升华”.

下面提供一些关于原始物理问题编制和融入课堂的教学策略.

（1）从生活中引入真实素材，并做阶梯性的问题设计.

物理课堂应回归于生活、服务于生活，但是在引入生活素材时应当注意，并不是所有问题都是原始物理问题，也不是所有的原始问题都适合中学生解决.因此，教师需要把握原始问题教学的时机，精心选择教学的切入口，适时、适当地穿插原始物理问题.

另外，在教学实践中我们发现，虽然学生在对待原始物理问题上总体是持接纳态度的，但在初接触原始物理问题时，由于受传统学习思维惯性的影响，总会存在着这样或那样的困难.为了避免学生解决原始物理问题的挫败感而造成对物理学习的畏难情绪，教师在编制原始物理问题时应适当使用一些技巧来降低难度，例如有时可以给一些提示作为引导，或者通过阶梯性的问题设计以作铺垫……等等.总之，要尽量让学生在平稳过渡中接受原始物理问题，以增加原始物理问题在教学中的适切性.

（2）通过普通习题编制“真实”的虚拟原始问题，并采用两者的转换式教学法.

这里介绍一种新型的原始物理问题编制与教学方法——习题与原始问题的转换式教学.在习题、原始问题转换式教学中，教师只需通过将书本中的习题进行略微改编，比如弱化问题条件，使问题的条件多余或不足，或改变问题的设问方式，使问题没有明确的指向…等等，就将习题转换成了原始问题.如果在原始问题教学中发现学生跟不上教师的节奏，无法依靠自身能力独立完成解题，则又可通过将原始问题还原成习题以作为铺垫引导，通过习题这个中介桥梁来实现难度较大的原始问题的解决.［7］

这样，通过从原始问题到习题和从习题到背后的原始问题的转换教学，不仅让学生在逆向思维过程中巩固了理论知识，训练了各种思维（尤其是非线性思维）的能力，更能让学生从这种转换中了解到物理与实际生活的联系，增强学生运用物理知识至现实情境的意识.

5 结语

新课改目标将人的全面发展放在首位，教育比以往任何时候都更关心对学生综合素质的培养.［8］原始物理问题作为一个极具研究意义的课题，具有较强的理论研究价值与实践指导意义，应该成为解决中国物理教育弊病，实现新课程改革目标的一条可行性途径，希望能引起国内研究者和教育工作者的关注，进而促进我国科学教育的发展.

1 杨振宁.杨振宁文集.上海：华东师范大学出版社，1998.469，839

2 刑红军，陈清梅.从习题到原始问题重要变革.课程·教材·教法，2006（1）：56

3 邢红军.物理教育的生态化及其对物理课程改革的启示.教育科学研究，2010（1）：48

4 袁志远.用建构主义理论构建英语教学模式.教书育人：高教论坛，2007（8）：24

5 李志伟.杜威教育思想的哲学溯源.广西师范学院学报（哲学社会科学版），2006（2）：24－25

6 邓鹏.在生物习题教学中引入原始问题的思考.教学与管理，2007（1）：59－60

7 周武雷.基于原始物理问题的大学物理教学实践.大学物理，2010（6）：17

8 谢卫勇.现代物理知识与中学物理教学.物理教师，2000（9）：27