渗透原始问题解决 提升学生物理素养

潘巨升

【内容摘要】教师指导学生合作探究解决原始问题，不仅提高学生的科学探究能力，还可以养成观察生活中的现象，找出与物理学有关问题的习惯，进而养成探究生活中物理问题的习惯。本文结合新课程实践，阐释了原始物理问题的内涵，探讨了有效渗透原始问题提升学生素养的教学策略，并且提出了有关注意问题。

【关键词】科学素养 原始问题 教学策略 注意问题

高中新课标的基本理念之一就是“加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，关注物理学的技术应用所带来的社会问题”。近几年的高考试卷中渐渐出现了一些“准原始物理问题”如信息题、情境题等，基本上做到了贴近学生实际，联系学科前沿，坚持理论联系实际的原则，体现了运用所学知识解决实际问题的考查方向。物理教学中应培养学生喜欢观察生活中的现象且找出与物理学有关的现象，并试图运用已学物理知识来解释。因此，高中物理教学适度适时渗透原始问题，既有利于物理教学回归生活，培养学生理论联系实际的学习作风，同时也有利于学生掌握科学思想方法，提高解决实际问题的能力，从而提升综合科学素养。

一、原始物理问题内涵阐释

所谓原始物理问题，是指自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理问题，也称作实际问题。它来自真实的生活情境，只是对现象进行了描述，对学生来说是非常规的，不能靠简单的模仿来解决，其中隐含的物理问题需要学生自己提出、求解并做出解释，具有趣味性和挑战性；并且需要学生对问题进行一系列加工才能得出答案，且答案不一定是唯一的。与之相对应的是抽象物理问题，即传统的物理习题，是从实际问题中分析、简化、抽象，经人为加工出来的物理问题。对学生来说是常规的，通过简单的模仿就可以解决，一般具有唯一答案。

原始问题的表述形式是对科学现象的描述，它基本上采用文字叙述的方式呈现科学现象，与习题显著不同的是：没有习题中常常给定的已知量、未知量，需要学生根据需要去设置。典型的原始问题与习题举例如下：

①大部分人认为坐在汽车里怀抱婴儿是安全的，现在请你估测一下，在发生于瞬间的撞车事故中，需要多大的力才能抱住婴儿？

②婴儿由成人抱着坐在汽车里也是很不安全的，请计算：在一起发生在0.1s的撞车事故中，若撞车前车速为60km/h，那么成人需要多大的力才能抱住一个重l0kg的婴儿？

根据原始问题与习题的概念不难看出第一个问题是原始问题，第二个问题是习题。虽然看起来是同一个问题，但对学生解决问题能力的要求显然是不同的。第一个问题给人亲临现场解决问题的感觉，解决问题所需要的物理量、数据都没有明确地给出，这需要学生根据自己所学物理知识明确解决问题所需要的物理量，进而想办法测量、寻找证据。因此解决这个问题需要学生具有一定得科学探究能力和问题解决能力。并且通过解决这个问题可以使学生认识到自己所学的物理知识不仅仅是用作考试的，也可运用它解决现实生活中的问题。

第二个问题看起来似乎和第一个问题是同一个问题，但问题已经经过命题者的抽象、加工，所需物理量、数据都已给出，学生只要找到解决问题所需要的公式，经过简单的数学运算问题就解决了。可见，原始问题来自真实的生活情境，它具有客观真实性、开放性、隐蔽性和迁移性等特点。

二、有效渗透原始问题的教学实践

1.依托实验培养学生的科学探究能力

①运用日常器具进行实验。物理实验不能局限于实验室的现有仪器和设备，学生身边的日常器具也是重要的实验资源。正所谓：“瓶瓶罐罐皆仪器，拼拼凑凑搞研究”。使用日常器具做实验，具有简易、直观、经济等优点外，更有利于学生课外自己操作，以发展学生独立的实验能力。例如在探究单摆周期与摆长关系时，可运用生活中常见的东西：小金属球、绳子、铅笔和胶带组成单摆，并运用此单摆来探究单摆周期与摆长的关系。学生在实验中能充分观察物理现象发生、发展的全过程，体验探究的过程，拉近物理学习与学生生活的联系，激发学生科学探究的兴趣。原始问题与学生的生活密切相关，在解决原始问题时利用日常器具进行实验，更容易激发学生进行科学探究的兴趣，使学生开动脑筋，利用自己制作的仪器设计实验，完成自己提出的问题，发现隐藏其中的物理原理，这样更有利于培养学生的科学探究能力。

②开展分组实验，适当组织引导。学生分组实验是在教师指导下，主要由学生独立完成的实验活动。做分组实验时对学生不能放任自流，应有控制。实验前根据实验内容的需要和学生的具体情况对学生进行分组。一个班级的学生，有的善于动手，有的善于思考，有的表达能力强，教师可以将不同类型的学生合理分配，进行分工。这样既可以培养学生的实验能力，合作交流能力，又可以扬长避短因材施教增强学生的自信心。例如，在探究单摆周期与摆长的关系时：

首先根据实验的要求教师可将学生分成每四人一组，根据每个学生的特点进行分工：实验材料的管理员、观察实验的纪录员、代表小组的交流汇报员等。进行实验时在教师的指导下每小组利用小球、绳子、铅笔和胶带这些材料完成如下工作：用胶带将铅笔的一端固定在桌子旁边，铅笔的另一端露出桌子的边沿；把小球系在绳子一端，绳子的另一端系在露出桌边的铅笔上；由小球、铅笔和绳子组成的摆能够自由摆动；测量小球在1分钟内的摆动次数；各小组的纪录员把测量结果纪录在事先设计好的数据表中。当全班各小组学生测量的数据都通过投影仪展示出来时，就会发现每个小组记录的摆动次数都不相同。一场关于为什么会出现这种现象的热烈讨论开始了。这样将原始问题情境展现出来，可以激发学生科学探究的兴趣，帮助学生发现和提出问题，培养学生观察现象及提出问题发现问题的能力。

第二，引导学生对问题的答案进行猜测和假设。通过讨论学生认为，造成摆动次数差异的可能是：摆动次数测量的不对或时间测量的不准；绳子的长度不同；小球的质量不同……通过讨论交流，学生对问题答案做出猜测与假设，既培养了学生合作交流的能力，又培养了学生进行猜测与假设的能力。

第三，制定计划和设计实验。每个小组都选择了一个猜测，并针对这个猜测在教师的引导下，小组内同学通过合作设计实验。这样就有效培养了学生制定计划和设计实验的能力。

第四，进行实验与收集证据。各小组同学分别按自己的实验计划实施实验，并收集有用的数据。这有助于培养学生的实验操作能力和收集数据的能力。

第五，分析与论证。通过对每个小组所收集的数据进行分析比较发现，摆动的次数与绳子的长度有关，与摆的质量和振幅没有关系。这也有助于培养学生处理实验数据的能力。

第六，注意探究活动中未解决的矛盾，发现新的问题的能力得到培养。通过上面的探究得出了结论，证实了摆动次数的差异是由于绳子的长度不同造成的。那么摆动次数随着绳子的长度的变化怎样变化呢？于是，新的问题提出来了。根据所得数据，学生得出了结论：固定时间内，物体的摆动次数随着绳子长度的减小而增加。那么单摆的周期应该也是随着绳子的长度（即摆长的减小）而减小的。这时又有学生会问，周期和摆长之间的定量关系是怎样的？于是又一个新的问题被提出来了。

2.引入生活问题，培养问题解决能力

教师应该利用学生所熟知的生活现象和自然现象、组织学生亲身体验的小活动、分析物理学史上物理学家们所遇到的困难和问题或分析科有关科学前沿的新闻资料所介绍的现象，创设原始问题情境，以激发学生科学探究的兴趣，培养学生的问题解决能力。例如上面的问题①：大部分人认为坐在汽车里怀抱婴儿是安全的，现在请你估测一下，在发生于瞬间的撞车事故中，需要多大的力才能抱住婴儿？如何解决这个原始物理问题呢？首先要建立物理模型，根据我们所学的物理知识，找出问题中可能需要的物理量，并估计其数据的大小。（具体解答略）

3.促进自主学习，有效掌握知识

原始问题比常规习题更富有挑战性和趣味性，故更易激发学生学习的热情、引发深度学习，进而提高学习的质量。原始问题解决过程既是对学生阅读审题、观察分析、信息素养等能力培养的途径，同时又有很多参与讨论、师生互动合作探究的机会，促进了自主学习，有利于更好地理解和建构知识，有效掌握知识。而在学习完“曲线运动”一章后，可以将下面的原始问题留给学生课后完成：教师一手提着细绳的一端，细绳的另一端挂一重物，使重物保持不动。突然教师将重物偏开某一角度释放，使重物摆动起来，突然绳子断了（如图所示）。

学生就会问：绳子为什么会断。此时教师需要进一步引导学生：关于绳子为什么会断，请同学们在课下运用本章所学知识来解释，并设计一个实验来测定你所使用的细线的极限强度（即线的极限张力）。建议全班同学按兴趣或特长自由组合成为四个小组，在课下完成探究，两天后在课堂上由小组推选代表将他们的探究情况向大家汇报。之后全班讨论各组的探究过程，比较各小组的优缺点，以改进自己的探究方案。

4.借助原始问题渗透科学思想方法和情感态度价值观教育

学生面对一个客观真实的原始物理问题，如果找不到可以拿来仿效的原型，也没有既得的经验可以作为指导，只能通过独立思考，不断尝试，对问题进行探索。这个探索过程将使学生的思维脱离线性的平衡状态而进入非线性思维状态，引发学生的各种想象、直觉、灵感等并在问题解决的全过程中。学生常常必须经历分析问题、选择模型、建构模型、分析模型等环节，需要使用假设、等效等多种科学方法，从而真正促进了学生科学素养的提升。

还有一些原始物理问题要涉及到信息的处理和计算，例如：在2008年的奥运会上，我国跳水运动员以优美的动作为我国赢得多块金牌，而现代竞技跳水的跳水池规格一般为25米25米（长宽），那么跳水池的深度应该是多少才能使运动员展现优美动作而且没有危险呢？对于该问题，学生需要分析问题切入点。一要以人为本，池足够深而不致危险；二要符合节约型理念，不需太深。要考虑到落水前速度、入水后人体的受力模型分析，需要估算人体体重、查阅一些水阻力系数、阻力公式等信息，再通过牛顿第二定律列式求解。最终可得跳水池的深度应该在5m以上，以保证运动员的安全，又不会造成成本资源浪费。可见，教师适当引入生活中的各种现象，可以引导学生多思考其背后的原始物理问题，让他们学会观察和思考提出问题以及学会解答问题，在问题解决过程中有效渗透科学思想方法和情感态度价值观教育，落实三维课程目标。

三、物理教学中引入原始问题的深层次思考

1.选择适切的原始问题素材，增强教学针对性

原始问题来源于我们身边的客观现象。为此，教师应思考何时需要引入原始问题、目的何在？要根据教学的需要有选择地引用。而不是将所有问题都原始化，关键是运用要适切。例如：体育竞技中的缓冲、踢球和投掷技巧、运动姿态等现象中的原始物理问题，适合引入到运动学和动力学知识的学习中，可达到使抽象的物理知识形象具体化、启发学生学以致用的目的。类似的例子不胜枚举。

2.注意习题与原始问题的相互转换

从原始问题转换到习题，旨在培养学生的建模能力；从习题转换到原始问题，旨在培养学生对现实生活现象的观察力和问题意识。例如，在学习了动量定理，从习题训练切换到探索“飞鸟与飞机相撞的危害？”、“运动员摔跤后在地面翻滚的作用？”等原始问题，可深化学生对冲力与作用时间关系的理解，感悟物理就在身边、蕴含于生活现象中。原始物理问题既保持了真实世界的“原汁原味”，又是隐含深刻物理学规律的知识链。把它作为习题教学的一种补充、提升和问题解决教学的重要切入点，更能体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念，符合科学教育的培养目标。它将拓展教育工作者的教育视野，引起人们思维方式的转变。

3.有效发挥计算机技术的辅助作用

数据处理是实验中的一个关键环节，但在实际实验过程中，有些实验数据的处理比较繁琐，并且由于不同的人对实验结果有不同的认识，每个人的处理数据的方法习惯不同，很容易造成一些不必要的误差。在应用计算机辅助物理实验教学中，这个问题很容易解决，教师可以提前将公式进行编程，根据测量结果代入数据由程序完成计算任务，减轻师生的计算量，使学生有时间对整个实验进行回顾，对实验结果进行分析，对实验中发现的问题进行思考，也便于检查实验数据是否正确，有利于提高学生的实验能力。在实验中往往还要根据实验数据进行绘图，并从图像上得到一些有用的数据，为进一步得到实验结论打好基础。通过绘图，在图像上可以一目了然看出实验数据的好坏，根据实验数据所绘图像可以定性地得出数据所遵循的规律，为定量分析打好基础。以前绘图是用手工在绘图坐标纸上完成的，绘图时误差较大，往往是同一组数据，不同人所得的绘图不完全一样，无形中引入了实验误差。在应用计算机辅助物理实验教学中，应用软件在计算机上进行绘图，能较好的解决上述问题，有利于我们分析图像，得出有用的正确结论。

4.积极开展课外活动，延伸探究活动空间

目前高中师生面临的主要压力仍是高考，教师不可能将大量时间用于探究式教学，学生的大部分时间还是用到习题上，因此学生的探究能力得不到很好的培养。将原始问题引入物理教学中，就会使学生养成主动观察生活中的现象，寻找与物理学相关问题的习惯，在课外学生也愿意参加各种探究活动，因而教师就可以将解决原始问题以课外探究活动的形式留给学生，使学生在课下对原始问题进行思考探究，以培养其科学探究能力。例如，一辆汽车陷入郊外的泥坑中，四周空无一人，只是在不远处有一颗大树，现在车内仅有一条足够长、足够结实的绳子。请问司机如何才能运用自己的力量把车从泥坑中拉出来？要求，把问题转化为物理问题，并写出完整的解决方案，问题解决后，请设计一个简单易行的实验方案，验证你的拉车方法。学生通过在课外合作探究解决原始问题，可以有效激发学生科学探究的兴趣，提高学生的科学探究能力和问题解决能力，进而提升综合科学素养。

【参考文献】

[1] 林纯镇、吴崇试 编译. 我国赴美物理研究生考试历届试题集解（1980-1984）[M]. 高等教育出版社，1985.

[2] 邢红军、陈清梅. 对原始物理问题教学的思考[J]. 中国教育学刊，2006（8）.

[3] 吴玲玲. 高中物理教学中引入原始物理问题的教育功能[J]. 新课程学习，2011（7）.