运用原始物理问题培养学生的表征能力

何谋仁

原始物理问题作为一种重要的物理教学资源，无论对培养学生的解题能力，还是提升学生的学科核心素养，都有积极的推动作用，运用原始物理问题对于培养和提升学生的表征能力效果尤为显著。表征是客观事物的反映，又是被加工的客体，指信息或知识在心理活动中的表现和记载的方式。表征分为内部表征和外部表征，内部表征也叫内隐表征，即在分析和理解问题的条件、要求、障碍的基础上，在头脑中形成整个问题的结构。外部表征也叫外显表征，即通过外部行为如作图、批注、符号标记、摘要排列和作图示意等辅助内隐表征的策略。本文主要在实验班运用适当的原始物理问题作为教学案例，通过一定的教学策略、教学模式培养学生的表征能力后，对比实验班和对照班物理成绩，得出在高中物理教学中引入原始物理问题教学对培养学生的解题能力和学科素养效果显著。

案例：教师展示物理原始问题：某城市规定，卡车在市区行驶的速度不得超过40Km/h，一卡车在危险情况下紧急刹车，在水泥地面上留下了一道笔直的黑色痕迹，此过程刚好被道路上方的电子眼录下，假如你是交警，请判断此卡车刹车前是否违章？

表征步骤一：找出问题所给条件和要求，通过标记勾画出来。

教师展示物理原始问题：某城市规定，卡车在市区行驶的速度不得超过40Km/h，一卡車在危险情况下紧急刹车，在水泥地面上留下了一道笔直的黑色痕迹，此过程刚好被道路上方的电子眼录下，假如你是交警，请判断此卡车刹车前是否违章？

表征步骤二：找出思维障碍，做出批注。

从以上批注可以看出：学生的障碍有四处，这些障碍中既有物理知识方面的，也有其他行业规定的，我们采取的办法是先让同学之间交流讨论，接着再从互联网上查询解决。

老师：下面就第一个问题，紧急刹车是什么运动，大家发表一下自己的看法？

学生甲：我做过此类习题，紧急刹车可近似当作匀减速运动处理。因为卡车刹车后，车轮抱死，车轮与地面间是滑动摩擦力，而滑动摩擦力又是恒力。

学生乙：我听爸爸说，还有一种刹车叫“点刹”，就是刹一下，松一下，如果是这样的话卡车就不是匀减速了。

学生丙：“点刹”是在湿滑路面和有冰雪的路面上采用的刹车方式，题中给的是水泥路面，而且是紧急刹车，所以，我赞成甲同学的观点

学生丁：如果装了ABS呢？

其他学生：刹车原理是什么？什么是“抱死”？什么是“点刹”，它的原理是什么？什么是ABS，它的原理又是什么……

老师：同学们说得都很好，提出的问题也很有针对性，对于同学们提出的问题大家下去先查阅资料，我们后面再讨论。现在，我们还是回到这个问题上来，我们解决物理实际问题，一般都要抓住问题的主要因素，忽略次要因素，这就是我们说过的物理模型，如果刹车时车轮是滑动摩擦的，我们就可以按甲同学的说法将刹车过程建立匀减速直线模型，至于其他情况等同学们查阅资料后我们再分析。

老师：下面我们来讨论一下第二个问题，“黑色痕迹”怎么形成的，有多长？

同学甲：就是车轮抱死后与水泥地面摩擦留下的划痕。

其他同学：默许

老师：卡车一般有很多轮子，那么痕迹到底是哪个轮子摩擦留下的？

同学乙：应该是前轮。

同学丙：还有后轮呢！

同学丁：我认为黑色痕迹的长度应该是后轮滑动的距离加上前后轮的距离。

老师：很好，这样我们就可以知道卡车刹车时滑过的位移大小了……

同学戊：用皮尺测量。滑过的位移大小就是划痕长度减去前后轮距离，只要我们测出划痕长度和车的前后轮距离就知道了。

老师：下面我们看第三个问题，电子眼录下了什么？

同学甲：刹车时间。

老师：很好，虽然电子眼可以录下很多信息，但其中对我们来说，最主要的信息就是刹车时间。

同学乙：用刹停的时刻减去刹车开始的时刻就是刹车时间。

老师：这里“违章”的含义是什么，我上网查了一下，卡车违章主要包括：超重超载、超速、酒驾、疲劳驾驶、接打电话等。这里我们重点研究的是卡车刹车前是否超速？

同学丙：只要我们算出刹车前的速度，就知道卡车是否超速了。

老师：很好，如果将大家的意见综合起来，这个物理问题就可以这样表征：一辆做减速直线运动的汽车，在时间t内行驶位移为x后停下来，问：卡车的初速度为多少，判断该车是否超速？

同学：（开心轻松）

通过以上案例，发现培养学生的表征能力，关键在于合理地引导、交流讨论与建模。表征能力的培养一般可以按图程序进行。

总之，传统物理教学训练学生的主要资源是以物理习题为主，这种训练对培养学生的解题能力固然重要，但也有其局限性，因为它割裂了物理学的本真，物理学的本质是物理现象和物理问题的解释，物理习题是人为加工、模型化了的物理原始问题，它主要培养的是推理、演绎能力，而原始物理问题的教学对学生的能力培养是全面的、深刻的。本文尝试运用原始物理问题作为教学资源，通过适当的案例，得出这种教学方式不仅对培养学生的物理表征能力有一定作用，同时发现，在高中物理教学中引入原始物理问题教学对培养学生的解题能力和学科素养也非常有帮助。

注：本文系2019年兰州市个人教育课题《运用原始物理问题培养高中生物理建模能力的研究》研究成果，课题立项号LZ[2019]GR1342。

编辑 王彦清