核心素养视域下的物理试题命制：原始物理问题

(西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715)

科学教育是为了提高学生的核心素养、帮助学生理解与生活相关的事件和现象，而不仅仅是去获得由具体事实和学科理论提炼出来的知识，核心素养是个体在面对复杂的、不确定的现实问题时能够发现问题、解决问题的综合品质。在物理教学中，学生掌握的科学知识不是一些零散的理论和孤立的事实，理论与事实之间有着相互关联。原始物理问题呈现未被加工的物理现象和事实，又涵盖了诸多物理概念、规律等。原始物理问题与实际情境紧密联系、符合核心素养中涉及的“复杂的、不确定的现实问题”，使得教育结果的应用性增大。分析学生在原始物理问题解决过程中的行为、问题表征，可以更好地理解学生的思维方式、学习心理规律，分析学生问题解决中的思维发展过程，可以促进原始物理问题的教学，进而增强教育效率。

1 原始物理问题

现象是物理学之源，在生活生产或自然环境中总是客观存在着能够反映科学概念、规律本质的现象，对这些尚未被加工的科学现象或事实进行描述，就能够产生原始物理问题。[1]原始物理问题中没有明确的、可利用的条件，需要问题解决者对具体问题情境进行抽象，并构建物理模型、设置物理量，由此将原始问题转化为物理习题，再加以解决。

例1：有一架由东向西飞行的飞机，请导出这架飞机上的感应电动势的表达式。

解析：在本题中，无需考虑机身的形状，而将机翼抽象为杆状导体，飞机由东向西飞行就可以抽象为一根长为L的杆状导体由东向西切割地磁场(如图1)，从而可以顺利推导出该杆状导体所产生的感应电动势。

图1

学生从自身已经获得的知识经验与当前所面临的问题相对比，提取与之匹配的源问题知识，设置可利用的物理量。机翼切割磁感线，地磁场强度设置为B，机翼看作杆状运动导体、长度设置为L,运动速度为v。导体内每个自由电子电荷量为e，会受到洛伦兹力，大小设置为Fm，导体内自由电子所受电场力为F，导体内电场强度为E。在通过抽象表征、赋值表征之后，将原始物理问题转化为物理习题。

这是一道典型的原始物理问题。中学生需要对飞机飞行这个物理现象展开一系列表征，首先对物理现象进行抽象表征，转化成物理模型。在抽象表征过程中，学生需要决定舍弃什么、保留什么，抓住问题中的主要因素、隐蔽因素，忽略其中次要因素，将物理现象转变为模型的过程。

2 从原始问题到物理习题

原始物理问题不同于物理习题，原始物理问题是用文字呈现待解决的物理现象，其中没有明确的、可直接利用的条件，问题解决者要自主抽象待解决的物理情境，并构造物理模型、设置物理量，由此将原始问题转化为物理习题，最后解答习题以达到问题的目标状态。原始物理问题和物理习题之间的转变，就是将所获得的物理现象转变为物理习题。

学生面对待解决的物理现象，不仅从中获取字面信息，还需发现其中的隐蔽信息，这就可能导致学生产生思维障碍，导致问题表征不当、产生错误的问题空间。此时学生要克服思维障碍，根据原有的知识经验扩大问题空间，搜索与当前问题相匹配的原型，利用该原型启发式搜索有效信息，正确表征问题，并建构模型、设置物理量，完成物理现象到物理习题之间的转变，过程如图2所示。

学生在面对原始物理问题时，因为问题的呈现方式与习题不同，其问题空间也会因人而异，有时会存在着先入为主的观点、消极的或片面性的思维方式，抑或是不注意隐蔽因素等。

例2：地球周围被一层很厚的空气包围着，这个空气层叫大气层。试推导出地球大气层重量的表达式，用来估算地球大气层的重量。

解析：这是一道典型的原始物理问题，如果学生仅分析文字信息，没有直接可利用的物理量，易产生思维障碍。长时间不能解决该问题，学生会重新审视题目，寻求一种新的问题表征以试图解决问题。[2]研究已知：学生对问题的表征受到以前知识经验的影响。在之前的学习和问题解决中，形成由若干事实、概念、规律以及物理学方法有机组成的物理知识组块，这些知识组块可以称之为原型。[3]当问题解决过程中出现障碍时，学生可利用原型扩大搜索空间，展开高效的启发式搜索，寻找隐蔽信息、克服思维障碍，正确表征问题。

传统的物理习题是对物理现象进行抽象加工之后直接给出具体的数据、条件，重视解决过程中的演算和推导，而原始物理问题强调重现物理现象，培养学生分析、提炼物理现象的能力，有利于学生发散思维的展开以及在生活中运用物理知识。

3 命制策略

(1) 合理提出与生活紧密联系的原始问题，注意呈现信息不要过于直接明显。

有研究表明：在解决问题的过程中，解决者通常根据问题本身及其提示的方式来表征问题，并且产生对应的问题搜索空间。教师在培养学生物理思维时需要注意学生有效地发散思维，提出与生活实际密切联系的物理问题，鼓励学生尝试解决新的事实，运用联想、逆向以及统摄思维和谨慎的怀疑心去看待旧的认知观念。

(2) 多方位、多角度设置问题，适当地给予提示、类比迁移，以帮助学生。

在学生面对物理现象、存在思维障碍时，教师要鼓励学生多角度看待问题，增大问题空间。教师根据物理问题给予提示、类比，以促进学生克服思维障碍。[4]其中类比分为三种：地方类比，指针对其中某一个具体特征而言将参考问题和目标问题直接进行的类比；区域类比，在两个相似领域中存在着相似性问题的类比；远程类比，指完全不同领域之间存在一些相似性从而进行的类比。教师可以选择性地提供不同的类比，协助学生在问题空间中搜索与之相匹配的原型，寻找可用的信息。

(3) 教师需要适当鼓励学生约束松弛，充分发挥物理思维的作用。

约束松弛，即释放一些不必要的约束假设，进而充分发散思维，寻找可能的解决策略。约束松弛是创造性问题解决中一个重要的组成部分，能够帮助学生改变最初的无效的约束或者是改变学生对目标状态的不恰当的表示，协助学生克服思维障碍，以利于问题解决。[5]这些能帮助学生打破思维定势，突破不必要的思维限制，扩大问题搜索空间，寻找问题解决策略，由此培养学生问题解决能力。

4 结语

课本上的知识大多是间接经验知识，如果将科学概念和规律放在原始物理问题中，知识将更有生命力，体现出科学概念和规律的作用和功能。使用原始物理问题教学体现物理事实中的科学规律，而非独立存在的知识。这可以使学生有效地学习科学知识，也能很好地培养学生的能力，提高学生的核心素养。使用原始问题要注意因材施教，不同学生的思维方式、能力水平不同，面对原始物理问题的思维方式也不同，通过学生的行为、问题表征，更好地了解学生的学习心理规律，增强教育效果、提高学生核心素养。