解决原始问题 培养科学思维和科学探究能力

李学平

摘   要：新课标和高考评价体系都提出要加强学生解决实际问题能力的培养。结合邢红军教授的自组织表征理论，提出解决实际问题应经历模型建构、逻辑推理、实验探究三个阶段，并结合具体的例子阐述如何通过解决问题强化物理观念，培养科学思维和科学探究能力，落实物理核心素养。

关键词：原始问题；科学思维；科学探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2023）7-0006-3

新课程背景下高中物理教材和高考试题有一个显著变化就是贴近现实生活和科技前沿的实际问题的比重大幅度增加，这是因为培养学生解决实际问题的能力既是物理教学的出发点，又是物理教学的归宿点。这就要求教师能够转变教学观念，改变教学策略，寻求解决实际问题的方法，从而达到通过教学提高解决问题能力的目的。

１    解决问题，落实物理核心素养

实际问题就是自然界及社会生产和生活中客观存在的，但未被加工的原始物理问题［１］。依据邢红军教授提出的自组织表征理论（简称 ＳＯＲＴ），解决原始物理问题需要经历定向表征、抽象表征、图像表征、赋值表征、方法表征、物理表征和数学表征七个过程［２］。这七个表征过程又分为两个阶段，第一阶段需要结合生活经验，应用所学物理知识和方法经历定向表征、抽象表征、图像表征、赋值表征把实际问题通过建立物理模型抽象成物理习题；第二阶段需要经历物理表征、方法表征、数学表征过程，应用物理规律和数学知识进行逻辑推理得出结论，即解答物理习题过程。但是，原始物理问题属于自然科学研究范畴，应该遵循伽利略提出的自然科学研究方法，把逻辑推理和科学实验有机结合起来，所以还需要有第三个阶段即科学实验作为补充，为逻辑推理过程寻找证据。现结合实际例子阐述如何分三个阶段解决问题，培养学生能力，落实物理核心素养。

【案例】 很多人都有晚上躺在床上玩手机的习惯，并且有突然被手机砸醒、甚至人脸被砸伤的经历，试分析人脸为什么会受伤？

１．１    第一阶段：抽象问题建立模型，培养建模能力

思路：原始物理问题是对物理现象的描述，与习题相比较，原始问题只有现象，没有“抽象”，只有描述，没有“数据”，需要学生依据现象，通过定向表征明确方向、抽象表征建立模型、图像表征画出过程、赋值表征设置物理量，把物理现象变成物理模型。通过模型的建构不仅突破了解答原始问题最关键的一步，还能培养学生的建模能力。

（１）定向表征

定向表征是根据问题对现象的描述，结合已有知识和经验，判定问题研究的大致方向。根据生活经验判定，手机下落后与人脸碰撞产生很大的作用力使人脸受伤，从而确定是一个力学问题。

（２）抽象表征

抽象表征是明确研究对象，抓住问题实质，突出主要因素，忽略次要因素，把研究原型转化为理想物理模型。该问题涉及手机的下落和碰撞两个过程，手机下落过程虽然受到空气阻力作用和转动，但对研究问题影响不大，所以把下落过程看成是质点的自由落体运动，同时把手机与人脸的碰撞过程看成质点与人脸的碰撞。需要建立的模型有：①质点自由下落；②质点与人脸碰撞。

（３）图像表征

图像表征是将抽象的物理模型转化为形象的物理图像过程，为进一步解决问题做好铺垫［３］。如图１（ａ）所示，画出自由下落过程（B→C）和碰撞过程（C→E）。

（４）赋值表征

赋值表征是根据解决问题的需要，结合物理模型，设置恰当物理量。本题的自由落体运动和碰撞过程都是动力学问题，需要力和运动的相关物理量。需要设置的物理量有：①手机受到的重力为ｍｇ；②竖直下落的高度为ｈ；③手机落在人脸时的速度为ｖ；④手机自由下落的时间为ｔ１；⑤手机落在人脸上到静止下来的时间为ｔ；⑥人脸对手机的平均冲击力为Ｆ；⑦手机对人脸的平均冲击力为Ｆ′。

１．２    第二阶段：逻辑推理形成结论，培养科学推理和质疑创新能力

思路：通过模型的建立把原始物理问题变成物理习题，接下来就需要学生通过方法表征明确研究方法、物理表征选择解题规律、数学表征推导相应结论，在这个过程中不仅能够锻炼学生的逻辑推理能力，还能够培养质疑创新能力。

（１）方法表征

方法表征是明确问题解决过程中需要用到的物理方法。手机下落过程忽略空气阻力和手机的旋转，看成自由落体运动，用到理想化方法；手机与人脸碰撞过程，由于作用時间短，把手机和人脸相互作用的变力看成恒力，用到近似法。

（２）物理表征

物理表征是确定问题解决需要用到的物理概念和规律。本题是动力学问题，通过受力分析发现两个过程都是匀变速直线运动，可以设置不同的物理量选用牛顿运动定律方法、能量方法和动量方法中的任意一种方法求解，做到一题多解。解答过程为：

B→C：质点做自由落体运动，需要求得手机落在人脸时的速度v，有三种解法。

解法一：运用运动学公式，v=gt1或2gh=v2；

解法二：运用动能定理，mgh=mv2-0；

解法三：运用动量定理，mgt1=mv-0。

C→E：质点做匀减速直线运动，人脸对手机的平均冲击力为Ｆ，有两种解法。

解法一：运用运动学公式，F-mg=ma，v=at；

解法二：运用动量定理，（mg-F）t=0-mv；

由牛顿第三定律得：Ｆ＝Ｆ′。

（３）数学表征

数学表征是根据列出的方程，利用数学知识推导出相关结论的过程。结合公式，进行数学运算求得：Ｆ′=+mg，发现作用力的大小跟手机质量、下落高度、碰撞时间都有关。

１．３    第三阶段：科学探究寻找证据，培养科学探究能力

思路：自然科学研究方法应该是逻辑推理和科学实验的有机结合，所以逻辑推理还需要科学实验为其寻找证据。随着实验软件的开发，手机就是一个移动的电子实验室，使用手机就可以完成很多实验，不仅方便、快捷、效果明显，还能激发学生的探究欲望，培养科学探究能力。根据生活经验知道手机对人脸的冲击力是很大的，但不清楚究竟为多大，还需要在推导出表达式的基础上设计实验获得相关数据。天平可以测出手机质量为m=0.2 kg，由于手机和人脸作用的时间很短，传统实验方法无法测量，利用手机传感器Pｈｙｐｈｏｘ软件就能解决问题。

（１）实验操作

如图１（ｂ）所示，人平躺在床上，把手机举在头顶正上方，保持手机水平且正面朝下，打开手机里面的Pｈｙｐｈｏｘ软件，选择“加速度（不含ｇ）”，点击开始按钮，自由释放手机，当手机落在人脸后，点击手机上暂停键实验结束。

（２）图像处理

选择“ｚ轴线性加速度-时间”图像，并标出一些点的时间和加速度坐标，如图１（ｃ）所示。

（３）数据分析

ＡＢ段：手机离开手的过程，时间间隔很短，几乎可以忽略不计。

ＢＣ段：手机自由下落过程，时间为ｔ１＝０．１５ ｓ，重力加速度约为ｇ＝９．９３ ｍ／ｓ２，h==11.2 cm。

ＣＥ段：手机与人脸碰撞过程，时间为ｔ＝０．１１ ｓ。将测得的物理量代入表达式Ｆ′=+mg，求得手机对人脸的平均冲击力为Ｆ′＝２．３ｍｇ≈４．６ Ｎ。

Ｄ点：手机具有向上的最大加速度，由牛顿第二定律Ｆｍａｘ-mg=ma，可得此时手机对人脸的最大冲击力为Ｆ ′ｍａｘ＝Ｆｍａｘ=７．１ｍｇ≈１４．1 Ｎ。

实验结论：手机虽然不重，但给人脸的平均冲击力为手机重力的２．３倍，最大冲击力却为手机重力的７．１倍，所以手机掉下来人很容易受伤。

点评：通过上述的解答，学生从物理学的角度追根求源找出人脸受伤的原因，实现了生活体验和物理知识的有机结合，让学生进一步认识到躺在床上玩手机的危害性，从而改掉这个坏习惯。

２    总  结

原始物理问题相对一般的物理习题虽然难度更大、能力要求更高，但是通过原始问题教学，让学生经历科学思维与科学探究过程，不仅能够解决问题，还能强化物理观念，培养科学思维和科学探究能力，落实物理核心素养。通过解决原始问题体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的思想，使学生認识到学习物理的目的不是解题而是解决问题，体会到学习物理是有用的，从而激发学生学习物理的兴趣，探索物理的奥秘。

参考文献：

［１］陈清梅，邢红华，赵艳岭，等．原始物理问题教学——大学物理教学的新取向［Ｊ］．首都师范大学学报（自然科学版），２０１８，３９（５）：２９－３３．

［２］陆永华．基于原始物理问题研究视角反刍高考题［Ｊ］．教学月刊·中学版（教学参考），２０１４（４）：６７－７０．

［３］翟彦芳，邢红军．从习题到原始物理问题：物理关键能力培养的有效途径［Ｊ］．物理教师，２０２２，４３（５）：８０－８３．

（栏目编辑    赵保钢）