初中生解決原始物理問(wèn)題的思維障礙及改善策略

□侯新杰 李冬青

（河南師范大學(xué)物理學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453007）

傳統(tǒng)的物理習(xí)題是由物理情景經(jīng)過(guò)改編進(jìn)化而來(lái)，是高度抽象化的問(wèn)題，學(xué)生無(wú)需進(jìn)行建模、賦值，只需根據(jù)已知條件直接求解，不能體會(huì)到物理問(wèn)題背后的現(xiàn)象及意義.相比之下，原始物理問(wèn)題是指自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中未被抽象加工的典型現(xiàn)象[1].它描述的是現(xiàn)實(shí)的物理情景，沒(méi)有完整的問(wèn)題結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明確的已知、未知條件，對(duì)此類問(wèn)題的解答不能按照常規(guī)的方式計(jì)算.這類問(wèn)題要求學(xué)生不僅僅掌握學(xué)科知識(shí)，還要有多種思維形式、科學(xué)方法的綜合參與.而這些過(guò)程正是發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科思維的載體，提高學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效途徑.

為了深入了解初中生在解決原始物理問(wèn)題過(guò)程中存在的困難，本文編制了原始物理問(wèn)題測(cè)量工具.本文從自組織表征理論的六個(gè)表征層次入手，制定測(cè)試卷的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)；采用文本分析的研究方法，通過(guò)分析學(xué)生在解決原始物理問(wèn)題過(guò)程中表現(xiàn)的關(guān)鍵行為，判斷學(xué)生可能存在的思維障礙；針對(duì)相應(yīng)的思維障礙，提出提高學(xué)生解決原始物理問(wèn)題能力的教學(xué)策略.

一、自組織表征理論下表征表現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

問(wèn)題表征是解題者根據(jù)問(wèn)題提供的情境，結(jié)合已有知識(shí)水平，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題結(jié)構(gòu)，構(gòu)建問(wèn)題空間的過(guò)程，也就是讓問(wèn)題的研究對(duì)象、研究過(guò)程顯現(xiàn)出來(lái)，使問(wèn)題明朗化.問(wèn)題表征貫穿解題的整個(gè)過(guò)程.基于對(duì)原始物理問(wèn)題的深入研究，邢紅軍教授提出解決原始物理問(wèn)題的自組織表征理論.自組織表征理論認(rèn)為問(wèn)題的解決者對(duì)于問(wèn)題的表征狀態(tài)包含解題的六個(gè)表征層次，分別是抽象表征、賦值表征、圖像表征、物理表征、數(shù)學(xué)表征、方法表征[2].表征層次的內(nèi)涵簡(jiǎn)要概括如表1所示.

表1

在自組織表征理論下，每一個(gè)表征層次對(duì)應(yīng)一個(gè)思維形式，而思維形式的考察依賴于解題過(guò)程的操作表現(xiàn).基于此，我們形成了解決原始物理問(wèn)題的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表2所示.

表2

由表可知，學(xué)生的思維活動(dòng)貫穿于解決原始物理問(wèn)題的整個(gè)過(guò)程.

二、原始物理問(wèn)題測(cè)試卷的編制

本文以原始物理問(wèn)題編制原則及自組織表征理論為依據(jù)，經(jīng)過(guò)篩選比較，改編四道初中生原始物理問(wèn)題測(cè)試題，如表3所示.

表3

原始物理問(wèn)題屬于主觀性試題，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)存在模糊性，信度較低，因此我們通過(guò)對(duì)解決原始物理問(wèn)題的六個(gè)表征層次進(jìn)行賦分，由分?jǐn)?shù)間接反映學(xué)生的思維現(xiàn)狀.基于此，擬定了原始物理問(wèn)題測(cè)試題的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn).每完整的表達(dá)完成一個(gè)表征層次可得2 分；若未能完整答，即理論正確但表述不規(guī)范的得1 分；若忽略某一步表征或表征錯(cuò)誤，則這一表征不得分.解答一道完整的原始物理問(wèn)題，滿分為12分，共4道原始物理問(wèn)題，總分為48分.

三、初中生解決原始物理問(wèn)題過(guò)程分析

通過(guò)對(duì)上述研究得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析結(jié)果如下.

本次測(cè)驗(yàn)滿分48分，最高分為43分，最低分為7分，整體平均得分21.43分.為深入分析初中生在表征原始物理問(wèn)題的過(guò)程中的存在的障礙，分別統(tǒng)計(jì)四道測(cè)試題的得分結(jié)果，如圖1所示.

圖1

結(jié)果顯示，對(duì)不同的問(wèn)題，學(xué)生表征水平顯示出不同的差異，但總體表現(xiàn)出的各表征層次水平基本保持一致.

結(jié)合學(xué)生的解答過(guò)程，得到研究結(jié)論如下:

（1）在抽象表征層次上，學(xué)生無(wú)法從題目描述的物理現(xiàn)象中抽象出理想模型.抽象思維的缺失會(huì)讓學(xué)生無(wú)法將頭腦中已有的物理概念、規(guī)律等與新接觸的原始物理問(wèn)題產(chǎn)生聯(lián)系.

（2）在賦值表征層次上，學(xué)生表征水平較高，能夠有意識(shí)地根據(jù)問(wèn)題解決的需要設(shè)置物理量，但中間變量的設(shè)置還存在欠缺.出現(xiàn)的問(wèn)題在于物理量賦值的不完整或完全沒(méi)有.

（3）在圖像表征層次上，學(xué)生不能熟練地運(yùn)用畫圖的方式輔助解題，出現(xiàn)不畫圖或畫出的圖像對(duì)解決問(wèn)題無(wú)實(shí)際意義.原因在于學(xué)生在平時(shí)做傳統(tǒng)物理習(xí)題時(shí)，出題者已把需要的圖像畫出，學(xué)生只需要在原圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工即可，對(duì)原始圖像問(wèn)題的圖示練習(xí)較少，因此無(wú)法順利完成解決原始物理問(wèn)題的圖像表征過(guò)程.

（4）在方法表征層次上，學(xué)生對(duì)問(wèn)題整體把握的能力還不足，只注意到某個(gè)關(guān)鍵詞，使得選擇的研究對(duì)象和研究方法不正確.

（5）在物理表征層次上，學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解還過(guò)于表面，孤立物理規(guī)律之間的聯(lián)系，缺乏物理規(guī)律的應(yīng)用意識(shí).

（6）在數(shù)學(xué)表征層次上，學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單直接的公式計(jì)算可以完成，但涉及公式變形以及二次代入時(shí)還存在較多困難.

四、改善策略

教師的教學(xué)方法與教學(xué)內(nèi)容直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念和思維方式，繼而影響學(xué)生解決原始物理問(wèn)題的能力.針對(duì)前面分析發(fā)現(xiàn)初中生解決原始問(wèn)題的思維障礙,結(jié)合自組織表征理論，下面提出提高初中生原始物理問(wèn)題解決能力的教學(xué)策略.

1.注重生活素材教學(xué)，體會(huì)由原型到模型建構(gòu)的過(guò)程

原始物理問(wèn)題描述的是真實(shí)的物理情境，教師應(yīng)注重由生活素材向物理模型轉(zhuǎn)化的教學(xué).

例1兩人一前一后抬一個(gè)質(zhì)量均勻的木箱上樓，請(qǐng)問(wèn)前面的人費(fèi)力還是后面的人費(fèi)力？

分析：這道題的關(guān)鍵在于建立正確的杠桿模型，能夠?qū)⒚枋鰧?duì)象簡(jiǎn)化、抽象.

首先要把兩人抬木箱上樓的情景轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)易杠桿模型進(jìn)行分析.抬木箱上樓，說(shuō)明杠桿是斜向上而不是水平的；木箱質(zhì)量均勻，所以木箱的幾何中心便是杠桿的支點(diǎn)；兩人一前一后抬箱上樓，說(shuō)明作用在箱子上的力都在兩端.由此便得到杠桿的模型，如圖2所示.其次在模型圖上標(biāo)記出杠桿五要素，通過(guò)杠桿平衡條件F1l1=F2l2，結(jié)合圖像得到l1>l2，所以F1＜F2，也就是后面的人更費(fèi)力.

通過(guò)在教學(xué)中運(yùn)用生活化素材幫助學(xué)生建立正確的物理模型，當(dāng)學(xué)生碰到類似事例的時(shí)候，自動(dòng)聯(lián)系到相關(guān)的物理模型，形成模型的建構(gòu).

2.加強(qiáng)作圖訓(xùn)練，突破思維局限

初中生對(duì)物理問(wèn)題的理解習(xí)慣從自己的生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，對(duì)一些問(wèn)題和現(xiàn)象形成思維定勢(shì)，這種定勢(shì)往往會(huì)造成學(xué)生出現(xiàn)“想當(dāng)然”的情況[4].

例2人向前走路時(shí)，腳受到地面的摩擦力是怎樣的？

學(xué)生會(huì)產(chǎn)生人相對(duì)地面往前走，那產(chǎn)生阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力就應(yīng)該向后的思維定勢(shì).但通過(guò)作圖我們發(fā)現(xiàn)，人向前走路時(shí)，腳通過(guò)向后蹬地面而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，地面為阻礙腳向后蹬而產(chǎn)生一個(gè)向前的摩擦力，如圖3所示.

圖像簡(jiǎn)單明了，一看就懂.因此解決原始物理問(wèn)題過(guò)程通過(guò)畫圖來(lái)輔助思考，將表象更直觀、形象化，有助于學(xué)生對(duì)原始物理問(wèn)題的順利解決.

3.恰當(dāng)選擇研究對(duì)象，簡(jiǎn)化分析物理現(xiàn)象

問(wèn)題中研究對(duì)象是解題者需要著力考查的、已知量和待求量集中指向的物體[5].若研究對(duì)象選取不當(dāng)或不明確，會(huì)增加解題難度甚至無(wú)法解決.

圖2

圖3

例3壓力鍋的工作原理是利用橡皮圈密封鍋蓋增加鍋內(nèi)壓力，達(dá)到鍋內(nèi)水溫升高的目的.鍋蓋中間有一個(gè)小孔，在小孔上套一個(gè)金屬壓力錘.當(dāng)鍋內(nèi)氣壓升高到一定大小時(shí)，鍋內(nèi)蒸汽就會(huì)頂起壓力錘排放蒸汽，使鍋內(nèi)氣壓穩(wěn)定在一定范圍.請(qǐng)推導(dǎo)一個(gè)壓力鍋內(nèi)氣壓大小的表達(dá)式.

分析：這道題的關(guān)鍵在于找出研究對(duì)象，通過(guò)受力分析實(shí)現(xiàn)物理量間的轉(zhuǎn)化.

壓力鍋內(nèi)的氣壓達(dá)到一定大小時(shí)，鍋內(nèi)蒸汽會(huì)通過(guò)排氣孔頂起鍋外壓力錘排放蒸汽，使得鍋內(nèi)氣壓穩(wěn)定在一定范圍.也就是在這段時(shí)間內(nèi)，忽略壓力錘的上下振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，近似可以認(rèn)為它處于力學(xué)平衡狀態(tài)，即鍋內(nèi)向上排放蒸汽的壓力等于鍋外壓力錘的重力以及向下的大氣壓力之和：pS=p0S+mg，如圖4所示.

圖4

通過(guò)這個(gè)例子可見在解決原始物理問(wèn)題的過(guò)程中，恰當(dāng)選擇研究對(duì)象，并把研究對(duì)象中的要素提取出來(lái)，建立物理量之間的聯(lián)系，給成功解決問(wèn)題提供有效的思路.

4.結(jié)合實(shí)際情境，注重物理規(guī)律應(yīng)用

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理規(guī)律時(shí)，往往對(duì)物理規(guī)律的理解不夠深入、透徹，導(dǎo)致無(wú)法正確使用物理規(guī)律解決原始物理問(wèn)題.

例4現(xiàn)有一個(gè)自制的簡(jiǎn)易密度計(jì)，它是在一根木棒一端纏繞一些銅絲做成的，將其放入不同液體的燒杯中，它就會(huì)豎直立起.觀察發(fā)現(xiàn)液體中的木棒靠上豎直，一個(gè)木棒靠下豎直，那么哪個(gè)燒杯中的液體密度大？

分析：通過(guò)讀題會(huì)發(fā)現(xiàn)，自制密度計(jì)的關(guān)鍵在于它可以在液體中豎直立起.豎直立起的狀態(tài)也就是懸浮在液體內(nèi)，自然就會(huì)想：什么條件下物體可以懸浮呢？當(dāng)重力等于浮力的時(shí)候.由于同一根密度計(jì)重力一樣，浮力也就一樣，再根據(jù)液體中浮力的計(jì)算——阿基米德原理，就可以推算得到木棒靠上的液體密度大.

在教學(xué)中通過(guò)將物理規(guī)律與生活情境結(jié)合,注意物理規(guī)律在生活中的實(shí)際應(yīng)用，讓學(xué)生建立起原始物理問(wèn)題與物理規(guī)律之間的聯(lián)系，解決相關(guān)原始物理問(wèn)題.

5.重視數(shù)理結(jié)合，解決原始物理問(wèn)題

物理問(wèn)題往往可以用物理和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法巧妙而快捷地求解[6].但初中生對(duì)于用數(shù)學(xué)知識(shí)解決原始物理問(wèn)題的意識(shí)不足，能力不夠.

例5請(qǐng)你用一塊平面鏡和一把卷尺配合測(cè)出一棵大樹的高度.（推導(dǎo)大樹高度的表達(dá)式）

分析：?jiǎn)栴}求樹的高度，我們暫且忽略樹的形狀，把它看做有高度的細(xì)桿.測(cè)量高度用到平面鏡，首先應(yīng)該想到平面鏡成像的原理是光的反射，因此這是一道與光路圖有關(guān)的問(wèn)題.由光的性質(zhì):光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，據(jù)此我們將平面鏡放在人眼剛好能看到樹頂?shù)牡孛嫔?，此時(shí)光的兩條路徑分別是樹頂?shù)狡矫骁R的直線距離以及人眼到平面鏡的直線距離，根據(jù)光的反射定律：入射角等于反射角，因此兩條光線與地面的夾角也是相等的，這樣樹、人、光線就組成兩個(gè)相似三角形，如圖5所示.

圖5

圖6

在這里我們把樹頂?shù)降孛娴木嚯x設(shè)為AB=H，人眼到地面的距離設(shè)為CD=h，樹到平面鏡的垂直距離為BO=a，人到平面鏡的距離DO=b.借助相似三角形的比例關(guān)系，可得出樹的高度

這道題也可以將平面鏡放在人的前面剛好可以看到樹頂?shù)牡胤?，也可以利用相似三角形求解，如圖6所示.

本題從物理角度看是關(guān)于光的反射定理的應(yīng)用，在求解過(guò)程中，利用光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播以及平面鏡對(duì)光的反射作用，恰好構(gòu)成一對(duì)相似三角形.將物理狀態(tài)轉(zhuǎn)化為幾何圖形，使問(wèn)題答案清晰明了.用數(shù)理結(jié)合的方式分析物理問(wèn)題，從數(shù)學(xué)角度看物理問(wèn)題，改變學(xué)生固有的思維方式，解決原始物理問(wèn)題變得容易了.