表征手段下原始物理問題的教學研究與啟示

蔡智勇 郝睿

摘? ?要：最新課程標準明確指出科學思維包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證和質(zhì)疑創(chuàng)新。原始物理問題是一類直接來源于生活和生產(chǎn)實際的問題，具有很強的情境性、真實性和客觀性。在解決問題的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)模型建構(gòu)、知識遷移，有利于培養(yǎng)學生的分析能力、質(zhì)疑精神和探究意識。本文以“斗拱”問題為例，探討基于表征手段的原始物理問題教學，在培養(yǎng)學生科學思維、實現(xiàn)課程目標中的應用和啟示。

關(guān)鍵詞：原始物理問題;表征手段;科學思維;斗拱

關(guān)于原始物理問題的研究有很多。于克明在“原始問題與能力培養(yǎng)”中指出，原始物理問題就是一種對自然界、社會生活以及生產(chǎn)中，未被加工過的物理現(xiàn)象的描述[ 1 ]。趙凱華先生曾指出：“在我們的教學過程中，同一物理問題，既可以把原始的物理問題教給學生，也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的模型教給學生。習慣后一類問題的學生，在遇到前一類問題時往往不知所措[ 2 ]。”說明原始物理問題教學更有利于培養(yǎng)學生的分析能力。邢紅軍通過對原始物理問題的深入研究，認為運用原始物理問題教學可以促進學生認知水平發(fā)展、培養(yǎng)學生的物理興趣和創(chuàng)新能力[ 3 ]。

新課程標準明確指出科學思維包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證和質(zhì)疑創(chuàng)新[ 4 ]。這就要求教師在日常教學中，要注重培養(yǎng)學生的科學思維，提升學生的自主學習以及解決實際問題的能力。但在實際教學中，由于授課時數(shù)、教學任務及升學壓力等因素影響，常會出現(xiàn)“題海戰(zhàn)術(shù)”。為了計算方便，出題者也偏向?qū)σ恍┰嘉锢砟Ｐ瓦M行加工，設計出相關(guān)數(shù)據(jù)。學生在做這類練習的過程中，往往太過重視公式的使用，而忽略了知識本身。長此以往，學生的思維會被習題的固定模式束縛。這樣的過程缺乏對學生探究意識和分析能力的訓練和培養(yǎng)，既不能促成學科核心素養(yǎng)目標，也不能實現(xiàn)有效的知識遷移。本文結(jié)合原始物理問題中的“斗拱”實例，探討基于表征手段的原始物理問題教學在培養(yǎng)學生科學思維、實現(xiàn)課程目標中的應用、實效和啟示。

1? 原始物理問題——“斗拱”

原始物理問題以真實情境為背景，學生在解題時，會有回歸生活的感覺。例如“籃球落地”“阿拉果圓盤”“電風扇著火”“汽車通過黃燈”“生活中的共點力平衡”“磁鐵與硬幣”等問題?！岸饭啊眴栴}就是眾多原始物理問題中的一類。

“斗拱”是中國古代建筑的標志之一，是中國古代建筑匠人的智慧結(jié)晶，常用于中國古代建筑的轉(zhuǎn)角處，如圖1。“斗拱”可以提升建筑的整體美觀，通過彼此相互疊加的方式向外延伸，這種交替疊加的方式有較強的視覺效果，而且屋檐向外延伸，讓建筑脫離了沉重感，看起來更加輕巧。此外，更重要的是“斗拱”的向外延伸還有承載外挑屋檐后部下壓重量、維持建筑整體平衡的作用[ 5 ]。在“斗拱”問題中，又融入了什么樣的物理理論呢？

2? 表征理論在“斗拱”問題中的應用

自組織表征理論認為，原始物理問題的解決主要包含定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征、數(shù)學表征等7個表征層次[ 6 ]。

在對原始物理問題進行表征時，七個層次的表征各有各的作用，彼此之間相互關(guān)聯(lián)?！岸饭啊眴栴}中的表征層次具體分析如下。

（1）定向表征：首先要明確“斗拱”問題是屬于哪一方面的問題。根據(jù)問題的描述，可以初步判斷，“斗拱”問題屬于相互作用方面的問題。

（2）抽象表征：抽象表征需要抓住研究對象的主要因素，忽略次要因素，使原始物理問題轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?。根?jù)抽象表征和實際生活的呈現(xiàn)方式，木板的長度與質(zhì)量分布都會影響重心的位置，所以應把木板抽象為剛體且質(zhì)量均勻分布，而不考慮木板的形變。

（3）圖像表征：根據(jù)實際問題給出木板疊放的模型示意圖，如圖2所示。第一塊木板的左端緊貼桌面（建筑主體表面）的左端，之后其上疊放的相鄰木板向外（左）平移一段距離。大多“斗拱”問題中，相互疊放的木板長度相等。

（4）賦值表征：賦值表征就是根據(jù)解決問題所需要的條件進行物理量設置，包括變量與常量。在“斗拱”問題中需要設置的物理量如下：每塊木板的質(zhì)量分布均勻且質(zhì)量為m;每塊木板的長度為L;相鄰兩塊木板右端之間的距離為l。

（5）物理表征：物理表征是要分析“斗拱”問題中所需要使用的物理規(guī)律?！岸饭啊眴栴}中蘊含重心問題，在均勻重力場中，物體質(zhì)心和重心重合。若物體由多個勻質(zhì)且形狀規(guī)則的部分組成，求解組合體，即系統(tǒng)重心時，需要用到重心位置公式;求木板往外延伸且不倒塌時，需要用到重心在支持面上的相關(guān)知識。

（6）方法表征：方法表征就是在解決問題時所需要的科學方法。在“斗拱”問題中，所用到的科學方法為整體法。在添加木板時，對整體的重心進行分析和計算。

（7）數(shù)學表征：根據(jù)上述系列表征結(jié)果列出數(shù)學方程，并得出結(jié)論。在“斗拱”問題中，具體分析如下。

一個物體傾倒的條件，取決于重心的投影是否在物體的支持面上，所以此題中，只需求出重心在軸上的對應位置。為此，設桌面為x軸，桌面的左端為O點，水平向右為正方向，如圖2所示。

木板在x軸上的重心公式為：

G（x）=? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中G（x）為重心的橫坐標;mi（i=1，2，3…）為每塊木板的質(zhì)量，xi（i=1，2，3…）為每塊木板在x方向上重心的位置，M為所有木板的總質(zhì)量。

將木板的長度、質(zhì)量和數(shù)量代入式（1）可得式（2）：

G（x）=

=l? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

模型中，設每塊木板均相同，其質(zhì)量為m，木板的長度為l，n為木板的數(shù)量，（0

通過對“斗拱問題”的表征分析，可以讓學生建立物理模型并熟練應用重心位置公式，有助于加深學生對物體重心的認識，理解物體平穩(wěn)放置且不傾倒的條件以及臨界值。

3? “斗拱”問題對物理教學的啟示

在教學中引入類似“斗拱”這樣的原始物理問題不僅有現(xiàn)實意義，還有教育意義。首先，表征理論的引入，有助于了解學生的思考步驟和思維程度。在分析過程中，有利于幫助學生建立思維方式，促進科學思維的形成，提高學生解決實際問題的能力。其次，原始物理問題的分析還與課程標準中的科學思維相契合，可以培養(yǎng)學生模型建構(gòu)、科學推理、科學論證以及質(zhì)疑創(chuàng)新的能力，對應過程如表1。最后，原始物理問題來源于生活和生產(chǎn)中的真實情境，具有真實性和現(xiàn)實性。不同層次的表征可以實現(xiàn)物理知識的有效遷移，促使學生領(lǐng)會物理模型的建構(gòu)過程，激發(fā)學生對知識的探索性應用，提升學生主動探究的素養(yǎng)和能力。

4? 結(jié)語

隨著時代的發(fā)展、科技的進步，基礎(chǔ)物理的教學不再僅僅是服務于考試，更多的是要立德樹人，關(guān)注學生的多元發(fā)展，同時也注重和生活以及其他領(lǐng)域的結(jié)合。通過對“斗拱”問題的學習，學生不僅可以實現(xiàn)物理知識的有效遷移，還可以提升學生對于中國傳統(tǒng)建筑藝術(shù)文化的認識，增加學生的愛國情懷。在物理教學中，合理的運用原始物理問題有利于學生將生活問題與物理知識相結(jié)合，讓物理知識不只是課本上枯燥的文字，進而把物理知識盤“活”。學生對原始物理問題的學習，就是教師把對問題認識的過程還給學生的一種方式，使學生遇到真實問題時能夠游刃有余地將其解決。教師分析原始物理問題時，應引導學生逐層深入，鼓勵其獨立思考，在引導和分析過程中內(nèi)化物理規(guī)律，從而實現(xiàn)物理教育的目標和價值。

參考文獻：

[1] 于克明.談“原始問題”與能力培養(yǎng)[J].大學物理，1997（5）：45-47.

[2] 林純真.我國赴美物理研究生考試（CUSPEA）歷屆試題集解[M]. 北京：高等教育出版社，1985.

[3] 邢紅軍，陳清梅.論原始物理問題的教育價值及其啟示[J].課程·教材·教法，2005（1）：56-61.

[4] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5] 周學清.中國古典建筑中斗拱和飛檐的構(gòu)造作用[J].中國建筑裝飾裝修，2019（10）：120-121.

[6] 耿愛霞，陳清梅，邢紅軍.汽車通過黃燈問題的研究及其教學啟示——基于原始物理問題表征的視角[J].物理教師，2013，34（8）：24-25.

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