論復(fù)雜性科學(xué)視角下的原始物理問題教學(xué)*

● 環(huán) 敏 楊雄珍

論復(fù)雜性科學(xué)視角下的原始物理問題教學(xué)*

● 環(huán) 敏 楊雄珍

當(dāng)下，學(xué)科教學(xué)中的問題解決研究，已引起越來越多理論界學(xué)者和一線教師的關(guān)注。以習(xí)題為主的傳統(tǒng)問題解決教學(xué)，因在幫助學(xué)生鞏固和加深知識理解、訓(xùn)練演算能力和初步運用知識解決問題的能力、考察學(xué)生掌握知識程度等方面有積極的作用，而一直占據(jù)著重要的地位。然而，我們也應(yīng)看到，習(xí)題（也稱抽象問題）在對物理現(xiàn)象抽象、理想化和模型化的人為加工中，已把其部分事實背景和現(xiàn)象細(xì)節(jié)淡化和丟棄了，與“現(xiàn)象是物理學(xué)的根源”是相悖的。由于大部分習(xí)題條件一般都嚴(yán)格控制，答案唯一，極易造成學(xué)生習(xí)慣用簡單線性思維考慮問題，“只見樹木，不見森林”。有學(xué)者認(rèn)為，“我國學(xué)生創(chuàng)新能力的匱乏是習(xí)題教學(xué)的直接結(jié)果”。如何彌補傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)中的缺失，復(fù)雜性科學(xué)為我們提供了新的視角：原始物理問題教學(xué)，更有利于培養(yǎng)創(chuàng)新思維，促進學(xué)生有效地掌握知識，提高解決實際問題的能力。

一、何為原始物理問題

目前國內(nèi)現(xiàn)有文獻對原始物理問題的定義尚未明確統(tǒng)一。綜合邢紅軍、周武雷教授的界定，筆者認(rèn)為“原始物理問題”是指：基于自然界及社會生產(chǎn)、生活中客觀存在的、未被加工的典型物理現(xiàn)象和事實的觀察，所產(chǎn)生的對現(xiàn)象和事實背后物理本因的疑問。

典型的原始物理問題如：①登山者背包內(nèi)的物品有輕有重，不同擺放方式對登山者產(chǎn)生的效果不同。應(yīng)該怎樣擺放才科學(xué)？②小汽車的前擋風(fēng)玻璃有一定的傾斜度，而卡車、公交車等大型車輛的擋風(fēng)玻璃卻幾乎是豎直的。為什么要這樣安裝？

與原始問題①對應(yīng)的習(xí)題形式常為：負(fù)重爬坡者背包內(nèi)有大小形狀相同、輕重不同的兩個物品，約各占據(jù)背包容積的一半。請分別從重物放在輕物上方、重物放在輕物下方兩種情況，分析比較對爬坡者產(chǎn)生的施力效果，說明哪種擺放方式會使其感到少吃力些。

對比兩者不難發(fā)現(xiàn)它們的差別：習(xí)題是從物理現(xiàn)象中抽象、簡化或分解出來的人為性練習(xí)，偏向訓(xùn)練演算和推理，一般都給出了相應(yīng)的物理量或已知條件，學(xué)生只需運用相關(guān)知識按常規(guī)方法即可自行解決。而原始問題只提供真實的物理現(xiàn)象、具有生態(tài)性，已知條件和物理量具有遮蔽性不直接給出，需要學(xué)生從現(xiàn)象出發(fā)進行假設(shè)、估計來獲取相關(guān)物理量，構(gòu)建成物理模型后再運用有關(guān)知識解答，對學(xué)生的能力要求較高；由于問題情景較開放、答案也可不唯一，沒有現(xiàn)成的套路可模枋，常需要依靠小組協(xié)作討論完成，所以對學(xué)生來說更具有挑戰(zhàn)性和趣味性。

近年來，一些學(xué)者在尋求提高科學(xué)教育效能的途徑，開始關(guān)注原始問題的教學(xué)應(yīng)用價值。北京大學(xué)的趙凱華教授較早意識到習(xí)題與原始問題的教學(xué)差異，曾指出：“在我們的教學(xué)中，同一問題，既可以把原始的物理問題提交給學(xué)生；也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學(xué)模型后再提交給學(xué)生。習(xí)慣于解后一類問題的學(xué)生，在遇到前一類問題時，往往不知所措”。

二、原始物理問題的教學(xué)功能

（一）創(chuàng)設(shè)形成思維耗散結(jié)構(gòu)條件

具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.提升課堂教學(xué)系統(tǒng)的開放性。形成耗散結(jié)構(gòu)的首要條件是系統(tǒng)開放。只有開放系統(tǒng)才能與外界進行信息、能量交流，促使系統(tǒng)煥發(fā)生機。教學(xué)系統(tǒng)的開放包括學(xué)習(xí)環(huán)境、思維、教學(xué)內(nèi)容和過程、學(xué)習(xí)方式等的開放。常規(guī)習(xí)題教學(xué)由于受已知條件限定，學(xué)生的思維常被題目中的各種模型、理想狀態(tài)所框定，開放度較??；而原始問題與前者相比，生態(tài)性和探索性大大增強，促使相應(yīng)的教學(xué)系統(tǒng)更加開放。

2.創(chuàng)設(shè)復(fù)雜情景，引發(fā)認(rèn)知混沌。耗散結(jié)構(gòu)只有在開放系統(tǒng)的非平衡條件下才能形成，即“非平衡是有序之源”。原始問題所呈現(xiàn)的是一個信息龐雜、客觀真實的情景，學(xué)生很難找到某種可現(xiàn)成效仿的原型，原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)平衡被打破，引發(fā)了認(rèn)知混沌，刺激學(xué)生的思維走向復(fù)雜性而遠離平衡態(tài)。正是在認(rèn)知矛盾沖突中，學(xué)生的思維在非平衡——平衡、無序——有序、穩(wěn)定——不穩(wěn)定的矛盾相互轉(zhuǎn)換中，通過同化、順應(yīng)，上升到了更高水平的新平衡態(tài)。

3.教學(xué)系統(tǒng)各元素間非線性相互作用，產(chǎn)生自組織演進。這是形成耗散結(jié)構(gòu)的另一條件。課堂教學(xué)系統(tǒng)中的教師、學(xué)生、教材、環(huán)境、教學(xué)資源等各元素間是一種復(fù)雜的非線性關(guān)系。由于原始問題屬于結(jié)構(gòu)不良問題，問題的初始狀態(tài)、中間狀態(tài)和目的狀態(tài)至少有一個是未知的，僅憑常規(guī)方法和簡單直線思維難以解決，需要學(xué)生調(diào)動原有的知識經(jīng)驗，依靠教學(xué)系統(tǒng)中各要素間互動協(xié)同作用產(chǎn)生相干效應(yīng)，經(jīng)歷“頓悟”的思維突變，使教學(xué)系統(tǒng)在自組織中從低級向高級演進。

（二）促進自主學(xué)習(xí)，有效掌握知識

如前所述，原始問題比常規(guī)習(xí)題更富有挑戰(zhàn)性和趣味性，故更易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情、引發(fā)深度學(xué)習(xí)，進而提高學(xué)習(xí)的質(zhì)量。原始問題解決過程既是對學(xué)生閱讀審題、觀察分析、信息素養(yǎng)等能力培養(yǎng)的途徑，同時學(xué)生又有很多參與討論、師生互動合作探究的機會，促進了自主學(xué)習(xí)，有利于更好地理解和建構(gòu)知識，有效掌握知識。

（三）培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提高解決實際問題的能力

原始問題的非常規(guī)性、復(fù)雜性、開放性和已知條件的隱蔽性等特點，決定了其解決過程必然要在探索和發(fā)現(xiàn)中完成。從對問題呈現(xiàn)現(xiàn)象的數(shù)據(jù)假設(shè)、簡化和抽象，得到一個物理抽象模型，到運用相關(guān)物理知識解決問題，學(xué)生的思維一直處于與信息、知識多向流通和不斷碰撞的非線性動態(tài)演進中，思維觸角得以延展，思維系統(tǒng)從量變并被逐級放大，最終引起質(zhì)變達到新的有序，直覺思維、發(fā)散思維得到了發(fā)展。同時，也發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)探究能力，積累了問題解決的策略和經(jīng)驗，進而提升學(xué)生解決實際問題的能力。

三、如何開展原始物理問題教學(xué)

課堂教學(xué)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，是由大量相互聯(lián)系和作用的要素構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，是具有特定功能的有機整體。人的大腦是復(fù)雜的、認(rèn)知過程也具有復(fù)雜性。僅靠單一思維訓(xùn)練方式、用常規(guī)習(xí)題搞題海戰(zhàn)術(shù)，難以達到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和靈活運用知識解決復(fù)雜問題能力的目的?；谝陨戏治觯J(rèn)為要提高問題解決教學(xué)的質(zhì)量，需要打破“習(xí)題一統(tǒng)天下”的格局，關(guān)注原始問題素材并適切地運用于教學(xué)中，倡導(dǎo)傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)與原始問題教學(xué)的有機結(jié)合。

（一）以習(xí)題教學(xué)為基礎(chǔ)，原始問題教學(xué)為提升

習(xí)題教學(xué)與原始物理問題教學(xué)各有所長，應(yīng)發(fā)揮其綜合效能。強調(diào)原始問題的教學(xué)功能，并非否定習(xí)題教學(xué)的重要作用，而是倡導(dǎo)既要發(fā)揮傳統(tǒng)習(xí)題（特別是變式練習(xí)）教學(xué)的優(yōu)勢、并把其作為問題解決教學(xué)的基本途徑，又要注意在教學(xué)中酌情選擇適量的原始物理問題，進行創(chuàng)新思維訓(xùn)練以彌補習(xí)題教學(xué)的不足，達到掌握知識與培養(yǎng)能力并進的目的。例如，在一定數(shù)量的常規(guī)習(xí)題訓(xùn)練基礎(chǔ)上，引入原始問題“刀具用鈍后，經(jīng)磨礪，切割東西就變得容易了，分析其原理?！奔瓤捎?xùn)練學(xué)生靈活應(yīng)用力學(xué)知識解決實際問題，又可突破“理解合力與分力間夾角關(guān)系”這一教學(xué)難點。

（二）習(xí)題與原始問題相互轉(zhuǎn)換

從原始問題轉(zhuǎn)換到習(xí)題，旨在培養(yǎng)學(xué)生的建模能力；從習(xí)題轉(zhuǎn)換到原始問題，旨在培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)實生活現(xiàn)象的觀察力和問題意識。例如，在學(xué)習(xí)了動量定理，從習(xí)題訓(xùn)練切換到探索 “飛鳥與飛機相撞的危害？”、“運動員摔跤后在地面翻滾的作用？”等原始問題，可深化學(xué)生對沖力與作用時間關(guān)系的理解，感悟物理就在身邊、蘊含于生活現(xiàn)象中。

（三）選擇適切的原始問題素材，增強教學(xué)的針對性。

原始問題來源于我們身邊的客觀現(xiàn)象。我們既不能視而不見，漠然對待，同時也要避免任何問題都原始化，引用泛化，關(guān)鍵是運用要適切。為此，教師應(yīng)思考何時需要引入原始問題、目的何在？自然現(xiàn)象、體育競技、生產(chǎn)、日常生活、新聞媒體、科技領(lǐng)域乃至文學(xué)作品中，不乏大量的原始物理問題素材，要根據(jù)教學(xué)的需要有選擇地引用。例如：體育競技中的緩沖、踢球和投擲技巧、運動姿態(tài)等現(xiàn)象中的原始物理問題，適合引入到運動學(xué)和動力學(xué)知識的學(xué)習(xí)中，可達到使抽象的物理知識形象具體化、啟發(fā)學(xué)生學(xué)以致用的目的；列舉并分析“掛在壁墻上的石英鐘，當(dāng)電池的電能耗盡而停止走動時，其秒針往往停在刻度盤上‘9’的位置?！敝荚趲椭鷮W(xué)生理解力矩、增強觀察意識。類似的例子不勝枚舉。

原始物理問題既保持了真實世界的“原汁原味”，又是隱含深刻物理學(xué)規(guī)律的知識鏈。把它作為習(xí)題教學(xué)的一種補充、提升和問題解決教學(xué)的重要切入點，更能體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課程理念，符合科學(xué)教育的培養(yǎng)目標(biāo)。它將拓展教育工作者的教育視野，引起人們思維方式的轉(zhuǎn)變。

云南省“十一五”教育科研規(guī)劃課題《教學(xué)模式改革與物理學(xué)科教學(xué)思想創(chuàng)新研究》編號：GG09003

環(huán) 敏/云南大理學(xué)院工程學(xué)院 楊雄珍/廣西賀州學(xué)院物理與電子信息工程系

（責(zé)任編輯：劉 明）