原始問題教學(xué)：物理思維方法教育的新途徑—以自動(dòng)稱米機(jī)為例

熊小青 邢紅軍 喬 通

原始問題教學(xué)：物理思維方法教育的新途徑—以自動(dòng)稱米機(jī)為例

熊小青 邢紅軍 喬 通

一、科學(xué)方法中的思維方法

在物理教學(xué)中進(jìn)行科學(xué)方法教育，需要明確科學(xué)方法的分類。研究表明，科學(xué)方法可以分為物理方法和思維方法。物理方法是與專業(yè)知識(shí)密切相關(guān)的方法。如比值定義法、實(shí)驗(yàn)歸納法等。由于其具有可操作性，因此可以通過傳授使學(xué)生掌握；思維方法則是人們解決問題的一般策略和方法，由于思維是人腦的功能，因此需要訓(xùn)練才能使學(xué)生掌握。在中學(xué)物理教學(xué)中進(jìn)行科學(xué)方法教育，通常研究的主要內(nèi)容集中在物理方法上，思維方法的研究較少涉及。我們分析了相關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)為目前思維方法教育存在一些不足：(1)思維方法教育的內(nèi)容不全面，大多數(shù)文獻(xiàn)僅選取一種或幾種思維方法進(jìn)行研究；(2)思維方法教育途徑研究缺乏理論性，大多數(shù)文獻(xiàn)僅是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。鑒于此，我們概括了中學(xué)物理教學(xué)中思維方法的內(nèi)容，并且提出了運(yùn)用原始物理問題訓(xùn)練學(xué)生思維方法的觀點(diǎn)，并進(jìn)行了初步的理論探討。

在物理科學(xué)方法教育中，涉及的主要思維方法有：分析綜合、抽象概括、判斷推理、比較分類等。

所謂分析，就是人們?cè)谒季S過程中把研究對(duì)象由整體分解為若干組成部分、層次或要素，然后對(duì)它的各個(gè)部分、層次或要素分別進(jìn)行研究，揭示它們的屬性和本質(zhì)，并研究這些部分、層次或要素之間的相互作用及其在整體對(duì)象中的地位，考察它們對(duì)研究對(duì)象的狀態(tài)及發(fā)展變化的影響。綜合，是指把研究對(duì)象的各個(gè)部分，各個(gè)方面和各種因素的特點(diǎn)、性質(zhì)聯(lián)系起來考察，從整體上去認(rèn)識(shí)和把握研究對(duì)象的一種思維方法。綜合是按照對(duì)象各個(gè)部分間的有機(jī)聯(lián)系，從整體上把握事物，并且把各種因素聯(lián)結(jié)成有機(jī)整體，再現(xiàn)事物的本來面目。

抽象，是指在認(rèn)識(shí)事物的過程中，綜合應(yīng)用分析、綜合、比較等方法，撇開問題中個(gè)別的、非本質(zhì)的因素，抽出主要的、本質(zhì)的因素加以研究的思維方法。概括，是指在認(rèn)識(shí)事物屬性的過程中，把所研究各部分事物得到的一般的、本質(zhì)的屬性聯(lián)系起來，整理推廣到同類的全體事物，從而形成這類事物的普遍概念。思維最顯著的特點(diǎn)就是概括性。思維之所以揭示事物的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律性，主要來自抽象的概括過程。

判斷，是肯定或否定某事物具有某種屬性的一種方法，任何判斷都是我們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，是對(duì)客觀事物之間聯(lián)系的反映。推理是從已知的判斷推斷出新判斷的思維過程。推理最主要的形式有兩種：歸納推理和演繹推理。所謂歸納推理，是指從特殊事例到一般原理的推理。演繹推理是從一般到個(gè)別，從普通到特殊的推理方式。

比較，是確定事物之間差異點(diǎn)和共同點(diǎn)的抽象思維方法。其過程是先對(duì)有關(guān)的事物進(jìn)行分析，區(qū)分每個(gè)事物各方面的特征，然后再鑒別這些事物間的異同.分類，是在比較的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究對(duì)象的共同點(diǎn)和差異點(diǎn)，把事物分門別類的思維方法。根據(jù)研究或?qū)W習(xí)需要，可以某種同一性作標(biāo)準(zhǔn)，將研究對(duì)象歸并為一類。分類有助于我們系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)事物，更有助于形成合理的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

由思維方法內(nèi)容的界定，可知思維方法是認(rèn)知客觀事物的本質(zhì)屬性，內(nèi)在規(guī)律以及事物間的聯(lián)系和相互關(guān)系的方法。例如：力的概念教學(xué)，只有通過思維方法的參與，學(xué)生才能從推、壓、擠、拉等不同現(xiàn)象抽象出本質(zhì)屬性建立力的概念。因此，在物理科學(xué)方法教育中除了重視物理方法教育外，還應(yīng)重視思維方法教育。以下通過比較習(xí)題和原始問題訓(xùn)練思維方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為中學(xué)物理思維方法教育探索出一條有效途徑。

二、運(yùn)用習(xí)題訓(xùn)練思維方法的不足

目前，在物理科學(xué)方法教育中，一般認(rèn)為運(yùn)用習(xí)題就能有效訓(xùn)練學(xué)生的物理思維。如：普通高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：“一個(gè)好的習(xí)題，就是一個(gè)科學(xué)問題。在設(shè)計(jì)練習(xí)和習(xí)題時(shí)，應(yīng)多選擇有實(shí)際科技背景或以真實(shí)物理現(xiàn)象為依據(jù)的問題，既訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維能力，又聯(lián)系科學(xué)、生產(chǎn)和生活的實(shí)際，因而具有生命力。切忌那種脫離實(shí)際的純‘思辨游戲’式的題目?！笔聦?shí)上，習(xí)題是把物理現(xiàn)象進(jìn)行抽象，概括，簡化，分解，經(jīng)人為加工出來的練習(xí)作業(yè)。雖然從形式上聯(lián)系了生活實(shí)際，但卻給出了解決習(xí)題所需的物理量，提供了解題的思路，即學(xué)生思維的一部分已經(jīng)被習(xí)題編制人員“越俎代庖”也完成了，學(xué)生只要按部就班地對(duì)題目進(jìn)行推演，無需過多的思維便能成功解答。

典型的自動(dòng)稱米機(jī)習(xí)題：自動(dòng)稱米機(jī)(如圖1所示)已被許多糧店廣泛應(yīng)用。買者認(rèn)為因?yàn)槊琢鞯饺萜鲿r(shí)有向下的沖力而不劃算；賣者認(rèn)為當(dāng)預(yù)定米的數(shù)量滿足時(shí)，自動(dòng)裝置即刻切斷米流，此刻尚有一些米仍在空中，這些米是多給買者的。請(qǐng)利用已知來解答下面問題。已知：當(dāng)關(guān)閉閥門切斷米流的瞬間，落入盤中的米的質(zhì)量為M，正在下落的米的質(zhì)量為m，正在沖擊秤盤的一小部分米的質(zhì)量為Δm，米下落到秤盤的速度為v，沖擊時(shí)間為Δt。(1)求單位時(shí)間內(nèi)米的流量Q(用兩種結(jié)果表示)；(2)求沖擊秤盤的一小部分米對(duì)盤的沖力F；(3)稱米機(jī)的示數(shù)M示是多少；(4)求最終落入盤中的米的質(zhì)量M實(shí)時(shí)多少，稱米機(jī)稱的米準(zhǔn)確嗎？

圖1

解答過程如下：

(2)依據(jù)牛頓第三定律：F=F支

依據(jù)動(dòng)量定理：(F支-Δmg)?Δt= Δm? v

∴ F=mg+ Δmg

∴稱米機(jī)稱量準(zhǔn)確，買賣雙方交易公平

(4)M實(shí)=M+m+Δm M示=M實(shí)

上述習(xí)題以生活中真實(shí)問題為原型，很好地體現(xiàn)了生活實(shí)際，但習(xí)題編制人員將買賣雙方盈虧的真實(shí)問題抽象成稱米機(jī)秤盤示數(shù)和落入盤中的米的質(zhì)量是否相等的習(xí)題，見(3)(4)，使其中蘊(yùn)含的思維訓(xùn)練成分大打折扣；通過抽象將真實(shí)的問題情境轉(zhuǎn)化為封閉的習(xí)題情境，提供學(xué)生解決習(xí)題的關(guān)鍵思路，替代了學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行思考的機(jī)會(huì)；不僅如此，稱米機(jī)習(xí)題將連續(xù)下落的米流，拆分成相對(duì)獨(dú)立的三部分M，m，Δm進(jìn)行研究，并給出了抽象后的圖像，研究這些對(duì)象所需的物理量也全部設(shè)置了，學(xué)生只要稍加分析，并按照習(xí)題解決的步驟，就可求得答案。

稱米機(jī)是典型的物理習(xí)題，其解題過程反映了習(xí)題解決的普遍特點(diǎn)。事實(shí)上，大部分習(xí)題主要用于鞏固學(xué)生所學(xué)的物理知識(shí)，很難有效訓(xùn)練學(xué)生的思維，以至于許多學(xué)生只知道解題，面對(duì)實(shí)際問題時(shí)常常束手無策。

三、運(yùn)用原始問題訓(xùn)練學(xué)生思維方法的優(yōu)點(diǎn)

綜上所述，習(xí)題不能有效訓(xùn)練學(xué)生的思維，原因在于，由物理現(xiàn)象變?yōu)榱?xí)題過程中蘊(yùn)含的思維方法學(xué)生無法接觸和體會(huì)。由此，我們提出運(yùn)用原始物理問題訓(xùn)練學(xué)生思維方法的觀點(diǎn)。

所謂原始問題，是指自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在，能夠反映科學(xué)概念、規(guī)律本質(zhì)且未被加工的典型科學(xué)現(xiàn)象和事實(shí)。原始物理問題僅是對(duì)現(xiàn)象的描述，沒有任何程度的抽象，因此提供給學(xué)生一個(gè)真實(shí)開放的認(rèn)知情境，使學(xué)生大腦充分開放，打破學(xué)生思維的平衡狀態(tài)，刺激學(xué)生積極思維。原始問題解決除了推導(dǎo)、演算外，還包括應(yīng)用分析、綜合、抽象、概括等思維方法對(duì)原始物理問題進(jìn)行抽象。因此在原始問題教學(xué)中蘊(yùn)含著豐富的思維方法。

稱米機(jī)習(xí)題可以還原成原始物理問題：自動(dòng)稱米機(jī)已被許多糧店廣泛應(yīng)用，買者認(rèn)為因?yàn)槊琢髯驳匠由嫌邢蛳碌臎_力因而使給的米少了；賣者認(rèn)為自動(dòng)裝置切斷米流時(shí)，尚有一些米仍在空中，這些米是多給買者的。兩種說法聽起來都有道理，從理論上證實(shí)哪種觀點(diǎn)正確。

由此可見，還原后的稱米機(jī)問題只是對(duì)現(xiàn)象的描述，沒有任何程度的抽象，沒有提供已知條件，不經(jīng)過思維方法的參與，學(xué)生很難找到解決辦法。

依據(jù)自組織表征理論，原始物理問題解決的過程包括7個(gè)層次：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(xué)表征。前4個(gè)表征為原始問題解決特有的表征層次，后3個(gè)表征是習(xí)題和原始物理問題解決共有的。我們以稱米機(jī)為例，僅對(duì)前4個(gè)表征中蘊(yùn)含的思維方法進(jìn)行分析。

定向表征是判斷原始問題是一個(gè)什么問題的表征層次。稱米機(jī)原始問題的定向表征為：第一，閱讀題目，理解題意，分析買賣雙方關(guān)注焦點(diǎn)，買方關(guān)注秤顯示的米的質(zhì)量，賣方關(guān)注最終落入秤盤的米的質(zhì)量。因此，判斷這是一個(gè)比較米的質(zhì)量多少的問題，并將問題概括為秤盤上顯示的米的質(zhì)量和最終落入秤盤的米的質(zhì)量是否相等的問題。第二，分析米下的落過程，判斷推理得出，由于米對(duì)秤盤的沖擊，所以秤盤示數(shù)大于靜止在秤上米的質(zhì)量。第三，將運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量、力三者聯(lián)系起來頓悟出這是一個(gè)沖量的問題。在這個(gè)表征中除了運(yùn)用一般的思維方法外，還運(yùn)用了形象思維和直覺思維，對(duì)原始問題產(chǎn)生了適應(yīng)性和啟發(fā)性的領(lǐng)悟。

抽象表征是原始問題解決中決定舍棄什么和保留什么的過程，是抓住主要因素，忽略次要因素，把原型轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ偷倪^程。這個(gè)表征中主要用到了抽象的思維方法，抽象在物理思維形成過程中是極其重要的，稱米機(jī)原始問題的抽象表征過程為：分析秤盤示數(shù)，由于有一部分米在沖擊秤盤，所以示數(shù)偏大，關(guān)閉閥門，空中還有一部分米在流到秤盤，秤盤中的米最接近交易量，因此，我們將研究對(duì)象抽象成3部分：盤中的米、空中下落的米、沖擊秤盤的一小部分米。在切斷米流的瞬間，將它們近似看成相對(duì)獨(dú)立的研究對(duì)象。

圖像表征：圖像表征是學(xué)生解決問題過程中畫出草圖的過程，是抽象思維的升華。抽象思維和形象思維相結(jié)合，畫出能反映事物本質(zhì)特征的理想化圖像?！胺Q米機(jī)”原始問題的圖像表征過程如圖1所示。它將抽象后相對(duì)獨(dú)立的研究對(duì)象形象地展示在圖像上，利于問題的解決。

賦值表征：賦值表征指根據(jù)解決問題的要求，設(shè)置所需要的物理量，包括常量和變量，有時(shí)甚至需要設(shè)置一些中間變量。賦值表征是對(duì)問題進(jìn)行抽象分解后，運(yùn)用假設(shè)法對(duì)各個(gè)抽象出的物理量進(jìn)行賦值，體現(xiàn)了思維的高度監(jiān)控。稱米機(jī)原始問題的賦值表征過程為：依據(jù)題目需要，設(shè)出相關(guān)的物理量。(1)設(shè)置已經(jīng)抽象出的研究對(duì)象盤中的米為M、空中米流質(zhì)量為m，沖擊盤的一小部分米的質(zhì)量為Δm。(2)這些研究對(duì)象通過運(yùn)動(dòng)相互聯(lián)系，因此設(shè)置常量重力加速度為g，沖擊初速度為v，沖擊時(shí)間為Δt。(3)設(shè)置對(duì)盤的沖力為F，單位時(shí)間內(nèi)米的流量為Q。此步驟以后，原始問題變?yōu)榱?xí)題，學(xué)生可以根據(jù)已知和物理理論很容易求解。

分析習(xí)題和原始問題解決的過程，可以發(fā)現(xiàn)原始問題更能訓(xùn)練學(xué)生的思維能力。主要表現(xiàn)在：(1)原始問題只是對(duì)物理現(xiàn)象和事實(shí)的描述，只有通過思維方法參與，才能將這些現(xiàn)象和事實(shí)與物理規(guī)律聯(lián)系起來。這里不僅運(yùn)用了一般的思維方法(如：分析、綜合、概括、判斷等)，還運(yùn)用了形象思維和直覺思維。習(xí)題則是有明確的已知條件和解題目標(biāo)，根據(jù)條件和目標(biāo)的暗示，學(xué)生便能順利找出解題所需的物理規(guī)律。(2)原始問題沒有明確的已知條件，只能通過對(duì)物理現(xiàn)象和過程的分析，抓住其中主要因素，舍去次要因素，抽象出原始問題研究的對(duì)象，將原型轉(zhuǎn)化為模型才能解決。事實(shí)上，抽象在物理學(xué)習(xí)中具有重要作用，抽象是物理思維的基礎(chǔ)。而習(xí)題則是對(duì)物理現(xiàn)象抽象后的練習(xí)作業(yè)，因此，在解決習(xí)題過程中不需要抽象思維的參與。

因此，原始問題更能訓(xùn)練學(xué)生的思維能力。在物理教學(xué)中應(yīng)以習(xí)題為基礎(chǔ)鞏固學(xué)生的物理知識(shí)，以原始問題為升華訓(xùn)練學(xué)生的思維能力。在原始問題教學(xué)中，教師應(yīng)有意識(shí)地展現(xiàn)原始問題解決的步驟，有意識(shí)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維方法訓(xùn)練，從而促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展。

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熊小青，在讀碩士研究生。邢紅軍，博士，教授，博士生導(dǎo)師。喬通，在讀碩士研究生。

首都師范大學(xué)。

本文系北京市“十一五”規(guī)劃教育科學(xué)重點(diǎn)課題“高中物理科學(xué)方法教育內(nèi)容顯化的理論與實(shí)踐研究”成果(編號(hào)：ABA08010)。