基于原始物理問題研究視角反芻高考題

陸永華

一、原始物理問題與物理習(xí)題（高考題）之間的關(guān)系與區(qū)別

高考物理能力測試與命題導(dǎo)向歷來都為大家所關(guān)注，歷次物理高考命題均以習(xí)題形式考查，聚焦于如何更好地鑒別不同層次學(xué)生的各種物理能力以達(dá)到選拔目的，但是物理習(xí)題（高考題）考查學(xué)生能力有其局限性，原始物理問題的引入是高考命題改革的趨勢之一. 早在1983年，北京大學(xué)趙凱華即建議將原始物理問題引入教學(xué)，筆者根據(jù)趙教授的論述把物理問題分為兩類：①原始物理問題：指自然界及生活、生產(chǎn)、科研中客觀存在的能夠反映物理概念、規(guī)律本質(zhì)且未被加工的保持“原汁原味”的典型物理現(xiàn)象和事實(shí)；②抽象物理問題：指從實(shí)際問題中經(jīng)過分解、簡化、抽象，為鞏固物理概念、規(guī)律而人為加工編制出來的物理問題，即物理習(xí)題，高考題是典型的物理習(xí)題.從原始物理問題到物理習(xí)題（高考題）主要需經(jīng)過如圖1中虛線框Ⅰ所示的過程，虛線框Ⅱ內(nèi)是物理習(xí)題（高考題）的解決過程.由圖中相互銜接的過程可知，物理習(xí)題（高考題）是命題人員在原始物理問題的基礎(chǔ)上“越俎代庖”式加工（例如把需考查的物理量鑲嵌在物理現(xiàn)象中，提供詳細(xì)甚至是“湊好”的數(shù)據(jù)，以及構(gòu)建好理想化模型等）而成的“半成品”.

原始物理問題與物理習(xí)題有諸多不同特點(diǎn)，如圖2所示，由于原始物理問題來自與人生活緊密聯(lián)系的現(xiàn)實(shí)世界，故其具有復(fù)雜性、已知條件隱蔽性、生態(tài)化、過程與結(jié)果發(fā)散性、思辨性、解決方法最佳性等主要特點(diǎn)；而由原始物理問題經(jīng)過人為簡化抽象而成的物理習(xí)題雖然在形式上聯(lián)系了物理現(xiàn)象，但由于其具有簡單性、已知條件顯性化、缺乏生態(tài)性、答案唯一性等主要特點(diǎn)，實(shí)際上并沒有給學(xué)生提供真實(shí)的原始物理問題情境，使學(xué)生解答習(xí)題時(shí)的認(rèn)知心理及行為表現(xiàn)與解決原始物理問題時(shí)的相應(yīng)狀態(tài)相去甚遠(yuǎn).

二、在原始物理問題與物理習(xí)題（高考題）的轉(zhuǎn)化中培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力

1.原始物理問題與物理習(xí)題（高考題）轉(zhuǎn)化的橋梁——物理建模

原始物理問題是培養(yǎng)學(xué)生物理建模能力的寶貴資源，建立物理模型是原始物理問題與物理習(xí)題（高考題）之間的橋梁，也是解決問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié).如圖1中的虛線框Ⅰ、Ⅱ所示，原始物理問題要通過建立物理模型來提煉加工為物理習(xí)題，再通過物理知識(shí)和相關(guān)數(shù)學(xué)工具使問題得到解決. 在平時(shí)物理習(xí)題教學(xué)中，引入的試題，基本都是理想化的物理情境，學(xué)生的物理建模思維訓(xùn)練過程被習(xí)題編制者“越俎代庖”，導(dǎo)致學(xué)生只會(huì)死記硬背式地“套?！保粫?huì)自己“建?！保瑢W(xué)生缺乏“解決實(shí)際問題的能力”，本質(zhì)上是缺乏“把原始物理問題轉(zhuǎn)化成合適的物理模型的能力”.

以2009年重慶理綜第24題為例：“探究某種筆的彈跳問題時(shí)，把筆分成輕質(zhì)彈簧、內(nèi)芯和外殼三部分，其中內(nèi)芯和外殼質(zhì)量分別為m和4m.筆的彈跳過程分為三個(gè)階段：①把筆豎直倒立于水平硬桌面，下壓外殼使其下端接觸桌面如圖3（1）；②由靜止釋放，外殼豎直上升至下端距桌面h1時(shí)，與靜止的內(nèi)芯碰撞如圖3（2）；③碰后，內(nèi)芯與外殼以共同的速度一起上升到外殼下端距桌面最大高度h2處，如圖3（3）.設(shè)內(nèi)芯與外殼間的撞擊力遠(yuǎn)大于筆所受重力，不計(jì)摩擦與空氣阻力，重力加速度g.求：（1）外殼與內(nèi)芯碰撞后瞬間的共同速度大小；（2）從外殼離開桌面到碰撞前瞬間，彈簧做的功；（3）從外殼下端離開桌面到上升至h2處筆損失的機(jī)械能.”

該題涉及的原始物理問題是學(xué)生課間無意識(shí)玩的一個(gè)小游戲，不少學(xué)生耳熟能詳，卻被命題者捕捉到，成為絕佳的命題素材，是高考中的一道好題.但根據(jù)當(dāng)年高考分析，該題平均得分僅為6.89分（總分18分），原因何在？該題所述的原始物理問題的具體情境以筆的上跳過程為原型，雖然已在一定程度上對該原始物理問題進(jìn)行抽象和簡化處理（如內(nèi)芯與外殼間的撞擊力遠(yuǎn)大于筆所受重力，不計(jì)摩擦與空氣阻力等），但學(xué)生對于此類“耳熟能詳”卻又新型、陌生的原始物理問題的解答有相當(dāng)?shù)睦щy，困難何在？主要在于以下三個(gè)方面原始問題轉(zhuǎn)化困難. ①實(shí)物系統(tǒng)（筆）部分構(gòu)件形狀轉(zhuǎn)化困難：筆的外殼、內(nèi)芯分別為管狀和不規(guī)則的柱狀，與抽象物理問題（習(xí)題）的小球、小車、物塊等不同；②實(shí)物系統(tǒng)（筆）部分構(gòu)件相對位置關(guān)系轉(zhuǎn)化困難：筆的外殼、內(nèi)芯及彈簧之間是內(nèi)外分層嵌套的裝置，使得受力分析和各階段的分界點(diǎn)難以辨析，導(dǎo)致學(xué)生對模型的分割、重組和匹配困難；③第二階段中外殼與內(nèi)芯碰撞時(shí)“粘合”方式轉(zhuǎn)化困難：通過彈簧下推內(nèi)芯和同時(shí)上推外殼，把向上運(yùn)動(dòng)的外殼與靜止的內(nèi)芯碰撞并“粘合”在一起，與學(xué)生平時(shí)遇到物理習(xí)題中類似兩個(gè)小球、物塊碰撞后“粘合”在一起的完全非彈性碰撞應(yīng)用模型略有不同.上述三點(diǎn)原始物理問題轉(zhuǎn)化困難造成了很多學(xué)生的解題障礙.

如何對上述原始物理問題進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化建立物理模型？物理建模的基本方法是等效簡化和抽象化，突出研究對象的主要因素，忽略次要因素并排除無關(guān)因素，使問題中的具體現(xiàn)象與相關(guān)物理模型的相似性突顯出來，為物理建模匹配創(chuàng)造有利條件.該題物理建模過程如下：①簡化構(gòu)件形狀，把具體構(gòu)件模型化：舍棄對各階段過程沒有實(shí)質(zhì)性影響的外殼A和內(nèi)芯B的形狀、長度，把圖4（1）里的長管狀外殼A和柱狀內(nèi)芯B逐步簡化、抽象為圖4（2）（過渡形式）和4（3），圖4（3）是物理習(xí)題中物體A和B常見的塊狀形式（即構(gòu)件模型）.②簡化構(gòu)件間的位置關(guān)系，使具體構(gòu)件間的位置關(guān)系模型化：舍棄對各階段過程沒有實(shí)質(zhì)性影響的外殼A和內(nèi)芯B的內(nèi)外位置關(guān)系，簡化為圖4（4）所示的外殼A和內(nèi)芯B的上下關(guān)系（去掉非本質(zhì)的內(nèi)外關(guān)系，只保留上下關(guān)系）.③等效地移動(dòng)某些力的作用點(diǎn)（外殼A所受的外力作用點(diǎn)移動(dòng)），忽略、簡化次要的影響因素，如微小的力、質(zhì)量、長度、體積等.題中在外殼與內(nèi)芯碰撞“粘合”的第二階段中，忽略了重力這個(gè)相對次要的外力，使外殼與內(nèi)芯碰撞“粘合”的過程與動(dòng)量守恒過程的條件相匹配.物理建模完成以后，問題難度便大為減小了.

2.原始物理問題與物理習(xí)題（高考題）的轉(zhuǎn)化舉隅

原始物理問題與物理習(xí)題（高考題）的轉(zhuǎn)化，將原始物理問題中涉及的典型物理現(xiàn)象用物理語言描述，運(yùn)用已知的物理知識(shí)進(jìn)一步分析判斷，經(jīng)過簡化和抽象等科學(xué)方法構(gòu)建物理模型，并給出解答過程中需用到的物理量作為已知量，將解答結(jié)果進(jìn)行潛在的限定而得到物理習(xí)題，并且預(yù)判該習(xí)題能在學(xué)生掌握的物理知識(shí)范圍之內(nèi)，并運(yùn)用數(shù)學(xué)工具和物理公式等加以解決.endprint

以近期社會(huì)熱點(diǎn)問題“汽車在十字路口如何通過黃燈”的原始物理問題為例：“駕駛員駕駛車輛將過十字路口，若看到黃燈信號(hào)，駕駛員經(jīng)常要糾結(jié)一個(gè)問題：是剎車還是加速通過？①若選擇剎車，求汽車到達(dá)停止線的安全距離；②若選擇通過，求汽車安全通過路口所需時(shí)間.”學(xué)生拿到此類原始物理問題往往束手無策，與平時(shí)所做的物理習(xí)題差異較大.通過圖1所示過程，把原始物理問題轉(zhuǎn)化為學(xué)生熟知的物理習(xí)題關(guān)鍵在于“表征物理問題”，對于學(xué)生而言，采用直白的物理語言描述，即畫出情境示意圖（如圖5所示）、設(shè)置已知物理量和未知物理量，包括常量和變量：如十字路口寬度，汽車長度，汽車質(zhì)量，路面類型（汽車輪胎與地面間的動(dòng)摩擦因素，常見如表1所示，特別注意晴天和下雨天路面的動(dòng)摩擦因數(shù)），司機(jī)反應(yīng)時(shí)間，馬路口法定限制速度（我國目前交通法無明確法定限速，部分路口有限速指示）等.

表1

根據(jù)題意可知，黃燈問題屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的問題，問題①中的安全距離即為剎車距離，應(yīng)包含駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的勻速運(yùn)動(dòng)距離和剎車的勻減速運(yùn)動(dòng)距離.由于不同駕駛員臨時(shí)判別的失誤，總會(huì)造成闖紅燈或者更為嚴(yán)重的交通意外，對社會(huì)實(shí)踐指導(dǎo)意義而言，例如可設(shè)置以臨界線作為參考與警示作用，如圖6所示，當(dāng)黃燈亮起時(shí)如果汽車未進(jìn)入黃色區(qū)域時(shí)，則必須剎車停在停止線內(nèi)，若汽車已駛?cè)朦S色區(qū)域內(nèi)，則可繼續(xù)行駛安全進(jìn)入對面車道的停止線內(nèi).問題②中從駕駛員看到黃燈信號(hào)選擇通過，汽車安全通過時(shí)間即為黃燈時(shí)間間隔，對于不同地區(qū)的十字路口長度、限速及路況等實(shí)際情況確定不同的黃燈時(shí)間間隔.黃燈問題給學(xué)生提供了真實(shí)的原始物理問題情境，可培養(yǎng)學(xué)生分析、判斷、抽象及物理建模能力，提高運(yùn)用物理規(guī)律及科學(xué)方法解決實(shí)際問題的能力.

在此原始物理問題基礎(chǔ)上，經(jīng)過圖1所示的編制過程，經(jīng)過編制可得類似物理習(xí)題如2013年四川理綜第9題：“近來，我國多個(gè)城市開始重點(diǎn)治理‘中國式過馬路行為.每年全國由于行人不遵守交通規(guī)則而引發(fā)的交通事故上萬起，死亡上千人.只有科學(xué)設(shè)置交通管制，人人遵守交通規(guī)則，才有保證行人的生命安全.如圖7所示，停車線AB與前方斑馬線邊界CD間的距離為23m.質(zhì)量8t、車長7m的卡車以54km/h的速度向北勻速行駛，當(dāng)車前端剛駛過停車線AB，該車前方的機(jī)動(dòng)車交通信號(hào)燈由綠燈變黃燈.（1）若此時(shí)前方C處人行橫道路邊等待的行人就搶先過馬路，卡車司機(jī)發(fā)現(xiàn)行人，立即制動(dòng)，卡車受到的阻力為3×104N.求卡車的制動(dòng)距離？（2）若人人遵守交通規(guī)則，該車將不受影響地駛過前方斑馬線邊界CD.為確保行人安全，D處人行橫道信號(hào)燈應(yīng)該在南北向機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈變黃燈后至少多久變?yōu)榫G燈？”該題契合“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課改理念，題中貌似考查行人過馬路問題，實(shí)質(zhì)上考查的是以“黃燈問題”的原始物理問題情境為素材，經(jīng)過習(xí)題編制人員的簡化、抽象及動(dòng)力學(xué)建模，并表征其情境示意圖、路口寬度、汽車長度、汽車質(zhì)量、阻力（汽車輪胎與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)）及汽車速度等.該題第（1）問中駕駛員發(fā)現(xiàn)行人就立即制動(dòng)，略去了駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的勻速距離，根據(jù)《交通工程學(xué)》駕駛員反應(yīng)特性分析：駕駛員在開始制動(dòng)前最少需要的反應(yīng)時(shí)間為0.4s，產(chǎn)生制動(dòng)效果需要0.3s時(shí)間，合計(jì)剎車發(fā)生效果至少需要0.7s，根據(jù)該車速度54km/h，該段時(shí)間勻速距離為10.5m，明顯不能忽略，與實(shí)際情況偏差較大.另外，根據(jù)題意計(jì)算出制動(dòng)距離30m大于馬路口寬度23m，已然出現(xiàn)交通事故，向考生滲透“過路口汽車要減速慢行，行人需遵守交通規(guī)則注意安全”等信息.第（2）問中汽車恰好安全通過路口的時(shí)間為黃燈時(shí)間間隔，計(jì)算結(jié)果2s也符合路口黃燈實(shí)際時(shí)長，同時(shí)需考慮車身長度才符合實(shí)際情況.在2009年江蘇卷第7題（題略）中，如圖8所示，該車立即做勻加速運(yùn)動(dòng)，由勻加速位移公式x=v0t+ at2=20m>18m，故在綠燈熄滅前可能通過停車線，但該答案前提是將汽車看成質(zhì)點(diǎn)，而一般家用汽車長度都在4—5米左右（如圖8所示停車線上汽車的位置），明顯不能看成質(zhì)點(diǎn)處理，考慮車身長度，則與A選項(xiàng)違背，有待商榷. 上述兩道高考題都是從原始物理問題轉(zhuǎn)化而來，雖與原始物理問題實(shí)際情境有一定的偏差，但瑕不掩瑜，對于考查學(xué)生對物理概念及規(guī)律的掌握不失為好題.

當(dāng)我們充分肯定物理習(xí)題的教育價(jià)值時(shí)，也要客觀地認(rèn)識(shí)其缺陷，原始物理問題的訓(xùn)練能有效克服物理習(xí)題的弊端，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，但它不能完全替代物理習(xí)題在鞏固物理概念、規(guī)律及知識(shí)掌握的熟練程度和測評等方面所具有的價(jià)值，因此，通過原始物理問題與物理習(xí)題轉(zhuǎn)化達(dá)到兩者間的適切于平衡：“以習(xí)題演練為基礎(chǔ)，以原始物理問題解決為升華.”

三、原始物理問題研究對物理習(xí)題編制和物理習(xí)題教學(xué)的啟示

1.原始物理問題研究對物理習(xí)題編制的啟示

原始物理問題為習(xí)題編制提供了豐富的素材，同時(shí)也是習(xí)題編制的絕佳素材.根據(jù)自組織表征理論，原始物理問題的解決主要包括定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征、數(shù)學(xué)表征等7個(gè)表征層次，這既是原始物理問題解決的方法，也為根據(jù)原始物理問題轉(zhuǎn)化編制物理習(xí)題提供了途徑.可采用的常用編制方式有：①改變原始物理問題中研究對象的結(jié)構(gòu)形式，例如對研究對象進(jìn)行變形簡化、增加或減少器材等；②改變原始物理問題中研究對象的物理環(huán)境，例如改變研究對象周圍的關(guān)聯(lián)物體情況、能否忽略空氣阻力等，抓住主要因素，忽略次要因素；③根據(jù)原始物理問題提供的真實(shí)情境，經(jīng)過抽象簡化，給學(xué)生提供模型化的情境示意圖，幫助學(xué)生建立解題物理表象等；④改變原始物理問題中的物理量，例如增加或減少物理量，或根據(jù)潛在結(jié)果改變數(shù)據(jù)等；⑤改變原始物理問題中的物理?xiàng)l件，例如強(qiáng)化或明確原始條件，刪減多余條件，補(bǔ)充原始條件不足等，同時(shí)題設(shè)條件要注意自洽性和完備性；⑥改變原始物理問題中的設(shè)問方式，例如根據(jù)考查要求中需掌握的物理概念和規(guī)律指定需求解的物理量等.

2.原始物理問題研究對物理習(xí)題教學(xué)的啟示

在原始物理問題解決過程中，所呈現(xiàn)的對學(xué)生掌握物理知識(shí)情況及對知識(shí)更深層次的理解、解決問題所需的各種科學(xué)方法和能力、原始物理問題本身所滲透的情感態(tài)度價(jià)值觀，與新課改中的三維培養(yǎng)目標(biāo)是一致的.但就目前的教育現(xiàn)狀而言，我們無法摒棄物理習(xí)題而無視高考的存在，在高考中適當(dāng)引入原始物理問題，將原始物理問題與物理習(xí)題恰當(dāng)結(jié)合起來，揚(yáng)各自之長，避彼此之短.在習(xí)題教學(xué)中，教師可給出原始物理問題，實(shí)施原始物理問題與物理習(xí)題的轉(zhuǎn)化教學(xué)，有意識(shí)地讓學(xué)生從不同的視角分析、歸納、抽象出具體的物理模型，設(shè)置相關(guān)物理量，編制成不同的習(xí)題，培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力、甄別信息的能力、分析和解決問題的能力，從原始物理問題與物理習(xí)題轉(zhuǎn)化教學(xué)過程中，讓學(xué)生知曉物理習(xí)題編制的方式，使學(xué)生在解決習(xí)題時(shí)能切中要害，心中能清楚習(xí)題編制的過程是如何分析、如何建模和求解的，從而提升物理解題能力.

原始物理問題不僅是物理現(xiàn)象的一種呈現(xiàn)形式，更體現(xiàn)了一種新的物理教育思想.原始物理問題回歸“物理現(xiàn)象”的“真實(shí)世界”，有助于我們以新視角來重新思考和理解物理教育，糾正教育實(shí)踐中的“題海戰(zhàn)術(shù)”現(xiàn)象提供了有益啟示.endprint

以近期社會(huì)熱點(diǎn)問題“汽車在十字路口如何通過黃燈”的原始物理問題為例：“駕駛員駕駛車輛將過十字路口，若看到黃燈信號(hào)，駕駛員經(jīng)常要糾結(jié)一個(gè)問題：是剎車還是加速通過？①若選擇剎車，求汽車到達(dá)停止線的安全距離；②若選擇通過，求汽車安全通過路口所需時(shí)間.”學(xué)生拿到此類原始物理問題往往束手無策，與平時(shí)所做的物理習(xí)題差異較大.通過圖1所示過程，把原始物理問題轉(zhuǎn)化為學(xué)生熟知的物理習(xí)題關(guān)鍵在于“表征物理問題”，對于學(xué)生而言，采用直白的物理語言描述，即畫出情境示意圖（如圖5所示）、設(shè)置已知物理量和未知物理量，包括常量和變量：如十字路口寬度，汽車長度，汽車質(zhì)量，路面類型（汽車輪胎與地面間的動(dòng)摩擦因素，常見如表1所示，特別注意晴天和下雨天路面的動(dòng)摩擦因數(shù)），司機(jī)反應(yīng)時(shí)間，馬路口法定限制速度（我國目前交通法無明確法定限速，部分路口有限速指示）等.

表1

根據(jù)題意可知，黃燈問題屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的問題，問題①中的安全距離即為剎車距離，應(yīng)包含駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的勻速運(yùn)動(dòng)距離和剎車的勻減速運(yùn)動(dòng)距離.由于不同駕駛員臨時(shí)判別的失誤，總會(huì)造成闖紅燈或者更為嚴(yán)重的交通意外，對社會(huì)實(shí)踐指導(dǎo)意義而言，例如可設(shè)置以臨界線作為參考與警示作用，如圖6所示，當(dāng)黃燈亮起時(shí)如果汽車未進(jìn)入黃色區(qū)域時(shí)，則必須剎車停在停止線內(nèi)，若汽車已駛?cè)朦S色區(qū)域內(nèi)，則可繼續(xù)行駛安全進(jìn)入對面車道的停止線內(nèi).問題②中從駕駛員看到黃燈信號(hào)選擇通過，汽車安全通過時(shí)間即為黃燈時(shí)間間隔，對于不同地區(qū)的十字路口長度、限速及路況等實(shí)際情況確定不同的黃燈時(shí)間間隔.黃燈問題給學(xué)生提供了真實(shí)的原始物理問題情境，可培養(yǎng)學(xué)生分析、判斷、抽象及物理建模能力，提高運(yùn)用物理規(guī)律及科學(xué)方法解決實(shí)際問題的能力.

在此原始物理問題基礎(chǔ)上，經(jīng)過圖1所示的編制過程，經(jīng)過編制可得類似物理習(xí)題如2013年四川理綜第9題：“近來，我國多個(gè)城市開始重點(diǎn)治理‘中國式過馬路行為.每年全國由于行人不遵守交通規(guī)則而引發(fā)的交通事故上萬起，死亡上千人.只有科學(xué)設(shè)置交通管制，人人遵守交通規(guī)則，才有保證行人的生命安全.如圖7所示，停車線AB與前方斑馬線邊界CD間的距離為23m.質(zhì)量8t、車長7m的卡車以54km/h的速度向北勻速行駛，當(dāng)車前端剛駛過停車線AB，該車前方的機(jī)動(dòng)車交通信號(hào)燈由綠燈變黃燈.（1）若此時(shí)前方C處人行橫道路邊等待的行人就搶先過馬路，卡車司機(jī)發(fā)現(xiàn)行人，立即制動(dòng)，卡車受到的阻力為3×104N.求卡車的制動(dòng)距離？（2）若人人遵守交通規(guī)則，該車將不受影響地駛過前方斑馬線邊界CD.為確保行人安全，D處人行橫道信號(hào)燈應(yīng)該在南北向機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈變黃燈后至少多久變?yōu)榫G燈？”該題契合“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課改理念，題中貌似考查行人過馬路問題，實(shí)質(zhì)上考查的是以“黃燈問題”的原始物理問題情境為素材，經(jīng)過習(xí)題編制人員的簡化、抽象及動(dòng)力學(xué)建模，并表征其情境示意圖、路口寬度、汽車長度、汽車質(zhì)量、阻力（汽車輪胎與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)）及汽車速度等.該題第（1）問中駕駛員發(fā)現(xiàn)行人就立即制動(dòng)，略去了駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的勻速距離，根據(jù)《交通工程學(xué)》駕駛員反應(yīng)特性分析：駕駛員在開始制動(dòng)前最少需要的反應(yīng)時(shí)間為0.4s，產(chǎn)生制動(dòng)效果需要0.3s時(shí)間，合計(jì)剎車發(fā)生效果至少需要0.7s，根據(jù)該車速度54km/h，該段時(shí)間勻速距離為10.5m，明顯不能忽略，與實(shí)際情況偏差較大.另外，根據(jù)題意計(jì)算出制動(dòng)距離30m大于馬路口寬度23m，已然出現(xiàn)交通事故，向考生滲透“過路口汽車要減速慢行，行人需遵守交通規(guī)則注意安全”等信息.第（2）問中汽車恰好安全通過路口的時(shí)間為黃燈時(shí)間間隔，計(jì)算結(jié)果2s也符合路口黃燈實(shí)際時(shí)長，同時(shí)需考慮車身長度才符合實(shí)際情況.在2009年江蘇卷第7題（題略）中，如圖8所示，該車立即做勻加速運(yùn)動(dòng)，由勻加速位移公式x=v0t+ at2=20m>18m，故在綠燈熄滅前可能通過停車線，但該答案前提是將汽車看成質(zhì)點(diǎn)，而一般家用汽車長度都在4—5米左右（如圖8所示停車線上汽車的位置），明顯不能看成質(zhì)點(diǎn)處理，考慮車身長度，則與A選項(xiàng)違背，有待商榷. 上述兩道高考題都是從原始物理問題轉(zhuǎn)化而來，雖與原始物理問題實(shí)際情境有一定的偏差，但瑕不掩瑜，對于考查學(xué)生對物理概念及規(guī)律的掌握不失為好題.

當(dāng)我們充分肯定物理習(xí)題的教育價(jià)值時(shí)，也要客觀地認(rèn)識(shí)其缺陷，原始物理問題的訓(xùn)練能有效克服物理習(xí)題的弊端，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，但它不能完全替代物理習(xí)題在鞏固物理概念、規(guī)律及知識(shí)掌握的熟練程度和測評等方面所具有的價(jià)值，因此，通過原始物理問題與物理習(xí)題轉(zhuǎn)化達(dá)到兩者間的適切于平衡：“以習(xí)題演練為基礎(chǔ)，以原始物理問題解決為升華.”

三、原始物理問題研究對物理習(xí)題編制和物理習(xí)題教學(xué)的啟示

1.原始物理問題研究對物理習(xí)題編制的啟示

原始物理問題為習(xí)題編制提供了豐富的素材，同時(shí)也是習(xí)題編制的絕佳素材.根據(jù)自組織表征理論，原始物理問題的解決主要包括定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征、數(shù)學(xué)表征等7個(gè)表征層次，這既是原始物理問題解決的方法，也為根據(jù)原始物理問題轉(zhuǎn)化編制物理習(xí)題提供了途徑.可采用的常用編制方式有：①改變原始物理問題中研究對象的結(jié)構(gòu)形式，例如對研究對象進(jìn)行變形簡化、增加或減少器材等；②改變原始物理問題中研究對象的物理環(huán)境，例如改變研究對象周圍的關(guān)聯(lián)物體情況、能否忽略空氣阻力等，抓住主要因素，忽略次要因素；③根據(jù)原始物理問題提供的真實(shí)情境，經(jīng)過抽象簡化，給學(xué)生提供模型化的情境示意圖，幫助學(xué)生建立解題物理表象等；④改變原始物理問題中的物理量，例如增加或減少物理量，或根據(jù)潛在結(jié)果改變數(shù)據(jù)等；⑤改變原始物理問題中的物理?xiàng)l件，例如強(qiáng)化或明確原始條件，刪減多余條件，補(bǔ)充原始條件不足等，同時(shí)題設(shè)條件要注意自洽性和完備性；⑥改變原始物理問題中的設(shè)問方式，例如根據(jù)考查要求中需掌握的物理概念和規(guī)律指定需求解的物理量等.

2.原始物理問題研究對物理習(xí)題教學(xué)的啟示

在原始物理問題解決過程中，所呈現(xiàn)的對學(xué)生掌握物理知識(shí)情況及對知識(shí)更深層次的理解、解決問題所需的各種科學(xué)方法和能力、原始物理問題本身所滲透的情感態(tài)度價(jià)值觀，與新課改中的三維培養(yǎng)目標(biāo)是一致的.但就目前的教育現(xiàn)狀而言，我們無法摒棄物理習(xí)題而無視高考的存在，在高考中適當(dāng)引入原始物理問題，將原始物理問題與物理習(xí)題恰當(dāng)結(jié)合起來，揚(yáng)各自之長，避彼此之短.在習(xí)題教學(xué)中，教師可給出原始物理問題，實(shí)施原始物理問題與物理習(xí)題的轉(zhuǎn)化教學(xué)，有意識(shí)地讓學(xué)生從不同的視角分析、歸納、抽象出具體的物理模型，設(shè)置相關(guān)物理量，編制成不同的習(xí)題，培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力、甄別信息的能力、分析和解決問題的能力，從原始物理問題與物理習(xí)題轉(zhuǎn)化教學(xué)過程中，讓學(xué)生知曉物理習(xí)題編制的方式，使學(xué)生在解決習(xí)題時(shí)能切中要害，心中能清楚習(xí)題編制的過程是如何分析、如何建模和求解的，從而提升物理解題能力.

原始物理問題不僅是物理現(xiàn)象的一種呈現(xiàn)形式，更體現(xiàn)了一種新的物理教育思想.原始物理問題回歸“物理現(xiàn)象”的“真實(shí)世界”，有助于我們以新視角來重新思考和理解物理教育，糾正教育實(shí)踐中的“題海戰(zhàn)術(shù)”現(xiàn)象提供了有益啟示.endprint

以近期社會(huì)熱點(diǎn)問題“汽車在十字路口如何通過黃燈”的原始物理問題為例：“駕駛員駕駛車輛將過十字路口，若看到黃燈信號(hào)，駕駛員經(jīng)常要糾結(jié)一個(gè)問題：是剎車還是加速通過？①若選擇剎車，求汽車到達(dá)停止線的安全距離；②若選擇通過，求汽車安全通過路口所需時(shí)間.”學(xué)生拿到此類原始物理問題往往束手無策，與平時(shí)所做的物理習(xí)題差異較大.通過圖1所示過程，把原始物理問題轉(zhuǎn)化為學(xué)生熟知的物理習(xí)題關(guān)鍵在于“表征物理問題”，對于學(xué)生而言，采用直白的物理語言描述，即畫出情境示意圖（如圖5所示）、設(shè)置已知物理量和未知物理量，包括常量和變量：如十字路口寬度，汽車長度，汽車質(zhì)量，路面類型（汽車輪胎與地面間的動(dòng)摩擦因素，常見如表1所示，特別注意晴天和下雨天路面的動(dòng)摩擦因數(shù)），司機(jī)反應(yīng)時(shí)間，馬路口法定限制速度（我國目前交通法無明確法定限速，部分路口有限速指示）等.

表1

根據(jù)題意可知，黃燈問題屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的問題，問題①中的安全距離即為剎車距離，應(yīng)包含駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的勻速運(yùn)動(dòng)距離和剎車的勻減速運(yùn)動(dòng)距離.由于不同駕駛員臨時(shí)判別的失誤，總會(huì)造成闖紅燈或者更為嚴(yán)重的交通意外，對社會(huì)實(shí)踐指導(dǎo)意義而言，例如可設(shè)置以臨界線作為參考與警示作用，如圖6所示，當(dāng)黃燈亮起時(shí)如果汽車未進(jìn)入黃色區(qū)域時(shí)，則必須剎車停在停止線內(nèi)，若汽車已駛?cè)朦S色區(qū)域內(nèi)，則可繼續(xù)行駛安全進(jìn)入對面車道的停止線內(nèi).問題②中從駕駛員看到黃燈信號(hào)選擇通過，汽車安全通過時(shí)間即為黃燈時(shí)間間隔，對于不同地區(qū)的十字路口長度、限速及路況等實(shí)際情況確定不同的黃燈時(shí)間間隔.黃燈問題給學(xué)生提供了真實(shí)的原始物理問題情境，可培養(yǎng)學(xué)生分析、判斷、抽象及物理建模能力，提高運(yùn)用物理規(guī)律及科學(xué)方法解決實(shí)際問題的能力.

在此原始物理問題基礎(chǔ)上，經(jīng)過圖1所示的編制過程，經(jīng)過編制可得類似物理習(xí)題如2013年四川理綜第9題：“近來，我國多個(gè)城市開始重點(diǎn)治理‘中國式過馬路行為.每年全國由于行人不遵守交通規(guī)則而引發(fā)的交通事故上萬起，死亡上千人.只有科學(xué)設(shè)置交通管制，人人遵守交通規(guī)則，才有保證行人的生命安全.如圖7所示，停車線AB與前方斑馬線邊界CD間的距離為23m.質(zhì)量8t、車長7m的卡車以54km/h的速度向北勻速行駛，當(dāng)車前端剛駛過停車線AB，該車前方的機(jī)動(dòng)車交通信號(hào)燈由綠燈變黃燈.（1）若此時(shí)前方C處人行橫道路邊等待的行人就搶先過馬路，卡車司機(jī)發(fā)現(xiàn)行人，立即制動(dòng)，卡車受到的阻力為3×104N.求卡車的制動(dòng)距離？（2）若人人遵守交通規(guī)則，該車將不受影響地駛過前方斑馬線邊界CD.為確保行人安全，D處人行橫道信號(hào)燈應(yīng)該在南北向機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈變黃燈后至少多久變?yōu)榫G燈？”該題契合“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課改理念，題中貌似考查行人過馬路問題，實(shí)質(zhì)上考查的是以“黃燈問題”的原始物理問題情境為素材，經(jīng)過習(xí)題編制人員的簡化、抽象及動(dòng)力學(xué)建模，并表征其情境示意圖、路口寬度、汽車長度、汽車質(zhì)量、阻力（汽車輪胎與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)）及汽車速度等.該題第（1）問中駕駛員發(fā)現(xiàn)行人就立即制動(dòng)，略去了駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的勻速距離，根據(jù)《交通工程學(xué)》駕駛員反應(yīng)特性分析：駕駛員在開始制動(dòng)前最少需要的反應(yīng)時(shí)間為0.4s，產(chǎn)生制動(dòng)效果需要0.3s時(shí)間，合計(jì)剎車發(fā)生效果至少需要0.7s，根據(jù)該車速度54km/h，該段時(shí)間勻速距離為10.5m，明顯不能忽略，與實(shí)際情況偏差較大.另外，根據(jù)題意計(jì)算出制動(dòng)距離30m大于馬路口寬度23m，已然出現(xiàn)交通事故，向考生滲透“過路口汽車要減速慢行，行人需遵守交通規(guī)則注意安全”等信息.第（2）問中汽車恰好安全通過路口的時(shí)間為黃燈時(shí)間間隔，計(jì)算結(jié)果2s也符合路口黃燈實(shí)際時(shí)長，同時(shí)需考慮車身長度才符合實(shí)際情況.在2009年江蘇卷第7題（題略）中，如圖8所示，該車立即做勻加速運(yùn)動(dòng)，由勻加速位移公式x=v0t+ at2=20m>18m，故在綠燈熄滅前可能通過停車線，但該答案前提是將汽車看成質(zhì)點(diǎn)，而一般家用汽車長度都在4—5米左右（如圖8所示停車線上汽車的位置），明顯不能看成質(zhì)點(diǎn)處理，考慮車身長度，則與A選項(xiàng)違背，有待商榷. 上述兩道高考題都是從原始物理問題轉(zhuǎn)化而來，雖與原始物理問題實(shí)際情境有一定的偏差，但瑕不掩瑜，對于考查學(xué)生對物理概念及規(guī)律的掌握不失為好題.

當(dāng)我們充分肯定物理習(xí)題的教育價(jià)值時(shí)，也要客觀地認(rèn)識(shí)其缺陷，原始物理問題的訓(xùn)練能有效克服物理習(xí)題的弊端，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，但它不能完全替代物理習(xí)題在鞏固物理概念、規(guī)律及知識(shí)掌握的熟練程度和測評等方面所具有的價(jià)值，因此，通過原始物理問題與物理習(xí)題轉(zhuǎn)化達(dá)到兩者間的適切于平衡：“以習(xí)題演練為基礎(chǔ)，以原始物理問題解決為升華.”

三、原始物理問題研究對物理習(xí)題編制和物理習(xí)題教學(xué)的啟示

1.原始物理問題研究對物理習(xí)題編制的啟示

原始物理問題為習(xí)題編制提供了豐富的素材，同時(shí)也是習(xí)題編制的絕佳素材.根據(jù)自組織表征理論，原始物理問題的解決主要包括定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征、數(shù)學(xué)表征等7個(gè)表征層次，這既是原始物理問題解決的方法，也為根據(jù)原始物理問題轉(zhuǎn)化編制物理習(xí)題提供了途徑.可采用的常用編制方式有：①改變原始物理問題中研究對象的結(jié)構(gòu)形式，例如對研究對象進(jìn)行變形簡化、增加或減少器材等；②改變原始物理問題中研究對象的物理環(huán)境，例如改變研究對象周圍的關(guān)聯(lián)物體情況、能否忽略空氣阻力等，抓住主要因素，忽略次要因素；③根據(jù)原始物理問題提供的真實(shí)情境，經(jīng)過抽象簡化，給學(xué)生提供模型化的情境示意圖，幫助學(xué)生建立解題物理表象等；④改變原始物理問題中的物理量，例如增加或減少物理量，或根據(jù)潛在結(jié)果改變數(shù)據(jù)等；⑤改變原始物理問題中的物理?xiàng)l件，例如強(qiáng)化或明確原始條件，刪減多余條件，補(bǔ)充原始條件不足等，同時(shí)題設(shè)條件要注意自洽性和完備性；⑥改變原始物理問題中的設(shè)問方式，例如根據(jù)考查要求中需掌握的物理概念和規(guī)律指定需求解的物理量等.

2.原始物理問題研究對物理習(xí)題教學(xué)的啟示

在原始物理問題解決過程中，所呈現(xiàn)的對學(xué)生掌握物理知識(shí)情況及對知識(shí)更深層次的理解、解決問題所需的各種科學(xué)方法和能力、原始物理問題本身所滲透的情感態(tài)度價(jià)值觀，與新課改中的三維培養(yǎng)目標(biāo)是一致的.但就目前的教育現(xiàn)狀而言，我們無法摒棄物理習(xí)題而無視高考的存在，在高考中適當(dāng)引入原始物理問題，將原始物理問題與物理習(xí)題恰當(dāng)結(jié)合起來，揚(yáng)各自之長，避彼此之短.在習(xí)題教學(xué)中，教師可給出原始物理問題，實(shí)施原始物理問題與物理習(xí)題的轉(zhuǎn)化教學(xué)，有意識(shí)地讓學(xué)生從不同的視角分析、歸納、抽象出具體的物理模型，設(shè)置相關(guān)物理量，編制成不同的習(xí)題，培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力、甄別信息的能力、分析和解決問題的能力，從原始物理問題與物理習(xí)題轉(zhuǎn)化教學(xué)過程中，讓學(xué)生知曉物理習(xí)題編制的方式，使學(xué)生在解決習(xí)題時(shí)能切中要害，心中能清楚習(xí)題編制的過程是如何分析、如何建模和求解的，從而提升物理解題能力.

原始物理問題不僅是物理現(xiàn)象的一種呈現(xiàn)形式，更體現(xiàn)了一種新的物理教育思想.原始物理問題回歸“物理現(xiàn)象”的“真實(shí)世界”，有助于我們以新視角來重新思考和理解物理教育，糾正教育實(shí)踐中的“題海戰(zhàn)術(shù)”現(xiàn)象提供了有益啟示.endprint