基于原始物理問題建構(gòu)理想化模型

任虎虎

摘 要：物理教學離不開質(zhì)點、勻強電場、自由落體等理想化模型，然而學生對理想化模型的掌握并不理想。究其原因，主要是學生沒有真正參與到從實際情景到物理模型演變的過程中。原始物理問題是自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理問題，原始物理問題是連接學生生活與物理模型的橋梁，借助原始物理問題能很好地幫助學生實現(xiàn)理想化模型的自我建構(gòu)，提升建模、歸納能力。本文從“是什么”“為什么”“怎么做”三個維度進行探討，并給出促進理想化模型自我建構(gòu)的原始物理問題編制、教學策略及案例分析。

關(guān)鍵詞：原始物理問題；理想化模型；自我建構(gòu)；編制

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）2-0041-3

1 什么是原始物理問題

原始物理問題是邢紅軍教授提出的教學理論，起源于楊振寧教授的物理教育思想。[1]楊振寧教授在一次接受記者采訪時，曾將他取得成功的奧秘歸結(jié)為：“要站在問題開始的地方，面對原始的問題，而不要淹沒在文獻的海洋里”。物理教學同樣不能淹沒在結(jié)論和題目的海洋里，而應(yīng)將活生生的物理現(xiàn)象和物理過程，反璞歸真地呈現(xiàn)出來，讓學生面對原汁原味的物理問題，引導他們?nèi)ビH歷物理模型、物理概念的形成過程，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，以及物理問題的解決過程。

典型的原始物理問題：“一些人認為嬰兒由成人抱著坐在汽車里很安全?，F(xiàn)在請你估計一下，在一次發(fā)生在很短時間的撞車中，需要多大的力才能抱住嬰兒。” [2]

原始物理問題是基于實際情景，是自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理問題，具有生態(tài)性和開放性的特點。原始物理問題的呈現(xiàn)形式是對物理情景的描述，沒有已知量、未知量，需要學生自己去抽象，自己去設(shè)置。因此，原始物理問題不同于物理習題，它們之間的關(guān)系如圖1所示。

2 為什么原始物理問題能促進理想化模型的建立

物理教學離不開理想化模型，理想化模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的絕對理想的形態(tài)或客體，它只能在抽象的科學思維中存在，在現(xiàn)實世界中并不真實存在。在教學實踐中，發(fā)現(xiàn)學生在學習理想化模型時往往存在思維障礙，具體表現(xiàn)為：不理解為什么要忽略一些次要因素，不能將習得的物理模型用到實際情境中等。借助原始物理問題，可以很好地幫助學生解決這些問題。

原始物理問題基于物理現(xiàn)象，具有客觀真實性，學生在運用原始物理問題進行學習的過程中，通過與實際問題的“對話”，可以獲得大量的感性認識，為理性認識打好基礎(chǔ)。在將實際問題轉(zhuǎn)化為抽象問題的過程中，學生必然會對實際情景進行加工，梳理哪些是主要因素、哪些是次要因素、哪些因素可以忽略，從而實現(xiàn)了實際情景向理想模型的過渡，相應(yīng)地也實現(xiàn)了形象思維向抽象思維的過渡。因此，通過對原始物理問題進行梳理和加工，可以幫助學生實現(xiàn)理想化模型的建立，建模能力和抽象思維能力的提升。[3]

3 怎樣利用原始物理問題實現(xiàn)理想化模型的自我建構(gòu)

理想化模型可以分為三類：（1）對象模型：是對實物的一種理想簡化，如質(zhì)點、點電荷、單擺等；（2）條件模型：是對相關(guān)環(huán)境的一種理想簡化，如光滑表面、勻強電場、勻強磁場等；（3）過程模型：是對干擾因素的一種簡化，如自由落體運動、等溫過程、絕熱過程等。[4]

下面就如何利用原始物理問題實現(xiàn)這三類理想化模型的自我建構(gòu)，提出筆者的一點拙見，并進行相應(yīng)的案例分析。

3.1 促進對象模型自我建構(gòu)的原始問題編制、教學策略及案例分析

對象模型是用來代替研究對象實體的理想化模型，這類模型的原始物理問題教學策略為：首先，選取有關(guān)考慮研究對象長度或形狀的實際情景，編制原始物理問題；其次，在解決原始物理問題后，設(shè)置問題及時追問；最后，讓學生進行分析歸納，建立理想模型。

案例：“質(zhì)點”是高中階段學習的第一個理想化模型，它的建構(gòu)思想和方法對其他模型的建立有重要的指導意義。學習時可編制如下原始物理問題：

從上海到北京的高鐵需要經(jīng)過南京大勝關(guān)長江大橋，請估算一下高鐵列車通過大橋需要多長時間。

學生抽象出物理過程后，了解南京大勝關(guān)長江大橋的長度，列車的長度以及速度后，可以得出結(jié)果。教師繼續(xù)追問：“同樣的列車經(jīng)過杭州灣跨海大橋需要多長時間？”“在后一個問題中列車的長度對結(jié)果影響大嗎？”接下來讓學生討論是否可以將一個具體物體看作一個點。經(jīng)過這樣的分析和對比，讓學生形成一分為二看待問題的意識，在實際情景上建立起質(zhì)點的概念。

3.2 促進條件模型自我建構(gòu)的原始問題編制、教學策略及案例分析

條件模型是把研究對象所處的外部條件理想化建立的模型，這類模型的原始物理問題教學策略為：首先，選取有關(guān)考慮研究對象所處外部條件的實際情景，編制原始物理問題；其次，改變外部條件，分析對研究對象的影響；最后，讓學生對外部條件進行簡化，歸納并建立理想模型。[5]

案例：“勻強電場”模型是電場中的一個重要概念，它對于勻強磁場的學習有很大地促進作用，學習時可編制如下原始物理問題：

靜電噴涂時，噴槍噴出的涂料微粒在靜電力作用下向被噴工件運動，最后吸附在其表面，請分析涂料微粒在靠近工件過程中的運動情況以及運動時間。

根據(jù)問題的描述，學生可以分析出涂料和工件帶異種電荷。帶電涂料在工件的電場中運動，剛開始離工件較遠，電場強度較弱，靠近工件的過程中，電場強度越來越大，因此涂料做加速度增大的加速運動，但是時間沒法算。教師及時追問：“為了計算時間的方便，可以將工件附近的電場進行怎樣的簡化？”在學生的認知結(jié)構(gòu)中有勻變速直線運動的概念，因此，將工件附近的電場理想化為大小和方向都是恒定的。在實際情景上建立起理想化模型——勻強電場。

3.3 促進過程模型自我建構(gòu)的原始問題編制、教學策略及案例分析

實際的物理過程都是諸多因素共同作用的結(jié)果，忽略次要因素的影響，只考慮主要因素引起的變化過程的模型，稱為過程模型。這類模型的原始物理問題教學策略為：首先，選取有關(guān)考慮物理過程的實際情景，編制原始物理問題；其次，在分析原始物理問題時，改變影響因素，此時需要進行演示實驗；最后，讓學生進行分析歸納，建立理想模型。

案例：“自由落體運動”是過程模型的典例，它的建構(gòu)思想方法對拋體運動等過程模型的學習很有幫助。學習時可編制如下原始物理問題：

秋天了，一個熟透的蘋果和樹葉從同一枝條上脫落，請問哪一個先落到地面上？說說為什么？

學生知道是蘋果先落地，但一部分學生認為是蘋果的質(zhì)量比樹葉大的緣故。此時，教師設(shè)置演示實驗：相同的兩張A4紙，一張揉成紙團，另一張不作處理，將其平放和紙團從同一高度釋放，讓學生觀察，隨后討論：物體下落的快慢與哪些因素有關(guān)？蘋果下落過程中，哪些是主要因素？哪些是次要因素？再提出問題：“次要因素可以忽略嗎？”“在不考慮空氣阻力時（真空），蘋果和樹葉誰下落得更快呢？”然后，借助牛頓管進行演示實驗，讓學生歸納并得出結(jié)論：在只考慮重力的情況下，所有物體下落得一樣快。這種理想化的運動，稱為自由落體運動。

其實，原始物理問題教學不僅能幫助學生基于實際情景建構(gòu)理想化模型，物理概念和規(guī)律也只有在原始物理問題中才有生命力，才能顯示其內(nèi)涵和外延，學生習得的概念和規(guī)律才能真正活起來，才能激發(fā)和喚醒學生的學習興趣。原始物理問題教學不僅能幫助學生掌握知識、技能和思想方法，而且還能很好地培養(yǎng)學生的能力，提升科學素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]邢紅軍.物理教學論[M].北京：北京大學出版社，2015.

[2]王晶瑩，張躍，張陽.中學物理教師對科學模型教育認識的實證研究[J].全球教育展望，2016，45（2）：93-105.

[3]吳加澍.對物理教學的哲學思考[J].課程·教材·教法，2005（7）：64-69.

[4]邢紅軍.原始問題教學：物理教育改革的新視域[J].課程·教材·教法，2007（5）：51-57.

[5]邢紅軍，陳清梅.原始物理問題測量工具：編制與研究[J].課程·教材·教法，2008（11）：59-63.

（欄目編輯 羅琬華）