運(yùn)用原始物理問題培養(yǎng)學(xué)生的表征能力

何謀仁

原始物理問題作為一種重要的物理教學(xué)資源，無論對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的解題能力，還是提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，都有積極的推動(dòng)作用，運(yùn)用原始物理問題對(duì)于培養(yǎng)和提升學(xué)生的表征能力效果尤為顯著。表征是客觀事物的反映，又是被加工的客體，指信息或知識(shí)在心理活動(dòng)中的表現(xiàn)和記載的方式。表征分為內(nèi)部表征和外部表征，內(nèi)部表征也叫內(nèi)隱表征，即在分析和理解問題的條件、要求、障礙的基礎(chǔ)上，在頭腦中形成整個(gè)問題的結(jié)構(gòu)。外部表征也叫外顯表征，即通過外部行為如作圖、批注、符號(hào)標(biāo)記、摘要排列和作圖示意等輔助內(nèi)隱表征的策略。本文主要在實(shí)驗(yàn)班運(yùn)用適當(dāng)?shù)脑嘉锢韱栴}作為教學(xué)案例，通過一定的教學(xué)策略、教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生的表征能力后，對(duì)比實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班物理成績(jī)，得出在高中物理教學(xué)中引入原始物理問題教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的解題能力和學(xué)科素養(yǎng)效果顯著。

案例：教師展示物理原始問題：某城市規(guī)定，卡車在市區(qū)行駛的速度不得超過40Km/h，一卡車在危險(xiǎn)情況下緊急剎車，在水泥地面上留下了一道筆直的黑色痕跡，此過程剛好被道路上方的電子眼錄下，假如你是交警，請(qǐng)判斷此卡車剎車前是否違章？

表征步驟一：找出問題所給條件和要求，通過標(biāo)記勾畫出來。

教師展示物理原始問題：某城市規(guī)定，卡車在市區(qū)行駛的速度不得超過40Km/h，一卡車在危險(xiǎn)情況下緊急剎車，在水泥地面上留下了一道筆直的黑色痕跡，此過程剛好被道路上方的電子眼錄下，假如你是交警，請(qǐng)判斷此卡車剎車前是否違章？

表征步驟二：找出思維障礙，做出批注。

從以上批注可以看出：學(xué)生的障礙有四處，這些障礙中既有物理知識(shí)方面的，也有其他行業(yè)規(guī)定的，我們采取的辦法是先讓同學(xué)之間交流討論，接著再?gòu)幕ヂ?lián)網(wǎng)上查詢解決。

老師：下面就第一個(gè)問題，緊急剎車是什么運(yùn)動(dòng)，大家發(fā)表一下自己的看法？

學(xué)生甲：我做過此類習(xí)題，緊急剎車可近似當(dāng)作勻減速運(yùn)動(dòng)處理。因?yàn)榭ㄜ噭x車后，車輪抱死，車輪與地面間是滑動(dòng)摩擦力，而滑動(dòng)摩擦力又是恒力。

學(xué)生乙：我聽爸爸說，還有一種剎車叫“點(diǎn)剎”，就是剎一下，松一下，如果是這樣的話卡車就不是勻減速了。

學(xué)生丙：“點(diǎn)剎”是在濕滑路面和有冰雪的路面上采用的剎車方式，題中給的是水泥路面，而且是緊急剎車，所以，我贊成甲同學(xué)的觀點(diǎn)

學(xué)生丁：如果裝了ABS呢？

其他學(xué)生：剎車原理是什么？什么是“抱死”？什么是“點(diǎn)剎”，它的原理是什么？什么是ABS，它的原理又是什么……

老師：同學(xué)們說得都很好，提出的問題也很有針對(duì)性，對(duì)于同學(xué)們提出的問題大家下去先查閱資料，我們后面再討論。現(xiàn)在，我們還是回到這個(gè)問題上來，我們解決物理實(shí)際問題，一般都要抓住問題的主要因素，忽略次要因素，這就是我們說過的物理模型，如果剎車時(shí)車輪是滑動(dòng)摩擦的，我們就可以按甲同學(xué)的說法將剎車過程建立勻減速直線模型，至于其他情況等同學(xué)們查閱資料后我們?cè)俜治觥?/p>

老師：下面我們來討論一下第二個(gè)問題，“黑色痕跡”怎么形成的，有多長(zhǎng)？

同學(xué)甲：就是車輪抱死后與水泥地面摩擦留下的劃痕。

其他同學(xué)：默許

老師：卡車一般有很多輪子，那么痕跡到底是哪個(gè)輪子摩擦留下的？

同學(xué)乙：應(yīng)該是前輪。

同學(xué)丙：還有后輪呢！

同學(xué)?。何艺J(rèn)為黑色痕跡的長(zhǎng)度應(yīng)該是后輪滑動(dòng)的距離加上前后輪的距離。

老師：很好，這樣我們就可以知道卡車剎車時(shí)滑過的位移大小了……

同學(xué)戊：用皮尺測(cè)量?；^的位移大小就是劃痕長(zhǎng)度減去前后輪距離，只要我們測(cè)出劃痕長(zhǎng)度和車的前后輪距離就知道了。

老師：下面我們看第三個(gè)問題，電子眼錄下了什么？

同學(xué)甲：剎車時(shí)間。

老師：很好，雖然電子眼可以錄下很多信息，但其中對(duì)我們來說，最主要的信息就是剎車時(shí)間。

同學(xué)乙：用剎停的時(shí)刻減去剎車開始的時(shí)刻就是剎車時(shí)間。

老師：這里“違章”的含義是什么，我上網(wǎng)查了一下，卡車違章主要包括：超重超載、超速、酒駕、疲勞駕駛、接打電話等。這里我們重點(diǎn)研究的是卡車剎車前是否超速？

同學(xué)丙：只要我們算出剎車前的速度，就知道卡車是否超速了。

老師：很好，如果將大家的意見綜合起來，這個(gè)物理問題就可以這樣表征：一輛做減速直線運(yùn)動(dòng)的汽車，在時(shí)間t內(nèi)行駛位移為x后停下來，問：卡車的初速度為多少，判斷該車是否超速？

同學(xué)：（開心輕松）

通過以上案例，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的表征能力，關(guān)鍵在于合理地引導(dǎo)、交流討論與建模。表征能力的培養(yǎng)一般可以按圖程序進(jìn)行。

總之，傳統(tǒng)物理教學(xué)訓(xùn)練學(xué)生的主要資源是以物理習(xí)題為主，這種訓(xùn)練對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的解題能力固然重要，但也有其局限性，因?yàn)樗盍蚜宋锢韺W(xué)的本真，物理學(xué)的本質(zhì)是物理現(xiàn)象和物理問題的解釋，物理習(xí)題是人為加工、模型化了的物理原始問題，它主要培養(yǎng)的是推理、演繹能力，而原始物理問題的教學(xué)對(duì)學(xué)生的能力培養(yǎng)是全面的、深刻的。本文嘗試運(yùn)用原始物理問題作為教學(xué)資源，通過適當(dāng)?shù)陌咐?，得出這種教學(xué)方式不僅對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理表征能力有一定作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在高中物理教學(xué)中引入原始物理問題教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的解題能力和學(xué)科素養(yǎng)也非常有幫助。

注：本文系2019年蘭州市個(gè)人教育課題《運(yùn)用原始物理問題培養(yǎng)高中生物理建模能力的研究》研究成果，課題立項(xiàng)號(hào)LZ[2019]GR1342。

編輯 王彥清