基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理原始問題教學(xué)

施云芳

（杭州市余杭第二高級中學(xué)，浙江 杭州 311100）

一、從一個考題說起

浙江省2017 年11 月選考卷有這樣一個試題：

【例1】 如圖1 所示，照片中的汽車在水平路面上做勻速圓周運動，已知圖中雙向四車道的總寬度約為15m，假設(shè)汽車受到的最大靜摩擦力等于車重的0.7 倍，則運動的汽車

A.所受的合力可能為零

B.只受重力和地面支持力作用

C.最大速度不能超過25m/s

D.所需的向心力由重力和支持力的合力提供

簡單的應(yīng)試，這道題容易解析：汽車在水平馬路上做的是勻速圓周運動，合外力時時刻刻指向圓心，拐彎時靠靜摩擦力提供向心力，因此排除錯誤選項可以選擇C。如果我們的教學(xué)只止步于正確答案，那么學(xué)生的核心素養(yǎng)僅體現(xiàn)在物理觀念層面上，只是從運動和相互作用觀念的視角，初步解釋了汽車轉(zhuǎn)彎這一自然現(xiàn)象，而本題的核心問題“汽車轉(zhuǎn)彎的最大速度”仍然未得到解決，同時也錯失了培育學(xué)生物理核心素養(yǎng)的良好契機(jī)。

若進(jìn)行下一步追問“速度是不能超過25m/s 而不是15m/s”，那又該如何分析？根據(jù)得最大速度，需要知道轉(zhuǎn)彎半徑才能求出v。題目中指出雙向四車道總寬度15m，這就提示了應(yīng)該按照圖示比例來估算彎道的半徑。根據(jù)生活經(jīng)驗，觀測長度時會出現(xiàn)“遠(yuǎn)近高低各不同”的問題，但在同一橫線上，長度的比例大致相同。因此通過圖片橫向比較，可得彎道的半徑大約是車道總寬度的4 倍（如圖2），即彎道的半徑大約60m，求得v ＝20.5m/s。

本題通過生活經(jīng)驗也可以判斷：汽車的速度要是為25m/s，也就是為90km/h，假如問一個沒學(xué)過高中物理的司機(jī)：“以90 碼的速度在水平路面上轉(zhuǎn)彎可以嗎？”他一定會說：“這是危險駕駛，可能會向外側(cè)翻！”這說明司機(jī)可能不知道勻速圓周運動的物理知識，但根據(jù)生活常識他也能做出判斷，而15m/s 的速度相當(dāng)于在城市街道上正常行駛的速度，用這個速度進(jìn)行大轉(zhuǎn)彎行駛，認(rèn)為安全是有保障的。所謂“讀萬卷書行千里路”，生活經(jīng)驗的積累其實也是一種智慧。

本題以圖片的形式呈現(xiàn)了一個信息龐雜、客觀真實的情景，要求學(xué)生從中推算出汽車轉(zhuǎn)彎的最大速度，這使人想起20 世紀(jì)60 年著名的“照片泄密案”，據(jù)說日本人曾根據(jù)《中國畫報》封面刊出的圖3 這張照片，破譯了大慶油田的許多秘密并贏得商業(yè)先機(jī)。這些源自自然及社會生產(chǎn)生活中，且未被加工或很少被加工的物理問題，我們稱之為原始問題。

從【例1】中我們不難發(fā)現(xiàn)，原始問題有這樣一些特點：背景的客觀性，現(xiàn)象的復(fù)雜性，條件的隱蔽性，思維的多樣性，結(jié)果的開放性。正是原始物理問題的這些特點，解決原始的物理問題包括一些基本要素：如模型的建構(gòu)、科學(xué)的推理、科學(xué)的論證、質(zhì)疑與創(chuàng)新。因此，原始的物理問題對于培養(yǎng)高中學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，以及培養(yǎng)高中學(xué)生科學(xué)的思維方式有著獨特的教育價值功能。

二、原始物理問題的理論建構(gòu)

皮亞杰雙重建構(gòu)的理論指出：對知識的建構(gòu)過程是主體客體相互影響的過程，其中蘊(yùn)涵了雙向的建構(gòu)過程，通過環(huán)境中得到的信息提煉轉(zhuǎn)化成認(rèn)知的結(jié)構(gòu)框架，即內(nèi)化建構(gòu)的過程，而形成的認(rèn)知結(jié)構(gòu)能反過來作用于外部環(huán)境，即外化建構(gòu)的過程。在物理教學(xué)中，教師向?qū)W生傳授物理知識的過程，本質(zhì)上是一個認(rèn)識的內(nèi)化建構(gòu)過程，而后者外化建構(gòu)過程是讓學(xué)生用學(xué)過的物理知識來解決某些實際物理問題的過程。

在當(dāng)前的物理教學(xué)中，我們往往習(xí)慣把物理課程的內(nèi)容開展得井然有序，對學(xué)生可能出現(xiàn)的問題逐一警示勸誡，盡量不給學(xué)生在課后物理練習(xí)中留下疑點和難點，即對學(xué)生自己內(nèi)化建構(gòu)給予了足夠的重視。需要不斷強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生在聽講、解題、應(yīng)試等過程中，始終針對內(nèi)化建構(gòu)進(jìn)行活動開展。因為，傳統(tǒng)的物理習(xí)題往往是直接給出抽象、簡化的物理模型，偏向訓(xùn)練演算和推理，一般都會給出相應(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)方法即可以自行解決問題，這在很大程度上是模仿。顯然，外化建構(gòu)的過程被忽視了。

人的思維方式在學(xué)習(xí)中不斷提升，通過認(rèn)知的過程是把腦海里原有的固化模型被新的認(rèn)知打破平衡，產(chǎn)生了對認(rèn)知體系和方式的改變或是重組，從而讓原有的思考模式得到提升。物理教學(xué)中的習(xí)題和原始的物理問題有著一定程度的區(qū)別，通過前者物理習(xí)題的教學(xué)方法讓學(xué)生形成和鞏固為已有的正確的認(rèn)識水平，而后者提出的原始物理問題會激發(fā)學(xué)生聯(lián)系實際，修正已有的思維方式和水平，從而起到一個動態(tài)前進(jìn)的平衡狀態(tài)。原始物理問題的呈現(xiàn)方式是對周圍真實情景的具體描述，學(xué)生一般沒有現(xiàn)成效仿的原型，而某些已知條件又具有遮蔽性，需要自己聯(lián)系實際生活和常識，對觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析、評估來獲取，內(nèi)化自主的建構(gòu)實際的物理模型。從某種程度上說，我們進(jìn)行的傳統(tǒng)物理的習(xí)題教學(xué)是讓學(xué)生運用生活中經(jīng)驗知識來解決間接經(jīng)驗問題，而原始物理問題教學(xué)則是學(xué)生運用間接經(jīng)驗知識解決直接經(jīng)驗問題。解決原始的物理問題的過程也是學(xué)生達(dá)成內(nèi)化建構(gòu)和外化建構(gòu)相互統(tǒng)一的過程。

三、開展原始物理問題的教學(xué)策略

需要指出的是，【例1】命題也不能完全算是一個原始問題，試題給出的一些數(shù)據(jù)是學(xué)生通過生活經(jīng)驗可以獲得的，所給出的選項也是值得進(jìn)一步商榷。這也反映了命題者投鼠忌器的兩難境地心理，一方面期望能把學(xué)生真實的能力水平通過考試體現(xiàn)出來，能讓高考命題對中學(xué)物理的教學(xué)發(fā)揮引領(lǐng)方向的作用，因此采用通過原始的物理問題來取代傳統(tǒng)習(xí)題訓(xùn)練。但是這樣的方式會使得分率較少，成績不理想，進(jìn)而對中學(xué)物理的教學(xué)現(xiàn)狀造成很大的沖擊。而且【例1】命題是以選擇題的形式出現(xiàn)，有猜測得分的機(jī)會，掩蓋了會與不會的界線，不能反映解題思路，不利于綜合測量、評價等高層次目標(biāo)。

正是由于這兩方面的因素，原始物理問題內(nèi)在的教學(xué)價值易被忽視。但也正是【例1】這一命題思路給我們的教學(xué)一些啟示：可以在傳統(tǒng)習(xí)題與原始問題的互補(bǔ)中，尋找兩者之間互補(bǔ)的結(jié)合點，以提升習(xí)題教學(xué)的質(zhì)量。

（一）挖掘傳統(tǒng)習(xí)題中的核心素養(yǎng)要素，引導(dǎo)思維方式的轉(zhuǎn)變

強(qiáng)調(diào)原始物理問題的教學(xué)功能，并非否定傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)的重要作用。應(yīng)堅持發(fā)揮好傳統(tǒng)習(xí)題在幫助學(xué)生鞏固和加深知識理解、培養(yǎng)初步運用知識解決問題能力等方面的積極作用。同時，要努力挖掘傳統(tǒng)習(xí)題中的物理核心素養(yǎng)要素，改進(jìn)習(xí)題教學(xué)模式。

每個物理習(xí)題都會體現(xiàn)出某種物理本質(zhì)，在解決問題的同時還要考慮物理習(xí)題所體現(xiàn)的物理本質(zhì)，學(xué)會多角度多層次來思考問題，討論在不同的環(huán)境條件下解決問題的策略方案，還要聯(lián)系有關(guān)的物理現(xiàn)象，由單純的習(xí)題回到復(fù)雜的生活中，用學(xué)過的物理知識來解決實際生活中的問題，并逐步推移到更加寬廣的領(lǐng)域中，學(xué)到更多的東西。

【例2】（浙江2015 年10 月選考卷）為了從坦克內(nèi)部觀察外部目標(biāo)，在厚度為20cm 的坦克壁上開了一個直徑為12cm 的孔，若在孔內(nèi)分別安裝由同一種材料制成的如圖4 所示的玻璃，其中兩塊玻璃的厚度相同。坦克內(nèi)的人在同一位置通過玻璃能看到的外界的角度范圍是

A.圖a 的大于圖b 的 B.圖a 的小于圖c 的

C.圖b 的小于圖c 的 D.圖b 的等于圖c 的

本題似乎是一個傳統(tǒng)的習(xí)題，也與生活中的窺視鏡等實際問題緊密聯(lián)系。試題要求比較三種情形下的觀察范圍的大小，定性分析不難得出，圖a 的觀察范圍最大，而通過圖5 所示光路圖（圖中虛線部分表示玻璃磚平移后的光路）可知，圖b 與圖c 的觀察范圍相同，選項AD 正確。問題是解決了，但學(xué)生能從這一解析中學(xué)到什么？能否把所學(xué)到的遷移到新的問題情景中去解決問題呢？顯然難說。以上解析只是就題論題，并沒有抓住該題的物理本質(zhì)。該題所要體現(xiàn)的物理本質(zhì)是什么？可以從以下幾個層次來剖析：

①問題的表征：如何比較圖b 與圖c 兩種情形的觀察范圍大小？學(xué)生也自然會想到用作圖法來求解，但學(xué)生一般只會在原題圖中做出圖6、圖7 所示的結(jié)果。顯然，從兩圖的對比中是無法比較觀察范圍的大小。

②比較的方法：這就涉及到用比較的方法討論問題，即只有在共性的前提下才能比較出差異。只有把圖6 和圖7 合在一起，即如圖5 所示的情形，才能得出比較結(jié)果。然而，作為一個考題，要求學(xué)生在時間高度緊張的情況下做出這種思維選擇是不符合實際情況的。

③問題的實質(zhì)：本題所需要考查的物理本質(zhì)是什么呢？是相關(guān)性分析，即分析觀察范圍與什么因素有關(guān)？推而言之是平行玻璃磚對光線的偏折與什么因素有關(guān)？根據(jù)所學(xué)知識可知，影響平行玻璃磚對光線的偏折的因素有二：一是玻璃折射率，二是玻璃磚厚度，而與玻璃的前后位置無關(guān)，由此可得圖b 與圖c 的觀察范圍相同。生活中配眼鏡時會選擇鏡片材料折射率大一些以降低鏡片的厚度（重量）就是這個道理。

④基于智慧的解決策略：至此物理問題解決了，但還有沒有另外的思考角度呢？如果注意到題干中并沒有標(biāo)明“坦克內(nèi)部”是在玻璃的左側(cè)，還是右側(cè)，那么可以進(jìn)行如下推論：若觀察范圍與玻璃的前后位置有關(guān)，則左、右變換觀察點時，圖b與圖c的觀察范圍的大小關(guān)系是互換的，即是不確定的，這從命題邏輯上講是錯誤的，也就意味著圖b 與圖c 的觀察范圍是相同的。

（二）重視從原始物理問題向傳統(tǒng)習(xí)題轉(zhuǎn)換的訓(xùn)練

學(xué)生遇到原始問題時的困難，主要表現(xiàn)為面對一個信息龐雜、已知條件隱蔽的問題時，思維紊亂，缺乏程序化。因此，在教學(xué)中要重視從原始物理問題向傳統(tǒng)習(xí)題轉(zhuǎn)換的訓(xùn)練，讓學(xué)生的思維處于與信息、知識的多向流通和不斷碰撞中，促進(jìn)思維系統(tǒng)從量變到質(zhì)變，由無序逐漸演進(jìn)到新的有序。

從原始的物理問題出發(fā)，到物理習(xí)題的訓(xùn)練，其實牽涉到他們之間的關(guān)系，簡而言之這種外在的變換是通過原始的物理問題中提到的物理現(xiàn)象以及事實，用物理的語言描述、表征后，再用條件中給出的物理知識做出辨析，運用邏輯規(guī)律、簡化抽象等一些科學(xué)的思維方法進(jìn)行理想的模型化提煉，最終找出求解過程中需要用到的物理量作為已知條件，把求解的量和已知量之間的關(guān)系找出來，對潛在的結(jié)果和可能再進(jìn)行限定，得到難度適中的物理習(xí)題。

在課堂教學(xué)中，教師提出某個現(xiàn)象中的原始物理問題，讓學(xué)生簡化抽象成理想化的物理模型，并給出一些可以測量或計算的相關(guān)量，設(shè)計好適合研究的習(xí)題。通過這樣的方式讓學(xué)生抓住原始物理問題中的核心，從而培養(yǎng)學(xué)生篩選信息、分析問題、建立模型、解決問題的能力。剛開始使用原始物理問題時，可以多給定一些相關(guān)數(shù)據(jù)，以降低試題的難度。隨著教學(xué)的深入，可以逐步去掉所有的數(shù)據(jù)信息。

如在學(xué)過瞬時速度概念后，可以給出如圖8 所示是由高速攝影機(jī)拍攝的子彈穿過蘋果的照片，讓學(xué)生去設(shè)計方案，求得子彈的飛行速度？

①對象建模：雖然子彈飛行中有自轉(zhuǎn)，但為簡化問題，不研究轉(zhuǎn)動，可視為質(zhì)點；

②過程建模：由于曝光時間很短，豎直方向的運動和減速效應(yīng)可不考慮，子彈的運動可視為水平方向的勻速直線運動；

③挖掘信息：曝光時間內(nèi)子彈是否有位移？應(yīng)該有，但為何沒有顯示呢？因為曝光時間太短，子彈位移很小。子彈位移小到多少時照片上就顯示不出了呢？子彈前后錯開的距離大概為子彈長度的1%～2%，這時用肉眼就無法區(qū)分；

④估值：對于子彈的長度，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識，但可對比蘋果的幾何尺寸獲取，曝光時間則可查閱相關(guān)資料獲取，由此即可估算得子彈飛行速度。

⑤評估與反思：將求得的數(shù)值與通常情形下子彈的速度對照是否一致，如果不一致，則需要反思所建立的模型是否正確，所選取的數(shù)值是否合理，等等。

原始的物理問題中所涉及的物理量往往隱藏在真實的物理情境中，需要學(xué)生對信息分層辨析剝離出來，隨之物理的模型也會“破繭而出”。只有通過這樣的訓(xùn)練，學(xué)生才有可能真正了解物理建模的條件，深刻體會、理解物理模型的實質(zhì)，從而真正掌握建立物理模型的方法。近年來高考試題中出現(xiàn)了很多利用原始物理問題的素材對學(xué)生的物理核心素養(yǎng)進(jìn)行考察的題目，讓學(xué)生通過平時的訓(xùn)練感知學(xué)習(xí)物理的樂趣，在樂趣中掌握知識，并也能在高考的中贏得信心取得好成績。

四、結(jié)語

綜上所述，原始的物理問題既蘊(yùn)涵了普適物理規(guī)律的知識鏈，又承載了豐富的物理核心素養(yǎng)教育目標(biāo)，也體現(xiàn)著“從生活走向物理，從物理走向社會”的物理課程理念。把原始的物理問題作為物理習(xí)題教學(xué)的一項補(bǔ)充，它是提升物理教學(xué)的重要切入點，能使物理教學(xué)從傳統(tǒng)純粹的知識傳授模式中走出來，實現(xiàn)物理知識傳授與物理核心素養(yǎng)提升相結(jié)合，真正地促進(jìn)物理教育中核心素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。