對原始物理問題科學(xué)思維價值的思考

王磊 侯恕

摘 ? 要：通過對一道初中物理習(xí)題的勘誤，并對不同學(xué)習(xí)階段、不同知識背景的學(xué)生進(jìn)行訪談與測試，發(fā)現(xiàn)不同學(xué)生對解決問題的推理與論證角度不同，物理習(xí)題所帶來的應(yīng)試思維阻礙了學(xué)生對問題的質(zhì)疑。原始物理問題的客觀真實(shí)性、生態(tài)性、隱蔽性、遷移性和開放性體現(xiàn)了其具有模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維價值。

關(guān)鍵詞：原始物理問題;物理習(xí)題;習(xí)題勘誤;科學(xué)思維

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）4-0017-3

培養(yǎng)問題解決能力是中學(xué)物理教學(xué)的目標(biāo)之一。問題解決的過程就是學(xué)生思維發(fā)展的過程。思維的發(fā)展又反過來促進(jìn)了學(xué)生問題解決能力的提升。以物理習(xí)題為主的紙筆測試是檢驗(yàn)學(xué)生物理學(xué)習(xí)水平的手段之一。物理習(xí)題是將物理現(xiàn)象進(jìn)行抽象、簡化、分解，經(jīng)人為加工出來的練習(xí)作業(yè)[1]。所謂“原始問題”是指自然界及生活、生產(chǎn)、科研中客觀存在的、未被加工的物理問題，也可以稱作實(shí)際問題[2]。原始物理問題具有契合學(xué)生直接經(jīng)驗(yàn)和間接經(jīng)驗(yàn)、促進(jìn)科學(xué)方法教育、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維、推進(jìn)物理高考改革的教育價值[3]。現(xiàn)有的物理習(xí)題大多只體現(xiàn)結(jié)果，很少體現(xiàn)思維過程。同時，學(xué)生對“標(biāo)準(zhǔn)答案”權(quán)威的迷信，使得尋求“正確答案”成為學(xué)生解決問題的唯一目標(biāo)。

筆者從一道物理習(xí)題測試出發(fā)，分析不同學(xué)習(xí)階段、不同學(xué)科知識背景學(xué)生的思考過程，并探討原始物理問題的科學(xué)思維價值。

1 ? ?習(xí)題評析

在2019年某市初中物理測試卷中，有這樣一道關(guān)于聲現(xiàn)象的習(xí)題：

放學(xué)了，小明站在路邊等小軍，小軍在后面追了上來并大喊了一聲“我來也”（圖1）。如果聲音在空氣中的速度變?yōu)?.1 m/s，則小明聽到的聲音應(yīng)該是“ ? ? ? ? ? ? ?”（選填“我來也”“我也來”“也來我”）。

以下是命題人給出的“標(biāo)準(zhǔn)答案”：

因?yàn)槁曀僭诳諝庵凶優(yōu)?.1 m/s后，人跑的速度就比聲速要快，所以，“也”字離小明最近，“來”字次之，“我”字離小明最遠(yuǎn)，最先到達(dá)小明耳朵的是“也”，則小明聽到的聲音應(yīng)該是“也來我”。

這是一道封閉式物理習(xí)題，命題人給出三個選項(xiàng)供學(xué)生選擇。學(xué)生選出正確答案并不困難。標(biāo)準(zhǔn)答案將“我來也”三個字分別看作三個速度相同但起點(diǎn)不同的運(yùn)動物體，分析聲音到達(dá)人耳的順序。該習(xí)題表面上在考查生活中的聲現(xiàn)象，但實(shí)際上給出解決問題的思路和分析物體的機(jī)械運(yùn)動并無差別。

2 ? ?測試與訪談

筆者將題目中的圖片、選項(xiàng)隱去，使本題看上去不像一個物理習(xí)題，而是一個物理問題，再分別對不同學(xué)習(xí)階段、不同學(xué)科知識背景的學(xué)生進(jìn)行測試并訪談。

文科碩士生X：“小明會聽到一個‘也字。我當(dāng)時還真看了一下題目的條件，但是只給了速度，并沒有給兩個人之間的距離，但我認(rèn)為肯定是有距離的，三個字會聽不太完全，能聽到幾個字我也不知道，所以我回答聽到最后一個字最保險。”

理科博士生Z：“我認(rèn)為是‘也來我。這道題將聲速降到這么低，小軍向前跑一定比聲音快，最后一個字肯定比第一個字先到耳朵里，有一點(diǎn)像戰(zhàn)斗機(jī)的音爆現(xiàn)象。做這道題主要依據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，更多可能是做題經(jīng)驗(yàn)吧?！?/p>

本科生M：“這讓我想到了多普勒效應(yīng)，或許答案應(yīng)該是‘也來我？我說出來都不太相信。我最先看到題目認(rèn)為既有人的移動，又伴隨著聲音的傳播，所以最先聯(lián)想到課本里的多普勒效應(yīng)，題目中假定了聲音的速度變化，從這個條件來看，答案應(yīng)該是‘也來我，但是這個答案挺奇怪的?！?/p>

初中學(xué)生G：“答案是‘也來我，這有什么好解釋的。其實(shí)我覺得沒什么好分析的，當(dāng)時第一反應(yīng)是把這三個字看作接力賽跑的三個人，‘也是最靠近終點(diǎn)的人，它們速度還一樣，所以‘也先到終點(diǎn)，依次排列是‘也來我?！?/p>

3 ? ?答案勘誤

筆者認(rèn)為，本題情境與現(xiàn)實(shí)中音頻倒放等效，再聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)上倒放的視頻發(fā)現(xiàn)：如果將一段正常對話的音頻倒放，我們聽到的對話并非逐個文字的倒序，而是一段混亂的雜音。這是因?yàn)槿私邮章曇魰r是以單個音節(jié)為單位，音節(jié)經(jīng)過人腦聽覺中樞處理后形成我們認(rèn)知的語言表達(dá)，正常情況下人聽到的“我來也”拼音為“wolaiye”，倒序并非“yelaiwo”而應(yīng)為“eyialow”。單個元音字母無論正放還是倒放都不會變化。在此過程中，我們還需要將音調(diào)進(jìn)行相應(yīng)變換，一聲和三聲不變，二聲、四聲互換。筆者錄制一段“我來也”音頻（圖2）并將其倒放，發(fā)現(xiàn)新音頻并非“也來我”（圖3）。筆者將“eyialow”這串拼音拼讀正好符合倒放的音頻（圖4）。

4 ? ?訪談結(jié)果分析

4.1 ? ?人為假設(shè)情境導(dǎo)致物理模型建構(gòu)錯誤

在該習(xí)題的情境中，命題人假設(shè)了一個不可能在現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)的條件：“聲速變?yōu)?.1 m/s”。命題人想創(chuàng)設(shè)一個聲源移動速度大于聲速的“音爆”情境，同時為了貼合生活，所以假定聲速很小。但這樣的條件是不會在現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)的，本題在一開始就給學(xué)生一個“虛假情境”的印象。學(xué)生只好將題目中的虛假情境關(guān)聯(lián)以前學(xué)過的知識，并轉(zhuǎn)化為熟知的機(jī)械運(yùn)動模型。但是，學(xué)生熟知的物理模型未必契合問題情境。在此過程中，學(xué)生利用間接經(jīng)驗(yàn)解決間接經(jīng)驗(yàn)問題，這也導(dǎo)致了在解答問題時并不會進(jìn)一步對問題展開思考并嘗試其他辦法驗(yàn)證結(jié)論。

4.2 ? ?學(xué)生解決物理問題的科學(xué)推理過程并不唯一

傳統(tǒng)問題解決研究傾向于信息加工理論，認(rèn)為大腦是以算法為基礎(chǔ)的編程計算機(jī)而運(yùn)作，信息輸入是序貫過程，對問題的解決是一個線性過程。綜合訪談內(nèi)容來看，解決物理問題的科學(xué)推理路徑并不唯一，過程也并非完全線性。測試對象在解決問題時都不同程度上進(jìn)行了類比推理，物理知識背景深厚的學(xué)生更多將問題情境類比所學(xué)物理知識，物理知識背景略淺的學(xué)生更多將問題情境類比生活現(xiàn)象。伴隨學(xué)習(xí)的不斷深入，學(xué)生科學(xué)推理水平也呈現(xiàn)出從定性到定量的變化。

4.3 ? ?學(xué)生解決物理問題的科學(xué)論證角度并不唯一

綜合訪談內(nèi)容，筆者認(rèn)為解決物理問題的科學(xué)論證依據(jù)包括：物理知識經(jīng)驗(yàn)、生活經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

物理知識經(jīng)驗(yàn)：具有物理學(xué)相關(guān)知識背景的博士生及本科生分別聯(lián)想到與自身學(xué)科相關(guān)的“音爆”“多普勒效應(yīng)”。文科碩士生長期不接觸物理相關(guān)知識，對于這樣一個情境信息較少的物理問題，第一反應(yīng)是無法作答，但通過理性分析也得出部分答案。

生活經(jīng)驗(yàn)：初中生剛接觸物理學(xué)不久，還不太會利用物理思維分析問題，不擅長用數(shù)學(xué)的手段處理問題，更多的是從生活實(shí)際展開聯(lián)系，尋找可以類比的生活現(xiàn)象進(jìn)行作答。

技術(shù)經(jīng)驗(yàn)：筆者認(rèn)為，既然問題情境符合音頻倒放的邏輯，便可以利用音頻處理軟件的技術(shù)手段來得出答案，并驗(yàn)證其真?zhèn)巍?/p>

4.4 ? ?應(yīng)試思維限制了學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力

筆者將題干中的選填內(nèi)容再度添加之后呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生不約而同地選擇“也來我”作為本題答案，同時部分學(xué)生認(rèn)為既然已經(jīng)得出“正確答案”就意味著這個問題得到了解決。這說明，學(xué)生面對物理習(xí)題時習(xí)慣以應(yīng)試的思維去尋求答案，并認(rèn)為答案是唯一且正確的。“做題經(jīng)驗(yàn)”“回答最后一個字最保險”等話語無不體現(xiàn)學(xué)生應(yīng)試思維的根深蒂固。筆者向受訪者分享了關(guān)于本題音頻倒放的手段后，受訪者表示標(biāo)準(zhǔn)答案確實(shí)有誤，但對于一道習(xí)題不必細(xì)究，做出“正確答案”就好。經(jīng)由題海戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練出來的學(xué)生，往往呈現(xiàn)出一種思維定式，即學(xué)生用既定條件求解命題人所期望的標(biāo)準(zhǔn)答案。學(xué)生抱著解決物理習(xí)題的心態(tài)是不能很好地解決物理問題的。這也正是很多學(xué)生可以又快又好地解出一道習(xí)題卻不能處理一個實(shí)際問題的原因之一。

5 ? ?審視原始物理問題的科學(xué)思維價值

對于一道物理習(xí)題，脫離現(xiàn)實(shí)場景的題目條件可能導(dǎo)致答案同樣脫離現(xiàn)實(shí)，預(yù)設(shè)的選項(xiàng)導(dǎo)致學(xué)生思維受限。原始物理問題具有客觀真實(shí)性、生態(tài)性、隱蔽性、遷移性和開放性等特點(diǎn)[4]，因此，也具有模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維價值。

5.1 ? ?原始物理問題具有模型建構(gòu)的價值

原始物理問題的客觀真實(shí)性、生態(tài)性與隱蔽性的特點(diǎn)決定了其具有培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的科學(xué)思維價值。原始物理問題教學(xué)與物理學(xué)科關(guān)鍵能力培養(yǎng)都指向素養(yǎng)的真實(shí)學(xué)習(xí)[5]。真實(shí)學(xué)習(xí)要求物理問題符合真實(shí)情境。原始物理問題是對物理現(xiàn)象進(jìn)行描述所形成的問題，充分符合真實(shí)情境，而傳統(tǒng)的物理習(xí)題更多注重演算和推導(dǎo)。原始物理問題與哪些物理概念及規(guī)律相關(guān)，要選用何種物理模型都是相對隱蔽的。學(xué)生解決原始物理問題第一步就是從物理現(xiàn)象、物理實(shí)例出發(fā)，表征問題并建模分析。

5.2 ? ?原始物理問題具有科學(xué)推理和科學(xué)論證的價值

原始物理問題具有知識運(yùn)用的遷移性的特點(diǎn)決定了其具有科學(xué)推理和科學(xué)論證的價值。學(xué)生將原始物理問題通過模型建構(gòu)為物理問題后，需要通過知識和方法的有效遷移對問題進(jìn)行科學(xué)推理。原始物理問題不僅需要學(xué)生運(yùn)用歸納、演繹、類比等推理邏輯解釋生活現(xiàn)象，更需要學(xué)生運(yùn)用多種科學(xué)推理手段找出規(guī)律解決物理問題，這是對物理知識到實(shí)際問題的遷移運(yùn)用。學(xué)生還可以親身體驗(yàn)，親自動手，設(shè)計實(shí)驗(yàn)，甚至可以利用技術(shù)軟件，通過實(shí)踐來驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。學(xué)生應(yīng)當(dāng)學(xué)會如何科學(xué)地檢驗(yàn)結(jié)論、評價現(xiàn)象。學(xué)生在解決原始物理問題的過程中，其科學(xué)推理能力和科學(xué)論證也將得到鍛煉。

5.3 ? ?原始物理問題具有質(zhì)疑創(chuàng)新的價值

按照問題的組織程度可以把問題分為結(jié)構(gòu)不良問題和結(jié)構(gòu)良好問題[6]。原始物理問題具有不明確的目標(biāo)、條件和解答，是一類結(jié)構(gòu)不良的開放性問題。學(xué)生構(gòu)建模型并進(jìn)行推理論證的過程也是一個不斷質(zhì)疑創(chuàng)新的過程。這有利于學(xué)生跳出習(xí)題解決的思維定式，促進(jìn)學(xué)生問題解決能力和質(zhì)疑創(chuàng)新能力的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]邢紅軍.原始問題教學(xué)：物理教育改革的新視域[J].課程·教材·教法，2007，27（5）：51-57.

[2]于克明.談“原始問題”與能力培養(yǎng)[J].大學(xué)物理，1997，16（5）：44-46，27.

[3]邢紅軍，陳清梅.論原始物理問題的教育價值及其啟示[J].課程·教材·教法，2005，25（1）：56-61.

[4]王靜，邢紅軍.論原始物理問題的特性及其教育功能[J].物理教師，2004，25（8）：39-42.

[5]陳彬.原始物理問題教學(xué)與學(xué)科關(guān)鍵能力培養(yǎng)統(tǒng)整推進(jìn)的價值探尋[J].中學(xué)物理，2021，39（14）：5-8.

[6]趙瑩.基于問題解決的科學(xué)思維培育策略[J].物理教師，2020，41（1）：23-26.

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）