讓原始物理問題助力學科核心素養(yǎng)教育目標的達成

沈洪生

摘? ?要：原始物理問題來源于物理現(xiàn)象，其原生態(tài)特點能更大程度地培養(yǎng)中學生的物理能力和科學素養(yǎng)，有著普通物理習題所不具備的教育功能。就原始物理問題的概念及其與物理習題、情境類試題的區(qū)別與關聯(lián)進行分析，得出原始物理問題對中學生物理學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要性，對新課改背景下的中學物理習題教學改革有一定的指導意義。

關鍵詞：習題教學;原始物理問題;物理能力;學科素養(yǎng)

習題教學是高中物理課程中非常重要的教學環(huán)節(jié)。它可以有效地幫助學生加深和鞏固對物理知識的理解和應用，訓練并提高學生的思維能力，提升學生利用已學知識解決實際問題的能力。同時，它也是檢測學生對知識的掌握情況及達成的學科能力素養(yǎng)層級的主要手段和工具。

習題課堂，主體是學生，主導是教師，主角就是“題”了。給學生練習訓練的叫“習題”，還有用來考試、檢測、評價學生的叫“試題”。隨著素質教育時代的到來，一種叫“情境題”的試題日益得到推崇和廣泛使用。最新的《中國高考評價體系》也明確規(guī)定了要以“情境”作為高考的考查載體，以此承載考查內容，實現(xiàn)考查要求，選拔人才。這樣，情境試題今后在高考試題中大面積出現(xiàn)是為必然，以情境化命題來訓練和考查學生物理能力和學科素養(yǎng)的達成也將是一種主流手段?！霸嘉锢韱栴}”，是情境類試題的母本，對學生物理能力和學科素養(yǎng)的培育、檢測、評價功能更為強大有效，也更全面。

1? 何謂原始物理問題？它與物理習題的區(qū)別與聯(lián)系如何？

所謂原始物理問題，是指對自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理現(xiàn)象的描述[ 1 ] 。也就是人們對自然及客觀世界中直接看到的物理現(xiàn)象及對其的疑惑。它不同于物理習題，它沒有經(jīng)過任何的抽象加工，沒有設置任何的已知量、未知量，也沒有詳細的數(shù)據(jù)，它是一個真實的物理問題。

例如：

【龜兔賽跑】大家都熟悉“龜兔賽跑”的寓言故事，也都知道原先最被看好的矯健兔子最終輸給了行動緩慢的烏龜。請你利用所學的物理知識解釋一下兔子失敗的原因，并給它指導一下在哪些環(huán)節(jié)上如何做才可以穩(wěn)獲勝局。

【電風扇陰影】一臺雙葉電扇順時針轉動，在日光燈的照射下，出現(xiàn)了兩個扇葉靜止不動的陰影。則這時電扇的轉速是多少？若出現(xiàn)了雙葉片陰影緩慢地逆時針轉動，這時電扇的轉速略大（?。┯诙嗌賉 1 ]？

上述兩例就是典型的原始物理問題。它有別于課堂中那種中規(guī)中矩的物理習題，其重要特征就在于它沒有已知條件，沒有設置一些必要的物理量數(shù)據(jù)。只是一個原始物理情境再現(xiàn)，一個物理事件的描述，進而要求答者提出解決其中物理問題的一些方法和思路，然后進行建模、測量，指出應用哪些物理規(guī)律、物理公式求解出相應量以達到解決命題者提出的問題。

原始物理問題，它沒有已知量、未知量，需要學生根據(jù)需要去設定。而解決問題的方法思路是開放的、多維的，甚至是出現(xiàn)不定解的結果。在解題過程中學生需依據(jù)自身具備的物理知識，物理能力、綜合素養(yǎng)去完成問題的解決。

那么教師該如何指導學生對此類問題的作答并對其作答情況做出評價呢？

根據(jù)首都師范大學邢紅軍教授團隊關于原始物理問題教學研究的理論，原始物理問題的解決必須依以下7個表征狀態(tài)來對學生的解決問題能力進行測驗，即定向表征、抽象表征、圖象表征、賦值表征、物理表征、方法表征和數(shù)學表征。 [ 1 ]

下面以“電風扇陰影問題”為例進行解題分析。

（1）定向表征要正確。答題中要第一時間說出這是個“頻閃問題”，這是后續(xù)正確解題的大方向。實測中有不少學生錯誤地將其當成一個“視覺暫留問題”，方向錯了，問題肯定就無法得到正確解決。

（2）抽象表征。要把復雜問題依重點要素進行抽象簡化，建立理想化模型。本題評分標準是要求能指出“忽略一切阻力，光源只有日光燈，將電風扇陰影問題抽象為頻閃問題”。

（3）賦值表征。解答中按需要設置相關已知、未知量，比如電風扇的轉速為N，電風扇的角速度為ω，扇葉轉動的角度為θ，轉動的圈數(shù)為n，轉動的時間為t，等等。要能指出日光燈所用交流電的頻率為50 Hz。

（4）圖象表征。要能在解題過程中正確畫出相關的模型簡圖、過程分析圖、受力分析力、物理量關系圖象等。本題評分標準中要求畫出圖1中的三個圖：a.雙葉電風扇順時針轉動簡圖;b.雙葉電風扇在日光燈照射下出現(xiàn)兩個扇葉靜止不動的陰影;c.雙葉電風扇在某轉速下呈現(xiàn)逆時針轉動的陰影。

（5）方法表征。要在解題中體現(xiàn)出諸如分析法、分解法、比較法、演繹推理法等思想方法。

（6）物理表征。準確應用物理學科知識和物理公式解題。本題中主要有角速度與轉速的關系式ω=2πN和角速度公式ω=。

（7）數(shù)學表征。結合物理公式和關系式，進行合理的數(shù)學演算和推導，得出正確數(shù)量結果。

①因為日光燈用頻率為50 Hz的交流電為電源，且要在日光燈亮起來時，人們才能觀察到電風扇葉片位置及其在燈下的對應陰影。交流電頻率為50 Hz，日光燈的發(fā)光頻率為100 Hz，即每0.01 s日光燈發(fā)出一次光，頻閃周期為0.01 s。如果雙葉電風扇在0.01 s的時間內葉片正好轉過π，2π，3π， ……，nπ的角度，則人們總是能夠觀察到如圖b所示的靜止不動葉片陰影圖象。

θ=nπ （n=1，2，3，…）

ω== =100nπ（n=1，2，3，…）

又因為ω=2πN，

解得N== （圈/s） （n=1，2，3，…）

②當在日光燈下觀察到的電風扇葉片影子緩慢地逆時針方向轉動，如圖c所示，這表明在燈兩次發(fā)出光之間，葉片轉動的角度略小于nπ（n=1，2，3，…）

則θ<nπ （n=1，2，3，…）

又因為ω=2πN，ω=，t = 0.01 s

聯(lián)立解得N<50 n? （圈/s） （n=1，2，3，…）

所以當電風扇轉速略小于50 n 圈/s （n=1，2，3，…）時，就可以看到葉片影子緩慢地逆時針轉動的現(xiàn)象。

由以上解題分析可看出，對原始物理問題的解決，已不再是通常 “解：由已知條件可得……，再寫出公式，列出方程，代入數(shù)據(jù)解得結果”的套路了。而是要求學生首先要有扎實的學科知識儲備，正確認清問題定向，并發(fā)揮想象，抽象建構模型，再畫出分析圖表，設置或測定相關量值，綜合運用物理知識和物理規(guī)律、物理公式，通過精確計算或估算等手段來解決實際問題。圖2表明了習題解答只是原始問題解決表征層次的一部分。[ 1 ]

可見，要更加全面地培養(yǎng)中學生的物理能力，促進中學生的物理學科素養(yǎng)形成，實現(xiàn)物理學科育人目標。在物理習題教學中，應適時適量適度地引入原始物理問題。

2? 傳統(tǒng)習題課程在培養(yǎng)中學生物理學科能力和素養(yǎng)方面的短板

在高中新課程標準編制過程中凝練出了“物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任”的物理學科核心素養(yǎng)[2]。新課標要求高中物理課程必須圍繞高中學生的學科核心素養(yǎng)要求來開展，以實現(xiàn)“立德樹人”，培養(yǎng)出能真正解決實際問題、有創(chuàng)新品質人才的遠大育人目標。新課標的這個變化，對高中物理傳統(tǒng)習題課堂提出了新的要求。

長期以來，國內物理教育一直存在“題海戰(zhàn)術”現(xiàn)象，且愈演愈烈。這是因為，很多傳統(tǒng)的物理習題，學生在反復操練以后，就能記好背牢。在考試中遇到同類試題時，會很容易地套用一系列的“解題方法”來解出正確結果，獲得高分。但很多這樣的考生，可能成績優(yōu)秀，實際上并沒有修成真正意義上的學科素養(yǎng)，仍只是停留在“死記硬背”模式下形成的比較淺層的技能而已，也不會具有很高的物理學科能力。這樣的教育培養(yǎng)出來的多是屬于解得了習題，但解決不了問題的“非杰出”人才。所以有不少教育專家學者都在心疼地吶喊，“題海戰(zhàn)術”培養(yǎng)出來的是做題的機器，應對考試的機器，培養(yǎng)不出創(chuàng)新型人才的大器。這是因為，傳統(tǒng)的習題教學，給學生訓練、研究的習題，基本都是實證研究型的題目，非生態(tài)研究型題目。很多習題的情境是經(jīng)過命題者人為設置且有嚴格控制的條件并賦予已知量，因此結論是唯一確定的。這樣的特點導致學生在長期訓練之后形成了僵化的線性和決定性思維模式，而這恰恰是科學創(chuàng)造的大敵[ 1 ]。而原始物理問題則不同，圖3可以明顯地看出兩者的區(qū)別。

顯然，習題教學“掐頭去尾毀中段”，只側重圖3問題解決鏈條中虛線部分的演算、推導環(huán)節(jié)，致使學生只知道根據(jù)已知條件去解題，遇到實際問題則常常束手無策[ 1 ]。而原始物理問題則是因其只完成對原生態(tài)的物理現(xiàn)象進行描述，無條件、無已知量，要求學生要去觀察、分析、思考、建模、賦值、測量、計算、推導、總結等才能完成問題解決，充分發(fā)展了學生的物理能力。

3? 在高中物理習題課堂中引入原始物理問題教學的意義重大

（1）能更好地培養(yǎng)中學生的物理能力。真正培養(yǎng)出會解決問題的新型人才而不是培養(yǎng)僅會機械解題的普通人才。傳統(tǒng)物理習題、試題，已經(jīng)被過度理想化、模型化，無法完成對學生思維的全面訓練。有了原始物理問題的介入，才會真正還學生以觀察、分析、思考、建模、賦值測量等關鍵的學科能力訓練，提高科學素養(yǎng)。

（2）能在一定程度上強化對情境類試題的解題能力培養(yǎng)，助力高考獲取更好成績。情境類試題不是原始物理問題。因為不管它情境多新，現(xiàn)象講得多真實，最終它也是被命題者有意無意地模型化了，并設置了已知量、未知量，它也就是習題了，同樣不具備原始物理問題所具有的顯化學生思維品質的功能。有了原始物理問題的干預，可以訓練學生將原始問題抽象建模，賦以已知未知量后形成情境試題，也可以將情境題隱藏模型，減少已知條件，去掉已知量后，還原成原始問題。這樣即可全面培養(yǎng)學科素養(yǎng)，也可提高解題能力。將原始物理問題作為情境題的母本來設計，也是教師命制原創(chuàng)試題的一條有效途徑。

（3）能開闊學生視野，增強對物理的學習興趣和學習動力。楊振寧院士說過，現(xiàn)象是物理學的根源。而原始物理問題幾乎都是物理現(xiàn)象，引入這類問題的訓練，能有效消除學生對習題課的枯燥感和排斥心理。

綜上，在高中物理習題課教學中，應該注意優(yōu)化習題課程，強化習題情境化教學，適度引入原始物理問題。這樣，對培養(yǎng)學生的建模能力、科學思維能力和促進學生核心素養(yǎng)的形成具有關鍵作用[ 3 ]。 原始問題具有諸多普通習題不具備的教育功能，從原始物理問題角度來組織習題教學，會給中學生能力素養(yǎng)的培養(yǎng)提供一個新的視角，為有效培養(yǎng)能真正“解決問題”的新型人才教育目標提供一個新思路。

參考文獻：

[1] 邢紅軍.高中原始物理問題教學研究 [M].北京： 中國科學技術出版社， 2016.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017版） [S].北京： 人民教育出版社， 2018：4.

[3] 方文川.基于物理情境創(chuàng)設的習題課教學策略[J].福建基礎教育研究， 2020（5）.