解決原始問題 培養(yǎng)科學思維和科學探究能力

李學平

摘 ? 要：新課標和高考評價體系都提出要加強學生解決實際問題能力的培養(yǎng)。結(jié)合邢紅軍教授的自組織表征理論，提出解決實際問題應經(jīng)歷模型建構(gòu)、邏輯推理、實驗探究三個階段，并結(jié)合具體的例子闡述如何通過解決問題強化物理觀念，培養(yǎng)科學思維和科學探究能力，落實物理核心素養(yǎng)。

關鍵詞：原始問題；科學思維；科學探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2023）7-0006-3

新課程背景下高中物理教材和高考試題有一個顯著變化就是貼近現(xiàn)實生活和科技前沿的實際問題的比重大幅度增加，這是因為培養(yǎng)學生解決實際問題的能力既是物理教學的出發(fā)點，又是物理教學的歸宿點。這就要求教師能夠轉(zhuǎn)變教學觀念，改變教學策略，尋求解決實際問題的方法，從而達到通過教學提高解決問題能力的目的。

１ ? ?解決問題，落實物理核心素養(yǎng)

實際問題就是自然界及社會生產(chǎn)和生活中客觀存在的，但未被加工的原始物理問題［１］。依據(jù)邢紅軍教授提出的自組織表征理論（簡稱 ＳＯＲＴ），解決原始物理問題需要經(jīng)歷定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征、方法表征、物理表征和數(shù)學表征七個過程［２］。這七個表征過程又分為兩個階段，第一階段需要結(jié)合生活經(jīng)驗，應用所學物理知識和方法經(jīng)歷定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征把實際問題通過建立物理模型抽象成物理習題；第二階段需要經(jīng)歷物理表征、方法表征、數(shù)學表征過程，應用物理規(guī)律和數(shù)學知識進行邏輯推理得出結(jié)論，即解答物理習題過程。但是，原始物理問題屬于自然科學研究范疇，應該遵循伽利略提出的自然科學研究方法，把邏輯推理和科學實驗有機結(jié)合起來，所以還需要有第三個階段即科學實驗作為補充，為邏輯推理過程尋找證據(jù)。現(xiàn)結(jié)合實際例子闡述如何分三個階段解決問題，培養(yǎng)學生能力，落實物理核心素養(yǎng)。

【案例】 很多人都有晚上躺在床上玩手機的習慣，并且有突然被手機砸醒、甚至人臉被砸傷的經(jīng)歷，試分析人臉為什么會受傷？

１．１ ? ?第一階段：抽象問題建立模型，培養(yǎng)建模能力

思路：原始物理問題是對物理現(xiàn)象的描述，與習題相比較，原始問題只有現(xiàn)象，沒有“抽象”，只有描述，沒有“數(shù)據(jù)”，需要學生依據(jù)現(xiàn)象，通過定向表征明確方向、抽象表征建立模型、圖像表征畫出過程、賦值表征設置物理量，把物理現(xiàn)象變成物理模型。通過模型的建構(gòu)不僅突破了解答原始問題最關鍵的一步，還能培養(yǎng)學生的建模能力。

（１）定向表征

定向表征是根據(jù)問題對現(xiàn)象的描述，結(jié)合已有知識和經(jīng)驗，判定問題研究的大致方向。根據(jù)生活經(jīng)驗判定，手機下落后與人臉碰撞產(chǎn)生很大的作用力使人臉受傷，從而確定是一個力學問題。

（２）抽象表征

抽象表征是明確研究對象，抓住問題實質(zhì)，突出主要因素，忽略次要因素，把研究原型轉(zhuǎn)化為理想物理模型。該問題涉及手機的下落和碰撞兩個過程，手機下落過程雖然受到空氣阻力作用和轉(zhuǎn)動，但對研究問題影響不大，所以把下落過程看成是質(zhì)點的自由落體運動，同時把手機與人臉的碰撞過程看成質(zhì)點與人臉的碰撞。需要建立的模型有：①質(zhì)點自由下落；②質(zhì)點與人臉碰撞。

（３）圖像表征

圖像表征是將抽象的物理模型轉(zhuǎn)化為形象的物理圖像過程，為進一步解決問題做好鋪墊［３］。如圖１（ａ）所示，畫出自由下落過程（B→C）和碰撞過程（C→E）。

（４）賦值表征

賦值表征是根據(jù)解決問題的需要，結(jié)合物理模型，設置恰當物理量。本題的自由落體運動和碰撞過程都是動力學問題，需要力和運動的相關物理量。需要設置的物理量有：①手機受到的重力為ｍｇ；②豎直下落的高度為ｈ；③手機落在人臉時的速度為ｖ；④手機自由下落的時間為ｔ１；⑤手機落在人臉上到靜止下來的時間為ｔ；⑥人臉對手機的平均沖擊力為Ｆ；⑦手機對人臉的平均沖擊力為Ｆ′。

１．２ ? ?第二階段：邏輯推理形成結(jié)論，培養(yǎng)科學推理和質(zhì)疑創(chuàng)新能力

思路：通過模型的建立把原始物理問題變成物理習題，接下來就需要學生通過方法表征明確研究方法、物理表征選擇解題規(guī)律、數(shù)學表征推導相應結(jié)論，在這個過程中不僅能夠鍛煉學生的邏輯推理能力，還能夠培養(yǎng)質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

（１）方法表征

方法表征是明確問題解決過程中需要用到的物理方法。手機下落過程忽略空氣阻力和手機的旋轉(zhuǎn)，看成自由落體運動，用到理想化方法；手機與人臉碰撞過程，由于作用時間短，把手機和人臉相互作用的變力看成恒力，用到近似法。

（２）物理表征

物理表征是確定問題解決需要用到的物理概念和規(guī)律。本題是動力學問題，通過受力分析發(fā)現(xiàn)兩個過程都是勻變速直線運動，可以設置不同的物理量選用牛頓運動定律方法、能量方法和動量方法中的任意一種方法求解，做到一題多解。解答過程為：

B→C：質(zhì)點做自由落體運動，需要求得手機落在人臉時的速度v，有三種解法。

解法一：運用運動學公式，v=gt1或2gh=v2；

解法二：運用動能定理，mgh=mv2-0；

解法三：運用動量定理，mgt1=mv-0。

C→E：質(zhì)點做勻減速直線運動，人臉對手機的平均沖擊力為Ｆ，有兩種解法。

解法一：運用運動學公式，F(xiàn)-mg=ma，v=at；

解法二：運用動量定理，（mg-F）t=0-mv；

由牛頓第三定律得：Ｆ＝Ｆ′。

（３）數(shù)學表征

數(shù)學表征是根據(jù)列出的方程，利用數(shù)學知識推導出相關結(jié)論的過程。結(jié)合公式，進行數(shù)學運算求得：Ｆ′=+mg，發(fā)現(xiàn)作用力的大小跟手機質(zhì)量、下落高度、碰撞時間都有關。

１．３ ? ?第三階段：科學探究尋找證據(jù)，培養(yǎng)科學探究能力

思路：自然科學研究方法應該是邏輯推理和科學實驗的有機結(jié)合，所以邏輯推理還需要科學實驗為其尋找證據(jù)。隨著實驗軟件的開發(fā)，手機就是一個移動的電子實驗室，使用手機就可以完成很多實驗，不僅方便、快捷、效果明顯，還能激發(fā)學生的探究欲望，培養(yǎng)科學探究能力。根據(jù)生活經(jīng)驗知道手機對人臉的沖擊力是很大的，但不清楚究竟為多大，還需要在推導出表達式的基礎上設計實驗獲得相關數(shù)據(jù)。天平可以測出手機質(zhì)量為m=0.2 kg，由于手機和人臉作用的時間很短，傳統(tǒng)實驗方法無法測量，利用手機傳感器Pｈｙｐｈｏｘ軟件就能解決問題。

（１）實驗操作

如圖１（ｂ）所示，人平躺在床上，把手機舉在頭頂正上方，保持手機水平且正面朝下，打開手機里面的Pｈｙｐｈｏｘ軟件，選擇“加速度（不含ｇ）”，點擊開始按鈕，自由釋放手機，當手機落在人臉后，點擊手機上暫停鍵實驗結(jié)束。

（２）圖像處理

選擇“ｚ軸線性加速度-時間”圖像，并標出一些點的時間和加速度坐標，如圖１（ｃ）所示。

（３）數(shù)據(jù)分析

ＡＢ段：手機離開手的過程，時間間隔很短，幾乎可以忽略不計。

ＢＣ段：手機自由下落過程，時間為ｔ１＝０．１５ ｓ，重力加速度約為ｇ＝９．９３ ｍ／ｓ２，h==11.2 cm。

ＣＥ段：手機與人臉碰撞過程，時間為ｔ＝０．１１ ｓ。將測得的物理量代入表達式Ｆ′=+mg，求得手機對人臉的平均沖擊力為Ｆ′＝２．３ｍｇ≈４．６ Ｎ。

Ｄ點：手機具有向上的最大加速度，由牛頓第二定律Ｆｍａｘ-mg=ma，可得此時手機對人臉的最大沖擊力為Ｆ ′ｍａｘ＝Ｆｍａｘ=７．１ｍｇ≈１４．1 Ｎ。

實驗結(jié)論：手機雖然不重，但給人臉的平均沖擊力為手機重力的２．３倍，最大沖擊力卻為手機重力的７．１倍，所以手機掉下來人很容易受傷。

點評：通過上述的解答，學生從物理學的角度追根求源找出人臉受傷的原因，實現(xiàn)了生活體驗和物理知識的有機結(jié)合，讓學生進一步認識到躺在床上玩手機的危害性，從而改掉這個壞習慣。

２ ? ?總 ?結(jié)

原始物理問題相對一般的物理習題雖然難度更大、能力要求更高，但是通過原始問題教學，讓學生經(jīng)歷科學思維與科學探究過程，不僅能夠解決問題，還能強化物理觀念，培養(yǎng)科學思維和科學探究能力，落實物理核心素養(yǎng)。通過解決原始問題體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的思想，使學生認識到學習物理的目的不是解題而是解決問題，體會到學習物理是有用的，從而激發(fā)學生學習物理的興趣，探索物理的奧秘。

參考文獻：

［１］陳清梅，邢紅華，趙艷嶺，等．原始物理問題教學——大學物理教學的新取向［Ｊ］．首都師范大學學報（自然科學版），２０１８，３９（５）：２９－３３．

［２］陸永華．基于原始物理問題研究視角反芻高考題［Ｊ］．教學月刊·中學版（教學參考），２０１４（４）：６７－７０．

［３］翟彥芳，邢紅軍．從習題到原始物理問題：物理關鍵能力培養(yǎng)的有效途徑［Ｊ］．物理教師，２０２２，４３（５）：８０－８３．

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）