馬朱林

(蘇州實驗中學 江蘇 蘇州 215011)

基于原始物理問題的課堂教學實踐初探
——以“運用牛頓運動定律解決問題1”的教學為例

馬朱林

(蘇州實驗中學 江蘇 蘇州 215011)

傳統(tǒng)習題教學由于過分強調(diào)程序與計算、熟練與技巧等應試策略而忽視了物理思想的分析，其教育弊端已日趨顯現(xiàn)．而原始物理問題則以“物理現(xiàn)象”為核心，注重“對物理直覺的認識、分析、判斷”和“對原始問題的分解、簡化、抽象”的能力培養(yǎng)，提升學生“做學問”的科學素養(yǎng)和思維品質(zhì)．筆者以“運用牛頓運動定律解決問題1”為課例將“原始物理問題”的教學思想付諸于課堂教學實踐，形成此文，以饗讀者．

原始物理問題 牛頓運動定律 教學實踐

楊振寧教授很早就對我國的傳統(tǒng)物理教學提出過質(zhì)疑，他將美國的物理教學定義為“歸納法”，將我國的物理教學歸結為“演繹法”，前者注重學生“做學問”的素養(yǎng)培養(yǎng)，而后者注重的是“學考試”的技能培訓，兩者間最本質(zhì)的區(qū)別就在于后者僅僅是“授之以魚”，而前者是“授之以漁”．趙凱華先生也曾明確提出，在我們的教學中，同一物理問題，既可以把原始物理問題提交給學生，也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學模型后提交給學生，而我國的學生往往獲得的是后者而非有血有肉的物理現(xiàn)象，缺少了將原始問題轉化成抽象問題的過程培養(yǎng)，所以在遇到原始問題時往往會不知所措．

“原始物理問題”是指在自然界及生活、生產(chǎn)、科研中客觀存在的未被加工的物理問題，其具有客觀性、復雜性、條件的隱蔽性、思考問題的多端性等．而這些特性恰恰是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、辯證思考、提煉要點、建立模型等科學素養(yǎng)和創(chuàng)新思維培養(yǎng)的最佳素材和契機，具有極強的教育功能和價值．

原始物理問題可從以下途徑取材：

(1)從學生的直接經(jīng)驗中尋找情景；

(2)挖掘新聞報道、科普書籍、視頻資料中富含物理知識的問題；

(3)將日常生活生產(chǎn)用具中的物理知識提取成物理問題；

(4)從物理實驗中選取物理問題．原始問題的編制需要遵循科學性、探索性、開放性、趣味性．

原始物理問題較傳統(tǒng)習題教學有眾多優(yōu)點，其教育功能與價值已為眾多專家、學者推崇．“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，實踐是踐行理論的最好方式，教學效果是檢驗教學理論的唯一標準．為此，筆者以人教版必修1“運用牛頓運動定律解決問題1”為課例進行基于原始物理問題的課堂教學實踐．

1 教材內(nèi)容的重新整合

教材中，本節(jié)內(nèi)容的編寫比較簡單，編寫意圖單一，僅僅是“正交分解法處理簡單的兩類動力學問題”的解題方法介紹，所列舉的例題亦是抽象化了的物理模型，這與原始物理問題的教學初衷是不一致的．為此，筆者在保留知識目標不變的基礎上對教材內(nèi)容作了重新整合，摒棄了教材中的原有例題而原創(chuàng)了3個更顯原始性、情景化、趣味性、開放性的原始問題展開課堂教學．

【例1】在繞地正常運行的天宮一號中如何測量物體的質(zhì)量？

【例2】在湖南衛(wèi)視綜藝節(jié)目《爸爸去哪兒》第一季中，田亮等5名演員和孩子們到寧夏沙漠進行滑沙比賽．其中一場為田亮、田雨橙父女與張亮、天天父子兩組從同一高度的沙坡頂端滑下(圖1)，結果是田亮、田雨橙父女組滑行距離最長，贏得比賽．很多觀眾認為田亮和田雨橙父女身體較輕，所以滑行距離就長．你的觀念呢？請運用你所學物理知識解釋．

圖1 從沙波項端滑下

【例3】請同學們自行設計實驗，測量出木塊和玻璃板之間的動摩擦因數(shù)．

可選用儀器：帶定滑輪的木板、多塊相同玻璃板、木塊、重錘、天平、刻度尺、彈簧測力計、秒表.

2 運用原始物理問題的開放性拓展學生的思維空間

大部分傳統(tǒng)習題無論是解題方法還是習題答案具有唯一性，這不僅限制了學生的思維發(fā)散，束縛了學生創(chuàng)造力的開發(fā)，而且很容易造成學生思維的單一性，缺乏思維的融會貫通，抑制了學生思維遷移能力的發(fā)展，達不到“舉一反三”的思維深度．開放性的原始物理問題，由于問題指向不明確、過程策略多途徑、答案結論多樣性，再加上學生認知水平差異和問題思考的切入點不同，必然會呈現(xiàn)出各式各樣的方法、思路和答案，達到了“百家爭鳴、百花齊放”的效果．開放性原始問題不僅能促進學生思維的發(fā)散，而且能培養(yǎng)學生多角度、多層面認識、思考、解決問題的能力．

盡管該法對于大部分高一學生而言因不具備簡諧運動的知識而很難理解，但該生的行為將極大地激發(fā)其他同學對物理學科的興趣和對物理知識的渴求，同時也向學生展示了物理學知識、方法的相互聯(lián)系和連貫性，促使學生多方向、多角度、多層面開放型思維習慣的養(yǎng)成和“大膽猜想、小心求證”的科學精神的培養(yǎng)．為了驗證學生所提方案的可行性，筆者播放了“太空課堂”中關于測量宇航員聶海勝質(zhì)量和利用彈簧振子測量質(zhì)量的視頻．

在討論例3時，學生通過分組研討，學生充分發(fā)揮各自的聰明才智、群策群力，自主選擇、自行設計，展示出多種實驗設計方案，盡管其中有些方案不盡完善，甚至是錯誤的，但對學生的思維鍛煉和興趣培養(yǎng)起到了應有的作用．學生通過方案展示、設計說明、實驗演示，最終選出兩種設計合理、操作性強的方案，而這兩種方案恰恰是運用牛頓運動定律解決多過程問題中最經(jīng)典的模型．

圖2 方案1附圖

圖3 方案2附圖

3 利用原始物理問題的趣味性激發(fā)學生的學習興趣和熱情

興趣是學生最好的老師．當學生對研究的問題具有濃厚的興趣和好奇感時，其內(nèi)部動機就會被激發(fā)，產(chǎn)生認知內(nèi)驅力，學生會積極主動的對原始問題進行探索、研究并從中得到深刻的啟示和能力的鍛煉．即使在探索過程中遇到困難，學生會憑著自己的熱愛和執(zhí)著堅持到底，培養(yǎng)了學生“不破樓蘭終不還”的毅力和意志品質(zhì)．與傳統(tǒng)習題中的木塊、小球等冷冰冰的模型相比，情景豐富、形象生動的原始物理問題更具趣味性和吸引力，更加受到學生歡迎．

當筆者將例2的題目和視頻一一呈現(xiàn)時就瞬間抓住了學生的眼球．學生不僅對視頻中的綜藝游戲興趣盎然，更為游戲中所蘊含著豐富的物理現(xiàn)象和物理問題而驚嘆萬分，對問題的探究如饑似渴，無需筆者的任何提點和敦促，全班同學都主動地組成合作小組商討研究問題，按照原始問題的研究程序進行模型建立、方法提煉、方程建立、數(shù)學演算、結論對比修正．看到學生興致如此濃郁，討論如此激烈，演算如此專心，盡管課堂教學有時間限制，筆者也不忍打斷．由此可見，趣味性的原始物理問題對學生的吸引是無窮盡的，既激發(fā)了學生的好奇心和求知欲，培養(yǎng)了學生解決實際問題的能力，對學生科學素養(yǎng)的提升也不無裨益．

4 利用原始物理問題的探索性提升學生分析解決問題的研究能力和科學素養(yǎng)

物理就是發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的學科，“探索”貫穿于物理學的全部發(fā)展歷程．學生在直面高度情景化的原始物理問題時，所看到的僅是事物的表象，與物理本質(zhì)之間還存在著較大的差距，需要學生通過對表象的信息內(nèi)容進行簡化提煉，“去偽存真、去粗取精”，使得信息內(nèi)容條理化、模型化，使得問題更顯物理化，更接近問題的物理本質(zhì)．這個過程不僅需要學生具有較強的閱讀能力、概括提煉能力，還需要敏銳的洞察力和對問題的思辨能力．整個探究過程能讓學生切身體驗科學探究方法，提升學生建模、推理、演算的研究能力．

筆者所設計的3個原始問題具有很強的探索性，無論是知識容量、方法容量還是思維容量都比較大，不屬于“套公式”類問題，對學生的能力要求較高．問題1中，學生首先要清楚“完全失重”的含義和動力學特征，這樣才能確切理解“完全失重環(huán)境中無法用彈簧測力計等直接測量物體重力”的原因．在“完全失重環(huán)境中用彈簧測力計直接測量物體的重力”的思路不成立后，學生只能另辟蹊徑，從其他的角度“另起爐灶”重新探索有效方法．例1的“能力培養(yǎng)點”為拓展探究思路的能力培養(yǎng)．例2中，學生探究的關鍵點是對“游戲情境”的抽象概括建立“物理模型”，培養(yǎng)學生“物理建?！钡哪芰Γ畣栴}3，通過學生實驗方案的設計、可行性論證、實驗演示、誤差分析等讓學生熟識、體驗物理問題的實驗探究程序和方法，讓學生對探究有著從感性到理性更深層次的認識和理解．

學術爭論就是思維火花的碰撞，是探究的重要方式之一． 在進行問題1探究時，學生就彈簧測力計、桿秤等能否在完全失重狀態(tài)下測量質(zhì)量引發(fā)了很大的學術爭論．

教學片斷：

生甲：在太空中可以使用彈簧測力計測力的大小，比如，用手拉彈簧，依然可以測量拉力大小．

生乙：彈簧測力計在太空中可以測量拉力大小，但是無法測量物體的重力，因為物體在太空中處于完全失重狀態(tài)．

生甲：完全失重又不是說重力消失．

生乙：對，重力依然存在，但是物體對彈簧測力計的拉力為零.

生甲：如何證明？

生乙(學生走到黑板前板書)：我們現(xiàn)在無法到太空中做實驗，但是，我們知道無論是地球表面還是太空中，完全失重的概念和規(guī)律沒有發(fā)生變化．比如在地球表面，做自由落體運動的物體處于完全失重狀態(tài)，加速度為g．太空環(huán)境與地表自由落體環(huán)境類似，均處于完全失重狀態(tài)．假設物體除了受重力外還受到彈簧測力計豎直向上的拉力T，根據(jù)牛頓第二定律可知mg-T=ma，因為a=g，所以T=0，彈簧測力計對物體的拉力為零.

通過以上的學術爭論，能更好地辨析和深刻理解物理概念和規(guī)律，拓寬了學生思維的廣度，培養(yǎng)了學生多角度、多層次思考問題的能力，提升了學生的思維品質(zhì)，強化學生的思辨意識，提升學生的科學素養(yǎng)．

5 利用原始物理問題的科學性培養(yǎng)學生科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度

物理學本身就是一門科學、嚴謹?shù)目茖W體系，其包含的定理、定律、定義等既要經(jīng)得起邏輯推理和數(shù)學證明，同時又要經(jīng)得起實驗驗證和實踐檢驗．所以，原始物理問題的編制就必須要以事實為依據(jù)、科學為準繩，學生通過建模、理論探究得到的結論必須要與事實或實驗相符才行．

筆者在本節(jié)課的問題設置過程中均選擇了科學、嚴謹?shù)脑嘉锢韱栴}進行課堂教學．如在進行例1的探討時，學生提出根據(jù)牛頓運動定律來測量質(zhì)量．盡管該方案從原理上是行得通的，但是，在實際實驗的操作上，部分學生還是持懷疑的態(tài)度．本著“眼見為實”的科學態(tài)度，筆者通過播放視頻展示我國宇航員王亞萍、聶海勝在天宮一號中運用牛頓第二定律的原理測量聶海勝的質(zhì)量時，學生不僅驚嘆于同學的精妙設計，還見證了基礎物理理論在高尖端科技中的應用，激發(fā)了學生學習物理的熱情，堅定了學好物理的信心．

當然，將原始物理問題抽象為物理模型時，必然要“抓住問題的主要矛盾，忽略次要矛盾”，尤其是在高中物理的教學時，建立的模型多以理想模型為主，這樣會致使根據(jù)模型演算出的的結論和事實之間存在一定的誤差．例如，在例3方案2的實驗過程中，學生發(fā)現(xiàn)，在斜面坡度不同的情形下，即使滑塊從同一高度由靜止下滑，其在水平方向的位移也是不一樣的，計算出的結果也不相同，學生對此提出了疑問．又如，在引導學生探究滑沙問題時，學生抽象出的模型忽略了空氣阻力和因沙坡表面的松軟程度不同而導致的摩擦因數(shù)不同的區(qū)別等．筆者在教學過程中并沒有回避學生的疑問，而是肯定了學生會觀察肯動腦的探究精神，并借此引導鼓勵學生利用課余時間去實驗室通過實驗找出方案2產(chǎn)生的誤差原因和沙坡表面松軟程度是否影響動摩擦因數(shù)的探究．讓學生感受到科學的嚴謹性，提升學生發(fā)現(xiàn)問題、用批判的思想分析問題的能力，拓寬學生的探究思路，端正學生科學、嚴謹、實事求是的科學態(tài)度．

6 結束語

物理定理、定律源于生產(chǎn)生活，也必將用于解決生產(chǎn)生活中的實際問題，即原始物理問題．由于大多數(shù)高考題和傳統(tǒng)習題對答案的定量化和唯一性要求，所以在物理課堂教學中很難出現(xiàn)以原始物理問題為背景的習題研究，基本上以現(xiàn)成的物理或數(shù)學模型作為研究對象呈現(xiàn)給學生，學生學會的只是解題的方法而非解決問題的策略和思想，對物理的認識也僅僅是一堆木塊、斜面、小車等模型和大量物理公式的堆砌，而非一個有血有肉、生氣盎然、既豐滿又層次感十足的有機體．過量的傳統(tǒng)習題教學禁錮了學生的思維發(fā)展，降低了學生的思維品質(zhì)，容易使學生形成思維定勢和思維惰性，所以，我們大力提倡在物理教學中進行原始問題的探究，將原始物理問題有機地融合在課堂教學中，甚至在不改變教學目標的前提下，按照原始物理問題設計的要素對教材內(nèi)容重新整合，在學習評價中注重解決原始物理問題能力的考查，將“提升學生解決實際問題的能力”和“提升學生的思維寬度與品質(zhì)”作為物理教學的能力目標，筆者想，我們培養(yǎng)出的學生不僅“高分”，而且“高能”，讓學生對物理富有感情，這是每個物理教育工作者所追求的．

1 邢紅軍.物理教學論.北京：北京大學出版社，2015.10

2 石堯，何平.關于原始物理問題編制的理論探索.物理教師，2016(1)

3 楊振寧.楊振寧文集.上海：華東師范大學出版社，1998

4 馬朱林.合理引導、激發(fā)學生實驗創(chuàng)新的潛能.物理教師，2015(5)：17

2016-08-31)