(西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

科學(xué)教育是為了提高學(xué)生的核心素養(yǎng)、幫助學(xué)生理解與生活相關(guān)的事件和現(xiàn)象，而不僅僅是去獲得由具體事實和學(xué)科理論提煉出來的知識，核心素養(yǎng)是個體在面對復(fù)雜的、不確定的現(xiàn)實問題時能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的綜合品質(zhì)。在物理教學(xué)中，學(xué)生掌握的科學(xué)知識不是一些零散的理論和孤立的事實，理論與事實之間有著相互關(guān)聯(lián)。原始物理問題呈現(xiàn)未被加工的物理現(xiàn)象和事實，又涵蓋了諸多物理概念、規(guī)律等。原始物理問題與實際情境緊密聯(lián)系、符合核心素養(yǎng)中涉及的“復(fù)雜的、不確定的現(xiàn)實問題”，使得教育結(jié)果的應(yīng)用性增大。分析學(xué)生在原始物理問題解決過程中的行為、問題表征，可以更好地理解學(xué)生的思維方式、學(xué)習(xí)心理規(guī)律，分析學(xué)生問題解決中的思維發(fā)展過程，可以促進(jìn)原始物理問題的教學(xué)，進(jìn)而增強(qiáng)教育效率。

1 原始物理問題

現(xiàn)象是物理學(xué)之源，在生活生產(chǎn)或自然環(huán)境中總是客觀存在著能夠反映科學(xué)概念、規(guī)律本質(zhì)的現(xiàn)象，對這些尚未被加工的科學(xué)現(xiàn)象或事實進(jìn)行描述，就能夠產(chǎn)生原始物理問題。[1]原始物理問題中沒有明確的、可利用的條件，需要問題解決者對具體問題情境進(jìn)行抽象，并構(gòu)建物理模型、設(shè)置物理量，由此將原始問題轉(zhuǎn)化為物理習(xí)題，再加以解決。

例1：有一架由東向西飛行的飛機(jī)，請導(dǎo)出這架飛機(jī)上的感應(yīng)電動勢的表達(dá)式。

解析：在本題中，無需考慮機(jī)身的形狀，而將機(jī)翼抽象為桿狀導(dǎo)體，飛機(jī)由東向西飛行就可以抽象為一根長為L的桿狀導(dǎo)體由東向西切割地磁場(如圖1)，從而可以順利推導(dǎo)出該桿狀導(dǎo)體所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。

圖1

學(xué)生從自身已經(jīng)獲得的知識經(jīng)驗與當(dāng)前所面臨的問題相對比，提取與之匹配的源問題知識，設(shè)置可利用的物理量。機(jī)翼切割磁感線，地磁場強(qiáng)度設(shè)置為B，機(jī)翼看作桿狀運動導(dǎo)體、長度設(shè)置為L,運動速度為v。導(dǎo)體內(nèi)每個自由電子電荷量為e，會受到洛倫茲力，大小設(shè)置為Fm，導(dǎo)體內(nèi)自由電子所受電場力為F，導(dǎo)體內(nèi)電場強(qiáng)度為E。在通過抽象表征、賦值表征之后，將原始物理問題轉(zhuǎn)化為物理習(xí)題。

這是一道典型的原始物理問題。中學(xué)生需要對飛機(jī)飛行這個物理現(xiàn)象展開一系列表征，首先對物理現(xiàn)象進(jìn)行抽象表征，轉(zhuǎn)化成物理模型。在抽象表征過程中，學(xué)生需要決定舍棄什么、保留什么，抓住問題中的主要因素、隱蔽因素，忽略其中次要因素，將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ偷倪^程。

2 從原始問題到物理習(xí)題

原始物理問題不同于物理習(xí)題，原始物理問題是用文字呈現(xiàn)待解決的物理現(xiàn)象，其中沒有明確的、可直接利用的條件，問題解決者要自主抽象待解決的物理情境，并構(gòu)造物理模型、設(shè)置物理量，由此將原始問題轉(zhuǎn)化為物理習(xí)題，最后解答習(xí)題以達(dá)到問題的目標(biāo)狀態(tài)。原始物理問題和物理習(xí)題之間的轉(zhuǎn)變，就是將所獲得的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砹?xí)題。

學(xué)生面對待解決的物理現(xiàn)象，不僅從中獲取字面信息，還需發(fā)現(xiàn)其中的隱蔽信息，這就可能導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生思維障礙，導(dǎo)致問題表征不當(dāng)、產(chǎn)生錯誤的問題空間。此時學(xué)生要克服思維障礙，根據(jù)原有的知識經(jīng)驗擴(kuò)大問題空間，搜索與當(dāng)前問題相匹配的原型，利用該原型啟發(fā)式搜索有效信息，正確表征問題，并建構(gòu)模型、設(shè)置物理量，完成物理現(xiàn)象到物理習(xí)題之間的轉(zhuǎn)變，過程如圖2所示。

學(xué)生在面對原始物理問題時，因為問題的呈現(xiàn)方式與習(xí)題不同，其問題空間也會因人而異，有時會存在著先入為主的觀點、消極的或片面性的思維方式，抑或是不注意隱蔽因素等。

例2：地球周圍被一層很厚的空氣包圍著，這個空氣層叫大氣層。試推導(dǎo)出地球大氣層重量的表達(dá)式，用來估算地球大氣層的重量。

解析：這是一道典型的原始物理問題，如果學(xué)生僅分析文字信息，沒有直接可利用的物理量，易產(chǎn)生思維障礙。長時間不能解決該問題，學(xué)生會重新審視題目，尋求一種新的問題表征以試圖解決問題。[2]研究已知：學(xué)生對問題的表征受到以前知識經(jīng)驗的影響。在之前的學(xué)習(xí)和問題解決中，形成由若干事實、概念、規(guī)律以及物理學(xué)方法有機(jī)組成的物理知識組塊，這些知識組塊可以稱之為原型。[3]當(dāng)問題解決過程中出現(xiàn)障礙時，學(xué)生可利用原型擴(kuò)大搜索空間，展開高效的啟發(fā)式搜索，尋找隱蔽信息、克服思維障礙，正確表征問題。

傳統(tǒng)的物理習(xí)題是對物理現(xiàn)象進(jìn)行抽象加工之后直接給出具體的數(shù)據(jù)、條件，重視解決過程中的演算和推導(dǎo)，而原始物理問題強(qiáng)調(diào)重現(xiàn)物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生分析、提煉物理現(xiàn)象的能力，有利于學(xué)生發(fā)散思維的展開以及在生活中運用物理知識。

3 命制策略

(1) 合理提出與生活緊密聯(lián)系的原始問題，注意呈現(xiàn)信息不要過于直接明顯。

有研究表明：在解決問題的過程中，解決者通常根據(jù)問題本身及其提示的方式來表征問題，并且產(chǎn)生對應(yīng)的問題搜索空間。教師在培養(yǎng)學(xué)生物理思維時需要注意學(xué)生有效地發(fā)散思維，提出與生活實際密切聯(lián)系的物理問題，鼓勵學(xué)生嘗試解決新的事實，運用聯(lián)想、逆向以及統(tǒng)攝思維和謹(jǐn)慎的懷疑心去看待舊的認(rèn)知觀念。

(2) 多方位、多角度設(shè)置問題，適當(dāng)?shù)亟o予提示、類比遷移，以幫助學(xué)生。

在學(xué)生面對物理現(xiàn)象、存在思維障礙時，教師要鼓勵學(xué)生多角度看待問題，增大問題空間。教師根據(jù)物理問題給予提示、類比，以促進(jìn)學(xué)生克服思維障礙。[4]其中類比分為三種：地方類比，指針對其中某一個具體特征而言將參考問題和目標(biāo)問題直接進(jìn)行的類比；區(qū)域類比，在兩個相似領(lǐng)域中存在著相似性問題的類比；遠(yuǎn)程類比，指完全不同領(lǐng)域之間存在一些相似性從而進(jìn)行的類比。教師可以選擇性地提供不同的類比，協(xié)助學(xué)生在問題空間中搜索與之相匹配的原型，尋找可用的信息。

(3) 教師需要適當(dāng)鼓勵學(xué)生約束松弛，充分發(fā)揮物理思維的作用。

約束松弛，即釋放一些不必要的約束假設(shè)，進(jìn)而充分發(fā)散思維，尋找可能的解決策略。約束松弛是創(chuàng)造性問題解決中一個重要的組成部分，能夠幫助學(xué)生改變最初的無效的約束或者是改變學(xué)生對目標(biāo)狀態(tài)的不恰當(dāng)?shù)谋硎荆瑓f(xié)助學(xué)生克服思維障礙，以利于問題解決。[5]這些能幫助學(xué)生打破思維定勢，突破不必要的思維限制，擴(kuò)大問題搜索空間，尋找問題解決策略，由此培養(yǎng)學(xué)生問題解決能力。

4 結(jié)語

課本上的知識大多是間接經(jīng)驗知識，如果將科學(xué)概念和規(guī)律放在原始物理問題中，知識將更有生命力，體現(xiàn)出科學(xué)概念和規(guī)律的作用和功能。使用原始物理問題教學(xué)體現(xiàn)物理事實中的科學(xué)規(guī)律，而非獨立存在的知識。這可以使學(xué)生有效地學(xué)習(xí)科學(xué)知識，也能很好地培養(yǎng)學(xué)生的能力，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。使用原始問題要注意因材施教，不同學(xué)生的思維方式、能力水平不同，面對原始物理問題的思維方式也不同，通過學(xué)生的行為、問題表征，更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)心理規(guī)律，增強(qiáng)教育效果、提高學(xué)生核心素養(yǎng)。