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(福建省詔安縣邊城中學(xué)，福建 漳州 363500)

原始物理問(wèn)題作為一種真實(shí)、自然情境下的問(wèn)題，與傳統(tǒng)的物理習(xí)題有著顯著的區(qū)別，具有真實(shí)性、情境性、生成性、應(yīng)用性、綜合性、創(chuàng)新性等特點(diǎn)，與發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)有著高度的適切性。把原始物理問(wèn)題引入初中物理教學(xué)，必將促進(jìn)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的有效達(dá)成。

1 原始物理問(wèn)題的內(nèi)涵及特征

原始物理問(wèn)題是指在自然界以及生產(chǎn)生活中客觀存在的、未被分解、簡(jiǎn)化、抽象的，能夠直接反映最真實(shí)的物理生活情境的現(xiàn)象或問(wèn)題，其特點(diǎn)是：

(1) 它是對(duì)客觀現(xiàn)象的描述，沒(méi)有對(duì)現(xiàn)象作加工處理；

(2) 通常都是文字描述，沒(méi)有給出已知條件，其中隱含的變量、常量等均需要學(xué)生自己去設(shè)置；

(3) 沒(méi)有示意圖，解決問(wèn)題所需的圖需要學(xué)生自己畫(huà)出；

(4) 來(lái)自真實(shí)的生活情境；

(5) 具有趣味性，能引起學(xué)生的思考，并向?qū)W生提出智力挑戰(zhàn)；

(6) 不一定有唯一的答案，各種不同水平的學(xué)生都可以由淺入深地作答；

(7) 需個(gè)人或小組合作解決它。[1]

原始物理問(wèn)題與普通習(xí)題的關(guān)系如圖1所示，筆者通過(guò)典型的習(xí)題與原始物理問(wèn)題加以對(duì)比說(shuō)明。

圖1

習(xí)題1：有一成人系著安全帶坐在一輛以80km/h行駛的汽車(chē)上，懷里抱著一個(gè)6kg的嬰兒。在一次時(shí)長(zhǎng)為0.1s的撞車(chē)事故時(shí),成人需要用多大的力才能抱住這個(gè)嬰兒?

原始問(wèn)題1：有人認(rèn)為嬰兒由成人抱著坐在汽車(chē)?yán)锸呛馨踩模灰扇讼岛冒踩珟Ь托辛?。?qǐng)分析在發(fā)生撞車(chē)事故中，成人能抱住嬰兒可能性。

習(xí)題以真實(shí)的情境為背景，提供了各物理量的具體數(shù)據(jù)，學(xué)生只需將數(shù)據(jù)代入公式即可求解；原始物理問(wèn)題僅描述了真實(shí)情境，對(duì)相關(guān)物理量未作具體描述。兩者的問(wèn)題解決方式、方法等都不同，在考查學(xué)生的問(wèn)題解決能力和核心素養(yǎng)方面有著顯著的差異。

2 原始物理問(wèn)題教學(xué)與學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的適切性

2.1 原始問(wèn)題教學(xué)可以促進(jìn)物理觀念的形成

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等方面的基本認(rèn)識(shí)，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)。原始物理問(wèn)題未經(jīng)命題者精細(xì)的加工，保持著現(xiàn)實(shí)生活中物理情境的“原汁原味”。學(xué)生能否從物理學(xué)的立場(chǎng)審視這些真實(shí)情境，并抽象、概括出相應(yīng)的物理模型，取決于其頭腦中是否具備相關(guān)的物理概念和規(guī)律，是否根植了科學(xué)、合理的物理觀念。

2.2 原始問(wèn)題教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的提升

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：“要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題，根據(jù)問(wèn)題的需要，收集和選擇有用的信息，基于證據(jù)和邏輯對(duì)問(wèn)題作出合理解釋?！盵2]通常習(xí)題是經(jīng)過(guò)命題者充分、完整的模型設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置，學(xué)生在解題過(guò)程中僅需應(yīng)用相關(guān)的規(guī)律及公式，進(jìn)行演算推導(dǎo)即可得出正確的結(jié)論。學(xué)生對(duì)純化的物理問(wèn)題的訓(xùn)練機(jī)會(huì)較多，而在“收集和選擇有用的信息”“基于證據(jù)和邏輯對(duì)問(wèn)題作出合理解釋”等重要環(huán)節(jié)鍛煉的機(jī)會(huì)就少了。當(dāng)學(xué)生遇到真實(shí)問(wèn)題、原始問(wèn)題時(shí)會(huì)束手無(wú)策，無(wú)從下手。

習(xí)題2：某同學(xué)體重為500N，跳繩時(shí)平均起跳的高度約為10cm，每分鐘能跳75次，則該同學(xué)在跳繩過(guò)程中克服身體重力做功的功率是多少？

原始問(wèn)題2：請(qǐng)你估測(cè)跳繩時(shí)的功率。

從科學(xué)探究的角度來(lái)看，需要設(shè)計(jì)測(cè)量方案：(1) 學(xué)生先要把實(shí)際的情境與所學(xué)的物理知識(shí)相聯(lián)系，對(duì)跳繩過(guò)程進(jìn)行模型建構(gòu)，認(rèn)識(shí)到跳繩的過(guò)程為克服人體自身重力做功的過(guò)程；(2) 要測(cè)定出跳繩時(shí)克服重力做的功W和時(shí)間t；(3) 測(cè)量跳起的平均高度h是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，學(xué)生利用各種方法進(jìn)行了測(cè)量。如有同學(xué)先用記號(hào)筆在墻壁上標(biāo)出了刻度線(xiàn)，跳繩時(shí)請(qǐng)另外一位同學(xué)蹲在旁邊仔細(xì)觀察跳起的大致高度。有同學(xué)利用智能手機(jī)拍下跳繩過(guò)程的視頻，再利用“慢速回放”功能，能較清楚地看出跳起時(shí)能達(dá)到的刻度線(xiàn)。學(xué)生運(yùn)用多種方法、通過(guò)大量的測(cè)量比較，發(fā)現(xiàn)：跳繩較快的同學(xué)一般跳起的高度都比較低，大約在10cm左右，他們每分鐘大約能跳100多次。而跳得慢的同學(xué)，跳起的高度較高，一般可達(dá)20～30cm，每分鐘大約跳六十次；(4) 計(jì)算出功和功率，跳繩的平均功率在幾十瓦左右。

學(xué)生在解決這個(gè)原始物理問(wèn)題的過(guò)程中，經(jīng)歷了建構(gòu)模型—抽象概括—應(yīng)用知識(shí)—測(cè)定數(shù)據(jù)—進(jìn)行計(jì)算—得出結(jié)論—評(píng)估交流等環(huán)節(jié)，探究能力在整個(gè)活動(dòng)過(guò)程中得到了有效提升。

教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)原始物理問(wèn)題進(jìn)行探究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。如估測(cè)學(xué)生站立(行走)時(shí)對(duì)地面的壓強(qiáng)、估測(cè)在游泳時(shí)受到的浮力、估測(cè)在單桿上做引體向上時(shí)克服身體重力做功的功率、估測(cè)家用空調(diào)工作時(shí)的功率等，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題的過(guò)程中，經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂(lè)趣。經(jīng)歷科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等過(guò)程，提升學(xué)生的思維品質(zhì)與核心素養(yǎng)。

2.3 原始問(wèn)題教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：科學(xué)思維由模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素所構(gòu)成，[2]原始問(wèn)題的解決需要學(xué)生根據(jù)面臨的情境，通過(guò)假設(shè)、抽象、概括等獲得必要的數(shù)據(jù)，合理建構(gòu)物理模型，經(jīng)歷科學(xué)推理及科學(xué)論證的過(guò)程，最終解決實(shí)際問(wèn)題。一般習(xí)題的命制采用“掐頭、掐尾、留中段”的模式，通常側(cè)重于演算和推導(dǎo)等中間環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)是片面的、狹窄的。學(xué)生會(huì)通過(guò)套用模型和公式解題，而在實(shí)際問(wèn)題面前往往會(huì)不知所措。

在學(xué)習(xí)了“杠桿”知識(shí)后，可設(shè)計(jì)原始問(wèn)題：估測(cè)做俯臥撐時(shí)的功率，讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作。“俯臥撐”實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)克服自身重力做功的過(guò)程，但地面對(duì)手臂向上的舉力與身體的重力并沒(méi)有在同一直線(xiàn)上，兩者不是一對(duì)平衡力，大小并不相等。測(cè)量時(shí)要求學(xué)生具備轉(zhuǎn)換、建模的思維能力，將人體抽象成一個(gè)以腳尖為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿模型(圖2)，根據(jù)杠桿的平衡條件F舉L1=GL2，可求出舉力的大小。對(duì)于舉力通過(guò)的距離，學(xué)生通過(guò)觀察之后發(fā)現(xiàn)：該距離大約等于人上手臂的長(zhǎng)度h，因此克服自身重力所做的功為W=F舉h。測(cè)出1分鐘內(nèi)完成的俯臥撐總次數(shù)，求出總功，再除以時(shí)間，即可得出平均功率。

圖2

從“跳繩”到“俯臥撐”的原始問(wèn)題解決過(guò)程來(lái)看，學(xué)生在合理建構(gòu)克服重力做功、杠桿等物理模型的基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用功、功率、杠桿平衡條件等相關(guān)物理概念與規(guī)律測(cè)算出功率的大小。

初中生由于年齡的原因，思考問(wèn)題的方式往往會(huì)停留在“想當(dāng)然”之上，而模型建構(gòu)的過(guò)程必須經(jīng)歷“比較—分解—簡(jiǎn)化—抽象—理解—概括”等環(huán)節(jié)。學(xué)生思維能力的培養(yǎng)并不是一蹴而就的，而是必須經(jīng)歷一個(gè)由表及里、不斷深入的過(guò)程，原始物理問(wèn)題教學(xué)正是加快了這一進(jìn)程。[3]

2.4 原始問(wèn)題教學(xué)可促進(jìn)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感的養(yǎng)成

原始問(wèn)題教學(xué)可以在“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的養(yǎng)成過(guò)程中起到一定的作用，學(xué)生從物理學(xué)的視角觀察并發(fā)現(xiàn)自然界及生產(chǎn)生活中的相關(guān)問(wèn)題，可促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，在問(wèn)題解決的過(guò)程中也養(yǎng)成了他們的社會(huì)責(zé)任感。

筆者所在學(xué)校門(mén)口有一個(gè)地下過(guò)街通道，很多學(xué)生反映在經(jīng)過(guò)過(guò)街通道時(shí)，感到里面的空氣不流通、很悶。在學(xué)習(xí)了“流體壓強(qiáng)”之后，可引導(dǎo)學(xué)生去觀察、思考，解決原始物理問(wèn)題：如何應(yīng)用所學(xué)物理知識(shí)，改變地下過(guò)街通道空氣不流通的現(xiàn)狀？

學(xué)生通過(guò)合作學(xué)習(xí)的方式，應(yīng)用學(xué)過(guò)的物理知識(shí)進(jìn)行分析，因?yàn)檫^(guò)街通道兩邊與路面連通的引道中空氣流速基本相同，幾乎不存在大氣壓強(qiáng)差，故新鮮空氣無(wú)法灌進(jìn)過(guò)街通道。

如何使兩邊引道的空氣流速不同呢？學(xué)生提出了不同的方案，其中比較可行的是：可以在其中一邊引道的墻壁上設(shè)計(jì)一個(gè)凸形的浮雕(圖3)，讓空氣流過(guò)這一邊引道時(shí)流速加快，大氣壓強(qiáng)會(huì)減小。這樣便使兩邊引道的空氣由于流速不同而產(chǎn)生了壓強(qiáng)差，故而使空氣流通、穿過(guò)地下通道。同學(xué)們根據(jù)此方案整理成了一份調(diào)查報(bào)告和建議信，遞交給有關(guān)市政管理部門(mén)，得到了重視與落實(shí)，使學(xué)生獲得了參與市政建設(shè)的成就感。

圖3

3 結(jié)語(yǔ)

物理教學(xué)要從原始物理問(wèn)題出發(fā)，以現(xiàn)象為導(dǎo)向，以模型為載體，培養(yǎng)學(xué)生提煉模型、分析問(wèn)題、總結(jié)規(guī)律的能力。[4]在原始物理問(wèn)題的解決過(guò)程中，學(xué)生沒(méi)有現(xiàn)成的模型可用，也沒(méi)有相關(guān)題型經(jīng)驗(yàn)可借鑒，需要經(jīng)過(guò)綜合分析，建構(gòu)物理模型，設(shè)定和估計(jì)解題所需的物理量，再根據(jù)相關(guān)的物理概念、規(guī)律等進(jìn)行推理演算，得出結(jié)論。原始問(wèn)題教學(xué)對(duì)于學(xué)生物理觀念的形成、科學(xué)探究以及思維能力的培養(yǎng)、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的養(yǎng)成有著重要的促進(jìn)作用。