基于原始物理問題提升高中生構建物理模型能力的相關理論探討論文

　　（一）原始物理問題

　　1．原始問題的定義

　　趙凱華先生在《我國赴美物理研究生考試（CUS—PEA）歷屆試題集解》序言中指出：“在我們的教學中，同一物理問題，既可以把原始的物理問題提交給學生（有時可以同時給一些提示，或者通過一系列小問題引導學生去思考整個解決問題的途徑）；也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的數學模型后提交給學生。習慣于解后一類問題的學生，在遇到前一類問題時，往往會不知所措。”13據此，我們把物理問題分為兩大類：一類叫做“原始問題”，另一類稱作“抽象問題”也就是通常所說的習題。（關燕）

　　所謂“原始”從字面意思可以理解為，最開始，最初的狀態，“原始問題”即為問題初始的本身。筆者通過查閱文獻發現對于原始物理問題的定義有很多，本文采用邢紅軍教授對于原始物理問題的定義：所謂原始物理問題，是指自然界及社會生活、生產中客觀存在能夠反映物理概念、物理規律本質且未被加工的典型物理現象和物理事實。（書）

　　與原始物理問題對應的是物理習題，也被稱為抽象問題，抽象問題是指從實際問題中分解、簡化、抽象，經人加工出來的物理問題。也有人稱為“概念題”———為鞏固物理概念（包括規律）而編選的問題（談“原始問題”與能力培養 于克明）

　　確切地說，原始物理問題的表述形式是對物理現象的描述，原始物理問題大多數是采用文字的形式呈現物理現象（劉利），沒有物理習題中常有的已知量、未知量。而物理習題則是把物理現象經過一定程度抽象后加工出來的練習題（書，4），兩者的關系如下圖所示

　　從圖中我們可以出來原始物理習題的區別與聯系，物理習題常常忽略前面的部分，側重圖中虛線部分的演算與推導環節，需要設置的物理量，已經被編寫習題的人員設置完成，學生只需根據習題中的已知條件就可解題，這使得學生在遇到實際的問題時常常束手無策，不知道從何入手。相比而言，原始物理問題一般采用文字敘述的方式呈現物理現象，沒有物理習題中給定的條件，學生需要根據原始物理問題中呈現的情境，通過假設、分析等手段自行設置解題需要用到的物理量，進而構建物理模型，解決問題。（書，4）

　　下面通過兩道題目來體會原始物理問題與物理習題的區別：

　　例題1：如圖，排球

　　如圖排球場總長為18m，設網高度為2。25m，運動員站在離網3m線上正對網前跳起將球水平擊出．設擊球點的高度為2。5m，試問擊球的速度在什么范圍內才能使球既不觸網也不越界？

　　例題2 排球運動在各類體育運動項目中很常見。請你通過定量推導說明，排球的發球速度在什么范圍內，才能保證發球時排球既不觸網又不越界。

　　例題1雖然在呈現的方式上聯系了現象，但卻提供了完備的已知條件，其實它并沒有提供給學生完整而真實的問題情境，（廖建平）顯然它是一道物理習題

　　例題2沒有提供任何物理量，學生需要通過抽象，簡化，假設等方法提取信息，設置解題所需的物理量，并運用物理知識解決問題。所以它是一道反映真實物理現象的原始問題。

　　2．原始物理問題與物理習題的對比分析

　　通過對原始物理問題與物理習題的定義的分析，討論，我們把原始物理問題與物理習題的區別整理如下

　　原始物理問題物理習題

　　來自真實的生活情景一部分來自真實的生活情景，一部分是對了考察學生對物理知識的掌握程度設置的非生活情景的習題

　　是對物理現象的描述，沒有對物理現象進行抽象不是對現象的描述，二是對現象進行抽象、簡化

　　基本是文字描述，通常不會給定已知條件，其中隱含的常亮、變量需要學生自己設置。雖然也是文字的描述，但所有已知條件都已給出，不需要學生自己去設置

　　通常沒有示意圖，問題解決的示意圖，需要學生自己通過分析畫出解題所需要的圖像一般題中已經畫出，不需要學生自己畫出

　　對學生來說不是常規的，很難靠簡單的模仿來解決對學生來說是常規，可以通過簡單的模仿解決

　　具有趣味性和魅力，能引起學生的積極思考和向學生的智力發出挑戰通常枯燥乏味，主要訓練學生知識的掌握程度

　　具有開放性，不一定有唯一的答案，不同學生會有不同的思路，可以由淺入深的回答封閉性較強，通常答案唯一

　　解決它需要伴以個人或者小組活動個人解決，不需要小組合作

　　（廖建平）

　　雖然當前的物理習題不斷在向真實的物理現象靠攏，但是物理習題提供的完美詳細的物理量數據是習題最大的弊端，它限制了學生的想象和抽象思維，以至于學生那種透過現象抓住事物本質的能力不能顯現出來。學生在遇到問題時，常常習慣用系統的理論工具按部就班地進行詳盡的計算，卻不能啟發、頓悟式地變換方法來解決問題。而原始物理問題則是把問題解決所需要的物理量隱藏在文字描述的真實物理情景中，并沒有直接呈現給學生，因此學生想要解決問題，就離不開對想象進行綜合的分析，自己通過假設、抽象等手段自行設置需要的物理量，構建模型，然后解決問題（書，143）與物理習題相比原始物理問題更能促進學生構建物理模型的能力，具有較高的可行性。

　　3．原始物理問題的特點

　　通過與物理習題的對比，發現原始物理問題具有如下特點：

　　（1）開放性

　　大多數的物理習題，不管是解題方法還是習題答案都具有唯一性，解題思路封閉性強，這在很大程度上限制了學生的思維，導致學生常常不會舉一反三思考問題的廣度和深度都得不到很好的鍛煉，思維死板，定勢，創造力低下，而原始物理問題彌補了這一缺點，（馬朱琳）首先，原始物理問題的取材具有開放性，不僅僅限于物理教材，（王少靜）習題冊，更多的貼近學生的實際生活，聯系生產、生活的實際，以科學技術為背景，不僅可以擴寬學生的視野，而且縮短了物理知識與實際生產、生活的的距離（王少靜）。其次，原始物理問題的問題指向不明確，答案不唯一，那么學生解題過程的策略將呈現多途徑，答案結論具有多樣性，再加上，不同認知水平的學生思考問題的切入點、深度不同。所以必定呈現多種多樣的解題方法，解題策略和解題途徑。達到了，“百家爭鳴，百花齊放”的效果。

　　例如：在繞地正常運行的天宮一號中如何測量物體的質量？題目中沒有提供任何物理情景，物理現象和物理量，學生不能像物理習題那樣依據已知條件，運用思維定勢解答問題，不同認知水平的學生會有不同的切入點和突破口。學生會對此問題產生激烈的討論，有的學生可能會說用彈簧測力計、天平等直接測量出物體的重力，再換算成質量，顯然此種方法在天宮一號中無法實現，這也暴露了學生在學習中對知識理解的偏差，學習程度好點的同學會意識到這種錯誤，提出反駁并解釋其錯誤的原因。有的同學可能會在頭腦中搜索關于質量的公式，從而提出用牛頓第二定律求質量，或是利用彈簧振子做簡諧運動的周期公式求解，還可能提出利用阿基米德原理通過浮力求解質量，方法之多，思路之廣，體現了原始物理問題開放性的特點。

　　開放性的原始物理問題使學生從多角度，多方面，多層次的認識問題、思考問題。能很好的訓練學生的發散思維，而學生物理模型構建的核心就是科學思維的運用，顯然原始物理問題在促進學生物理模型的構建方面有重要的意義與作用。

　　（2）客觀、真實、生態性

　　原始物理問題的背景來自生產、生活中真實的問題情景，（侯立建）來源于現實世界客觀存在的問題，是對現實世界的真實反映。（關燕。廖建平）具有客觀、真實性。原始物理問題的表現形式是對現象的描述，其中沒有已知量，對問題不進行任何的加工處理，，信息具有復雜性和豐富性，因此保持著問題情景的原始特點，而習題則是把物理現象進行抽象、簡化經人為加工出來的練習作業，所有已知量都給出，這一區別表明原始物理問題是生態化的而習題則缺乏生態性客觀真實性是原始物理問題的根本特性（關燕）它讓學生感受到物理知識與生活實際的聯系，深切體會物理知識對于社會生產，人民生活的巨大作用和意義。

　　比如在例2中，呈現是一個客觀存在的真實問題情景，有效的信息和干擾信息同時存在（關燕）學生需要在復雜紛擾的信息中提取出對解答本題有用的信息，并對信息進行梳理和加工，在這個過程中學生提取、加工、處理信息的能力也得到了鍛煉。

　　（3）科學性。

　　物理學本身是一門嚴謹、科學的學科，其中包含的定義、定理、定律既要經得起邏輯的推理和數學證明，也要經得起實驗的驗證和實踐的檢驗（馬朱琳，科學性）。原始物理問題反映的物理概念、物理規律是具有科學性的。原始物理問題的編制也是以事實為依據，以科學為準繩，學生通過分析建模得到的結論要符合事實。

　　（4）趣味性

　　興趣是學生最好的老師，學生面對問題有強烈的好奇心和興趣時，就會激發他們的內部動機，產生認知驅動力，主動的去探索、探究問題。（馬朱琳）原始物理問題貼近學生的生活，與社會生產、生活、緊密聯系，是自然界或是科學研究、現代科技的某個真實問題情景，這就使原始物理問題融入了大量有趣味性的感性材料，客觀真實的反映日新月異的科技社會，讓學生感受物理生動鮮活的一面，產生對物理的興趣，并激發學生的好奇心和求知欲，從而調動學生的積極思維去探尋物理的奧妙，在解決問題時，學生體會到物理知識的力量，（廖建平）感受到物理知識對于科技發展的重大作用，從而使直觀興趣，逐步上升發展成操作興趣，理論興趣（廖建平）。舉例如下：

　　在寵物商店買了熱帶魚后，商家一般都會將魚放在裝有水的塑料袋里，方便你將它帶回家。如果你將裝有一條魚且沒有打開的塑料袋直接放入家里的養魚缸中，那么圖示的各種情況中，哪種最有可能發生？說明理由（原理與問題。常曉慧）

　　解析：本題選自《原理與問題》第１３章“物質的狀態”章末評估習題的１１５題，主要考查本章第三節中浮力的知識，魚可以通過改變魚鰾的大小改變所受浮力，從而使浮力（排開水的重力）與魚自身的重力相等，塑料袋內水的重力與塑料袋排開水的重力相等，忽略塑料袋自身的重力，最可能的情況是養魚缸與塑料袋內的水線齊平。

　　本題來源于學生的生活，學生比較熟悉，也有買魚回家的經歷，這樣就很容易喚起學生的興趣和求知欲，激發學生的內部動機，通過積極思維運用物理知識解決實際問題，同時也能培養學生熱愛生活，善于觀察周圍事物現象的良好習慣，愿意積極體驗生活，思考問題、分析問題的習慣。 （常曉慧）

　　物理習題常常是結構良好的模型化情境，剔除了生活情境中豐富趣味性的因素，只留下有利于鞏固物理概念、物理知識的條件，（李夢夢）雖然學生能很快從中找到問題的答案，但是卻使習題缺乏物理學科的趣味性，變得枯燥無味，也不利于促進學生物理模型的構建。

　　（5）隱蔽性

　　原始物理問題是現實世界的客觀反映，具有客觀真實性，從而就會表現出物理條件與相互關系的隱蔽性和知識的遷移性（關燕，廖建平）問題與條件的聯系不明確（侯立建），問題應該與什么知識發生聯系，應該運用哪些物理概念，物理規律，應該建立什么樣的物理模型。這些都隱蔽在原始物理問題中，學生并不能一目了然，需要學生在復雜紛擾的信息中對信息進行綜合考慮，概括、抽象提取出問題與條件的聯系。對物理問題在頭腦中有清晰的圖景。學生對已掌握的物理概念、物理規律進行有效的遷移才能解決問題。

　　4．原始物理問題的解決過程

　　在問題解決研究領域，自20世紀80年代，人們就開始以物理學科知識為例構建問題表征理論。所謂問題表征，是指人們根據問題所提供的信息和自身已有的知識經驗，發現問題的結構，構建自己的問題空間的過程，也是把外部的物理刺激轉變成內部心理符號的過程。概括起來，表征是貫穿問題解決的一個動態過程，它涵蓋了從呈現問題到解決問題的全過程。（書27）

　　在物理問題表征研究中，著名的物理教育家、美國華盛頓大學的麥克德莫特和拉金于1978年第一次提出了物理問題解決的表征理論。他們認為問題解決者解題時通常有四個表征步驟：第一步是關于問題陳述的文字表征；第二步為樸素表征，在該表征中含有問題所提及的物體，相互的空間關系以及整個問題情景的概括，這也是對真實世界的表征，在問題中描繪了真實世界的物體，所以稱其為“樸素”表征；第三步為物理表征，該表征中含有理想化的物體以及相應的物理概念，如，力、動量和能量等，該步驟與解決問題的方法有關，并且是產生數學表征的必要基礎；第四步是數學表征，即將物理表征的各物理量用方程的形式表現出來。（28書）其中文字表征和樸素表征屬于外部表征的范疇，物理表征屬于內部表征范疇。（侯建芳）侯建芳在其碩士論文中通過實驗研究驗證了學生在解決原始物理問題和物理習題時在樸素表征和物理表征方面存在比較明顯的差異。

　　鄧鑄提出物理問題解決的表征態理論，認為問題解決是問題表征狀態不斷變化的過程。這種變化經歷了六個表征狀態，包括：無表征狀態、外部表征狀態、初級內部表征狀態、低級范疇性表征狀態、高級范疇性表征狀態和符號化表征狀態。這些表征狀態未必按照某種確定的順序出現，而是形成多種不同的變化模式（書 5 鄧鑄 問題解決的表征理論）。

　　基于此，邢紅軍教授以協同學為理論基礎，采用生態心理學的研究取向，將原始物理問題作為研究對象，提出了原始物理問題解決的自組織表征理論，表征層次包括定向表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征以及數學表征。（書 5）表征層次如圖

　　原始物理問題的表征包括七個層次。其中，在虛線框內是習題解答的三個表征層次。

　　根據以上問題解決的表征理論，特別是邢紅軍教授的原始物理問題的表征理論，將原始物理問題的解決過程分為以下幾個步驟：

　　1。定向階段

　　在這個階段，學生需要對物理現象進行分析，用概括性的語言進行描述，判斷原始問題是一個什么方向的問題。當對問題情景不熟悉時，學生需要通過直覺、想象、聯想等非邏輯思維，運用已知的理論，憑借不完整、不連續、不嚴密的邏輯對原始問題形成適應性、啟發性的領悟（書 15）由于原始問題呈現的不明確性，這一過程通常表現出突變性。而且由于學生的認知水平和知識儲備有所差異，對物理現象進行描述的方向和側重點會有所不同，對于同一個現象，可能會發散出不同的問題。（邢紅軍，書 15）

　　2。抽象階段

　　在這個階段，學生要弄清楚問題是什么，即通過問題的特點，分析提取出原始問題的本質，在明確問題本質之后，要弄明白問題所涉及的相關知識和科學背景。確定問題解決所涉及的研究對象，決定舍棄什么，保留什么，抓住主要因素，忽略次要因素，通過分析、綜合、比較、抽象出事物的本質，以及物體之間的相互作用關系，把原始物理問題轉變成抽象問題。（王少靜，上面的樸素）

　　3。物理階段

　　運用相關的物理知識建立適切的物理模型，并且在確定了問題的研究對象、

　　研究過程，以及相互之間的關系基礎上，根據解決問題的要求，依據問題相關的知識設置所需要的物理量，包括常量和變量，以及問題解決中的一些中間變量。（書 15）確定問題解決需要使用的物理概念和物理規律并加之運用，根據問題解決的需要畫出相應的示意圖。

　　4。數學階段

　　這個階段是指在問題解決過程中進行推導時所運用的數學步驟，包括列方程，解方程，進行必要的數學變換。將問題解決

　　5。檢驗，討論結果

　　物理習題的解決過程側重演算和推導，缺少問題來源和實踐性的認識。而原始物理問題是一個以物理現象為根源的真實問題，所以我們最后得到的解決問題的結果還要經過事實的檢驗。同時原始物理問題本身所具有的開放性特點，也使得問題的結論不唯一，需要我們根據實際的情況進行適當的討論。

　　從以上分析可以看出原始物理問題解決的過程似乎經歷了一個科學家進行科學探究的過程，在物理學史上，物理模型建立的過程來自于科學家進行科學研究的過程。物理學的發展史也可以說是物理模型的發展過程，（張晨秋）科學家探索構建物理模型的過程是從“原汁原味”的問題情景出發一步步通過直覺、聯想、想象、抽象等思維，運用綜合、類比、歸納等方法構建出來的（書 16 任紅艷）而原始物理問題也是以物理現象為根源進行研究解決，這也說明原始物理問題在促進學生物理模型構建上具有重要的意義和作用，而學生平時做的物理習題，割斷了物理知識與真實現象之間的聯系，學生只能在人為抽象、簡化并提供完美數據的物理習題中機械地對物理模型進行套用，這對促進學生物理模型的構建是不利的

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