原始物理问题教学建议(杨小勤).doc

关于在物理教学中采用原始物理问题教学的一点建议 蔡甸区第四中学 杨小勤摘要：在物理教学中，传授知识，启迪思维，培养能力是教学中应该做到的几个方面，目前我国传统的问题训练主要以习题为主，物理教育的缺陷表现在学生创造力和实践能力的缺乏，因此在物理教学中建议引入原始物理问题教学，原始物理问题训练不仅能使学生学到物理知识，物理方法，而且能很好培养学生的思维品质，有利于促进学生创新能力和实践能力的提高。关键词：物理教学；原始物理问题；物理习题；教学实践方法一， 物理教学中引入原始物理问题教学的缘由我国物理学教学的现状：由于我国物理教育受凯洛夫教育学的影响较深，单纯注重物理知识的传授，忽视对学生物理能力的培养，这种物理教学模式存在缺陷，主要表现为学生创新能力和实践能力的缺乏。“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”这是大家耳熟能详的“钱学森之问”，是钱学森老先生迫切想知道答案的问题。我们认为，造成这种现象的原因固然很多，但我国科学教育忽视学生思维品质的培养是其中最主要的原因。长期以来，我国科学教育的训练方式单一而且固定，这种方式主要就是习题训练。由于习题解答只是一种机械模仿，基本不涉及思维品质的参与，从而形成了我国学生“善于考试但不会做研究工作”的问题。在物理教育中引入习题的初衷是巩固学生学习的知识，考察学生掌握知识的水平，培养学生应用知识解决问题的能力。由于习题教学具有许多优点，人们对其非常重视，甚至认为“学习物理，不做习题是不行的”。1对此，杨振宁教授指出：“仅仅读很多的书，从老师那里学到很多知识，做很多习题，只能说是训练独立思考能力的一半。而另一半的方法是复杂的，不是每个学生都能采纳同样的建议或劝告，这个方法要靠自己去摸索。”2 杨振宁虽然没有给出另一半的方法是什么,但他明确指出了习题只是训练能力的一半而非全部, 这对我们的物理教学具有重要的启示作用。其实，北京大学赵凯华教授早在1983年就觉察到这个问题。他指出：“在我们的教学中，同一问题，既可以把原始的物理问题提交给学生，也可以由教师把物理问题分解或抽象成一定的数学模型后再提交给学生。习惯于解后一类问题的学生，在遇到前一类问题时，往往会不知所措。”3显然，赵凯华认为物理问题有两种形式，前者可称为原始物理问题，后者称为习题。传统习题多数都是将真实的物理问题分解、抽象、建模, “人为编制”而得,具有高度脱离物理真实，习题考查的物理知识特定，习题已知物理量给定确切和结果确定这些面貌特征。这样的习题题海训练显然背离了新时代创新素质人才培养的轨道。随着素质教育的贯彻深入，现行教育资源中占绝对优势地位的传统习题的弊端日益显现。因此，当我们充分肯定物理习题的教育价值时，也要客观地认识其缺陷。事实上，每一道物理习题都是由物理现象抽象而来，并已把物理现象的一些次要细节、非本质的联系舍去，失去了物理现象与事实的背景，甚至完全脱离了物理现象。也就是说，学生思维训练的一部分已经被习题编制人员“越俎代庖”地完成了。此外，习题情境都是人为设置的，且条件控制严格，因而使物理教育情境的真实性受到破坏，使学生解答习题时的认知心理及行为表现与解决原始问题时的相去甚远。 事实正是如此。众所周知，许多学生经过多年苦读，学习了大量的物理概念规律，做了许多习题，但面对物理问题时却不能迅速做出判断，稍一动笔就错误百出。为什么会出现这种现象?在一次演讲中，杨振宁给出了答案。杨振宁认为：“很多学生在物理学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的。绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源。一个人不与现象接触不一定不能做重要的工作，但是他容易误入形式主义的歧途；他对物理学的了解不会是切中要害的。”2杨振宁先生在对物理学的认识上和费因曼相似，在费因曼看来, 物理学的核心不是推演, 而是物理实例、物理现象。二，原始物理问题与物理习题为了弥补传统物理教学以物理习题为主的缺陷，我们尝试寻找一种能使学生与物理现象相接触的教育方式，我们认为，这就是原始物理问题教学，把原始物理问题教学融入到现在的教学手段中不失为一个良好的方法。所谓“原始物理问题”，是指自然界及社会生产、生活中客观存在的，能够反映物理概念、规律且未被加工的典型物理现象和物理事实。它具有以下特点：1)对学生来说是非常规的，不能靠简单的模仿来解决：2)它可以是一种情景，其中隐含的物理问题需要学生自己提出、求解并做出解释；3)具有趣味性和魅力，能引起学生的思考并对学生的智力提出挑战；4)不一定有唯一的答案，不同水平的学生可以由浅入深地作出回答；5)解决它需要通过个人或小组的物理活动。典型的原始物理问题如：“一些人认为，婴儿由成人抱着坐在汽车里很安全。现在请你估计一下，在发生在很短时间的撞车事故中，成人需要多大的力才能抱住婴儿。”4物理习题则是把物理现象进行抽象、简化、分解，经人为加工出来的练习作业。它具有以下特点：1)对学生来说是常规的，靠简单的模仿即可解决；2)不是情景，其中已知条件不需要学生自己提出；3)缺乏趣味性和魅力，主要用以训练学生掌握知识；4)有唯一的答案；5)个人就可以解决，不需要通过小组活动。典型的物理习题如：“婴儿由成人抱着坐在汽车里也是很不安全的。请计算：在发生在O1s的撞车事故中，若撞车前车速为60kmh，那么成人需多大的力才能抱住一个10kg的婴儿。”显然，习题虽然在形式上联系了物理现象，但提供了完美而详细的数据，实际上并没有给学生提供真实的问题情景。而原始物理问题则把每个物理量镶嵌在真实的物理现象中，需要学生根据情景，通过假设、估计等获得所需的物理量及数据，再构造出理想的物理模型。经过一层层的“剥开”过程，最终使结论“破茧而出”。两者的关系具体见下图。5图：原始物理问题与物理习题关系图由上图可知，学生解决物理问题需要经历三个相互衔接的过程：第一，描述问题，即对物理现象进行描述，使之成为原始物理问题；第二，物理建模，即对原始物理问题进行抽象、简化、分解并设置物理量，使之转化为物理习题；第三，解题，即通过定性或定量的演算和推导解决问题。然而，长期以来，我国的习题教学往往侧重于其中的第三个环节(演算、推导)，而缺少第一、第二环节，对物理现象和物理事实把握不够，以致很多学生只知道根据已知条件去解题，遇到实际问题时却束手无策。6如中学生所言：“原始物理问题和习题最大的区别在于：习题是将一个具体模型呈现在你眼前，为你指出明确的方向，只要过程清晰列出，不出差错和失误一般都会得分；原始物理问题是要自己把模型列出，没人领你一段路，需要自己选择方向，开拓道路，于是，难点就出现在选择那条路上。那模型怎样才能一下子就正确地抽象出来呢？”而这样“一段路”，就是习题解答与原始物理问题解决的差异，于是学生才会发出“模型怎样才能一下子就正确地抽象出来呢？”的感慨。习题教学“掐头去尾烧中段”，只侧重上图的中间环节(演算、推导) 。根据爱因斯坦的科学思维过程理论, 科学思维的开始和终结都是超逻辑(直觉) 思维, 由于习题教学恰恰缺少了问题的始末两个环节, 致使很多学生只知道根据已知条件去解题, 遇到实际问题则常常束手无策。应当清醒地认识到, 教学不讲知识的实际来源和应用, 还宣称培养学生的逻辑思维能力, 这其实是我国物理教育的一种严重缺陷。当学生面临原始问题的“头”时, 由于原始问题只暴露了现象的某些特征, 难以对它作出有效的判断, 只能根据某些事实或已知理论, 运用相似、类比、外推、猜测、不连续、不完整和非逻辑的方法对原始问题的本质形成适应性、启发性的领悟, 这种科学抽象思维就带有大幅度跳跃式提取和加工信息的特点, 这种跳过个别证明细节、战略式地认识事物本质的方式, 是人类认识事物的重要方式。这是因为, 直觉能够帮助我们从不认识的新事物中, 提炼“物理图像”或“工作简图”，这是认识原始问题的关键一步, 有了它, 才能形成新的概念进行数量分析、建立方程式求解, 这一关键的步骤很少能用逻辑思维来完成, 它需要直觉。诺贝尔物理奖获得者汤川秀树指出：“抽象由于其本身的性质而不可能独自起作用。人们必须从内容上更为具体和丰富的他物中抽象出某物。换言之, 人类必须从直觉或想象入手, 然后他才能够借助于自己的抽象能力。“在任何有成效的科学思维中, 直觉与抽象总是相互影响的, 不仅某种东西必须从我们丰富但多少有点模糊的直觉图像中抽象出来, 而且被当做人类抽象能力的成果而建立某种概念到最后的确定往往变成了我们直觉图像的一部分。从这种新建立起来的直觉中, 人们可以继续作出进一步的抽象”。7当学生面临原始问题的“尾”时, 同样需要借助于物理直觉和经验以及费因曼所提倡的物理实例, 来判断结论的正确性和合理性。三，原始问题教学对物理教育改革的启示怎样在物理教育改革中体现出创新? 这一直是我们深入思考的问题。我们认为，物理教育改革的创新主要体现在教育思想、教育方式，特别是对学生能力的培养上。我们体会, 创新应当是继承基础上的创新, 创新与继承是相辅相成的，不是割裂和对立的。由此, 我们提出: 物理教育应当“以习题演练为基础，以原始问题解决为升华”。而我们目前的教学，对于前者给予了足够的重视，而对于后者, 则基本上被忽视了。进一步研究物理高考大纲，为了制定我国物理科高考命题依据的物理高考大纲, 全国高考物理学科委员会征求了有关专家的意见, 分析了物理课程在整个中学课程中的地位, 比较各学科的特点及其对学生素质和能力发展主要贡献的基础上, 根据物理学科的特点和需要, 从中学物理教学和高考命题的实践经验出发, 提出了五个方面的能力要求: 理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力以及实验能力, 并通过描述性的说明, 解释每一种能力的具体表现, 界定该能力的含义。8显然, 在思维能力的培养上, 考试大纲中缺少了抽象和概括。这是导致全国物理高考命题委员会不能区分问题与习题的根本原因。事实上, 抽象在物理思维的形成过程中是极其重要的, 因为在现实世界中, 任何一个问题都是原始问题, 只有通过科学的抽象, 才能形成科学的问题, 才能进一步研究下去。概括同样是非常重要的，心理学家林崇德指出：“思维最显著的特点是概括性。思维之所以能揭示出事物的本质和内在规律性, 主要来自抽象的概括过程, 即思维是概括的反映”。思维深刻性的本质是抽象，进一步说，就是抓住事物的规律。因此，思维深刻性通过物理知识与物理方法作用与原始物理问题，主要体现为学生透过物理现象把握原始物理问题的本质。当然，这一过程也涉及在该情况下对物理知识与物理方法的真正认识。因为问题解决本身是复杂的思维过程，包含着对信息的提取，识别和组织加工。已有研究发现在物理问题解决中抽象概括思维特质与问题解决能力之间存在着显著相关，说明被测试者在问题解决，特别是复杂问题解决中，更需要一定深度的抽象性思维，需要能有效整合信息的概括性思维。9新一轮基础教育课程改革提出了提高全体学生科学素养的课程理念，并把“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”作为课程目标。我们认为，原始问题教学应成为实现基础教育课程改革目标的一条途径。这是因为，物理教学内容只有在原始物理问题中才有生命力，才能彰显其内涵、色彩，才能显示其内在的理由、作用和功能。一定数量的原始物理问题的训练，不仅可以使学生有效地学习物理知识、掌握科学方法、训练物理技能，而且能较好地培养学生的能力。原始物理问题教学不仅有利于达成物理课程目标，而且有助于实现物理评价的真实性。现在人们越来越认识到过去物理教育评价中充斥着毫无生活背景的习题所带来的弊端。因为缺乏与生活实际的相似性，学生即使对这些习题做得“滚瓜烂熟”，即使在评价中得到高分，也往往无法理解真实生活中的物理现象。更何况，这样的解题训练最终将使学生失去对物理世界的真实感受以及注重实践的科学精神。对于原始物理问题的研究不只是局限于原始问题教学本身, 在更深一层意义上, 原始问题体现了一种新的教育思想。原始问题与习题的区别也并不仅仅体现在给定已知条件程度的不同, 它事实上是两种不同物理教育观念的“分野”， 是教给学生“活”的知识还是教给学生“死”的知识? 是与现象紧密联系还是与演算推导联系? 是只教知识还是既教知识又培养能力? 因此, 我们把这一研究看作是我国物理教育改革中的一个重要问题, 并希望这一研究能有助于形成新的物理教育方式把习题教学与原始问题教学相结合, 使教师的教学和学生的学习与现象紧密结合起来。四，在具体教学实践中运用原始物理问题训练的方法在具体教学实践中，我们应贯彻的教学理念是传授知识立足于发展能力，寓能力培养于传授知识当中。运用原始物理问题教学，有利于提高学生科学素养，提高学生的物理建模能力。通过原始物理问题的取材，除了课堂建构技巧，对问题本身直接讲解是一种通用教学方法,自不必多言。这里介绍另一种极有价值的教学方法，这就是原始物理问题和习题的相互转换教学。虽然原始物理问题教学在培养科学素养和创新思维方面具有多种优点, 但它无法替代习题在对物理概念的巩固、学生已学知识熟练程度的测评等方面的积极作用。所以, 进行两者相互转换的教学是一个很好的方法。 从原始物理问题到习题可以培养学生的建模解题能力, 从习题到背后的原始物理问题可以让学生在逆向思维中, 增强平时对世界仔细观察的意识, 养成对实际问题的敏感性。1）从原始物理问题到习题从原始物理问题到习题的转换其实涉及到两者之间的关系, 概括而言, 这种转换就是将原始物理问题中涉及到的物理现象和事实用物理语言描述、分析后再运用已知的物理知识进一步分析判断, 经过简化和抽象等科学方法进行模型化加工, 并给出求解可能用到的物理量作为己知量, 将问答结果进行潜在的限定而得到物理习题, 并且预期该习题可以让学生在已掌握的物理知识基础上, 运用数学和物理公式等工具加以解决。教学中, 教师可以给出一个现象或一个原始问题, 让学生抽象出模型, 给出相关量, 编制出习题。学生在这个过程中, 一方面可以锻炼分析问题, 准确抓住问题核心本质的能力, 建模的能力和甄别信息的能力, 由于中高考试题中利用原始物理问题考察学生素质已经成为一个趋势, 这种训练可以让学生在感觉学习物理的乐趣的同时知晓高考命题的方式。而且我们相信, 学生以学习者的角色而具有这样一种掌控感, 还会激发他们学习物理的兴趣。如相关文献常常提到的飞机与鸟相撞问题, 实际解决时需要学生经历分析、建模再求解等过程, 在整个过程中得到解决实际问题能力的锻炼。2)从习题到背后的原始物理问题每一个习题都至少反映一种物理本质, 在解答习题的过程中, 常常需要考虑到一系列相关的知识,这个过程不能仅仅局限于就题论题, 还应当考虑习题的本质, 从不同的角度来思考, 学会讨论在不同的条件下解决问题的方案, 并思考问题解决的最佳性及思辨性; 还要联系到和习题本质有关的物理现象,并能够推广、迁移到更宽的知识领域中, 让学生思考到更多的东西, 由习题回到生活中, 并用这些知识来解决生活中遇到的问题; 最重要的是, 还要学会提出问题, 正如爱因斯坦所说:“想像力比知识重要提出问题比解决问题重要. 有想像力的人才能提出问题. 能够提出问题的人是善于思考的人, 对权威的人和理论有怀疑精神，重要的是发现问题, 提出问题。”10真正科学地将原始物理问题应用于物理教学实践, 需要教师做生活