原始物理问题 PPT课件

1 国培计划 2013 示范性远程培训项目原始物理问题教学首都师范大学邢红军博士教授博士生导师2013 4 2 一 概况二 已做的工作三 表征理论四 测验工具五 双峰分布六 最新的进展七 原始物理问题解决的案例八 解决原始问题的思维过程研究 3 一 概况 2003年以来 我们认识到原始物理问题的重要价值与意义 发展出一个新的物理教育研究领域 原始物理问题教学理论 4 一个值得所有物理教师深思的问题我们培养的学生到底是什么样的学生 我们是否要反思我们的物理教学 69 5 来自台湾的清华大学工程物理系教授程曜有感于在清华大学讲课的体会 在 新华每日电讯 上发表文章 这些清华的大学生 像是只会考试的文盲 除了考试 他们不会推理 不敢提问 不愿动手 课本里没有的他们不会 他们不会将上课的知识应用到日常生活中 因为这些知识只是用来考试的 68 他呼吁 全社会都来救救这些孩子 把他们的思想紧箍咒拿掉 让他们开始思考 6 杨振宁 我国物理教育的有效性如何 杨振宁教授认为 中国过去几十年念物理的养成了念死书的习惯 整个社会环境 家长的态度 报纸的宣传都一贯向这个方向引导 其结果是培养了许多非常努力 训练得很好 知识非常扎实的学生 可是他们的知识是片面的 而且倾向于向死的方向走 这是很有害的 67 7 为什么中国学物理的学生都养成了念死书的习惯 杨振宁教授分别从教学方法和学习方法两个方面进行了深入分析 对于我国的物理教学方法 杨振宁教授指出 中国现在的教学方法 同我在西南联大时仍是一样的 要求学生样样学 而且教的很多 很细 是一种 填鸭式 的教学方法 这种方法教出来的学生 到美国去 考试时一比较 马上就能让美国学生输的一塌糊涂 但是 这种教学方法的最大弊病在于 它把一个年轻人维持在小孩子的状态 老师要他怎么学 他就怎么学 66 8 对于我国学生学习物理的方法 杨振宁教授同样提出了尖锐的批评 美国学物理的方法与中国学物理的方法不一样 中国学物理的方法是演绎法 先有许多定理 然后进行推演 美国对物理的了解是从现象出发 倒过来的 物理定理是从现象归纳出来的 是归纳法 演绎法是学考试的人用的方法 归纳法是做学问用的办法 65 9 出现这种现象的原因何在 杨振宁教授认为 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 可谓单刀直入 切中要害 64 10 从杨振宁教授的基本思想出发 我们认为 在物理教育中 与演算对应的具有可操作性的物理教育方式是物理习题教学 而与物理现象对应的具有可操作性的物理教育方式则应当是原始物理问题教学 简言之 解决我国物理教育低效能的根本措施就是要在物理教育中打破习题教学一统天下的传统局面 通过引进原始物理问题来逐步与物理习题相结合 从而达到提高物理教育效能的目的 63 11 赵凯华认为 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 62 12 赵凯华还说 学习物理 不做习题是不行的 但做习题不在于多 而在于精 62 13 物理教育的现状 着眼于推演 落脚于习题 物理教育与物理现象相脱离 物理教育效能不高 基于物理教育的现状 我们发展出了一个有效改变物理教育低效能的理论 原始物理问题教学理论 61 14 原始物理问题的定义 定义 原始物理问题是对物理现象的描述 指自然界及社会生活 生产中客观存在且未被加工的典型物理现象和事实 15 物理习题的定义 定义 物理习题是对物理现象的抽象 指自然界及社会生活 生产中客观存在且已被加工的典型物理现象和事实 16 一个基本观点 原始物理问题属于问题 没有已知条件 物理习题属于习题 有已知条件 二者具有原则性的区别 物理课程标准 说 一个好的习题就是一个科学的问题 17 杨振宁的观点 物理学的根源是物理现象爱因斯坦科学思维过程理论 科学思维的开始和终结都是超逻辑 直觉 思维 只有中间过程是逻辑思维教育生态学 强调在真实 自然情境中研究教育规律以及学生的心理活动规律 强调提高教育活动的可应用性和普遍适用性 建立合理的教育生态环境 提高教育的效益 促进人才迅速成长和发展 理论基础 60 18 爱因斯坦的科学思维过程理论认为 科学思维的开始和终结都是超逻辑 直觉 思维 只有中间过程是逻辑思维 我们认为 习题教学 掐头去尾烧中段 没有给学生提供真实的问题情境 只侧重了演算环节和推导环节 缺少了问题的始末两个环节 直接导致了科学思维开始和终结直觉思维的缺失 57 19 教育生态学 习题的人为性这一固有缺陷 削弱了科学教育特有的教育价值 难以揭示真实 自然条件下的科学教育规律 所以在科学教育中强调生态性是有必要的 我们主张 应该把习题固有的严格性移植到自然 真实的科学环境中采用原始问题的形式 使科学教学既能够强调推导 演算而不降低知识传授效率 又能够在真实情景中进行探究而提高学生能力 从而将科学教育的内部效度和外部效度很好的结合起来 56 20 典型的原始问题 有人认为婴儿有成人抱着坐在汽车里很安全 现在请你估计一下 在很短时间的撞车中 需要多大的力才能抱住婴儿 典型的习题 婴儿由成人抱着坐在汽车里也是很不安全的 请计算 在一切发生在0 1秒的撞车中 若撞车前车速为60千米 时 需要多大的力才能抱住一个10千克的婴儿 21 原始物理问题与习题的区别 22 原始物理问题 自行车转弯人在骑自行车转弯时 需要倾斜一定的角度 问 满足什么条件才能使人在骑自行车转弯时既不翻倒 又能顺利转弯 23 G mg f N O 24 设自行车和人的重力为mg 合重心到地面的距离为l 支持力为N 摩擦力为f 转弯时速度为v 转弯半径为R 则有 以G点为转轴 25 1 是对现象的描述 没有对现象作任何程度的抽象 2 基本是文字的描述 通常没有任何己知条件 其中隐含的变量 常量等需要学生自己去设置 3 没有任何示意图 解决问题所需要的图像需要学生自己画出 4 对学生来说不是常规的 不能靠简单的模仿来解决 5 来自真实生活情境 6 具有趣味和魅力 能引起学生的思考和向学生提出智力挑战 7 不一定有唯一的答案 各种不同水平的学生都可以由浅入深地作出回答 8 解决它需伴以个人或小组的活动 原始物理问题的特点 26 习题的特点 1 不是对现象的描述 而是对现象高度的抽象 2 虽然也是文字的描述 但所有己知条件都已经给出 不需要学生自己去设置 3 凡是解题所需要的图像都已经画出 不需要学生自己画出 4 对学生来说是常规的 靠简单的模仿即可解决 5 少部分来自真实生活情境 大部分没有真实生活情境 6 缺乏趣味和魅力 主要用来训练学生掌握知识 7 有唯一的答案 8 个人解决 不需要小组活动 27 我们对原始物理问题的看法 我们认为 原始物理问题既是一种新的物理教育思想 一种新的物理教育理念 一种新的物理教育方式 又是一种新的物理学习方式 一种新的物理教育资源 一种新的物理教育评价 因此 原始物理问题教学是一种创新的物理教育理论 不应当把原始物理问题理解为仅仅是问题解决理论 它贯穿了物理教育的全过程 28 我们工作的创新 把原始物理问题与物理现象结合起来 由于 物理学的根源是物理现象 这就把物理教育的起点置于物理学的根源之上 把原始物理问题与生态学理论结合起来 由于原始物理问题是真实的物理问题 这就使物理教育成为生态化的教育 把原始物理问题与协同学理论结合起来 由于原始物理问题解决涉及内外信息的相互作用 这就使学生的认知过程成为一个从被组织到自组织的转变过程 29 我们工作的创新 4 提出了原始物理问题的表征理论 运用协同学的主方程进行了原始物理问题表征的定量研究 发现了双峰分布与转移现象 运用AMOS4 01软件进行了原始物理问题表征影响因素的结构方程模型研究 得到了原始物理问题表征影响因素 30 二 已做的工作 论原始物理问题的教育价值及启示 课程 教材 教法 2005 1 从习题到原始问题 科学教育方式的重要变革 课程 教材 教法 2006 1 对原始物理问题教学的思考 中国教育学刊 2006 8 我们在cssci期刊上发表了系列论文 奠定了原始物理问题研究的基础 31 原始问题教学 物理教育改革的新视域 课程 教材 教法 2007 5 论高考物理能力理论与命题导向 课程 教材 教法 2007 11 原始物理问题测量工具 编制与研究 课程 教材 教法 2008 11 32 cssci系列论文 自组织表征理论 一种物理问题解决的新理论 课程 教材 教法 2009 04 从数据驱动到概念驱动 物理问题解决方式的重要转变 课程 教材 教法 2010 03 物理教育的生态化及其对物理课程改革的启示 教育科学研究 2010 110 物理问题解决的影响因素研究 课程 教材 教法 2012 06 33 我指导的10名研究生的硕士论文围绕原始物理问题进行了深入研究 我指导的研究生在 物理教师 物理教学 中学物理 中学物理教学参考 物理教学探讨 物理通报 等刊物上发表10余篇有关原始物理问题教学的论文 34 三 表征理论 依据协同学理论 我们提出了物理问题解决的自组织表征理论 Self OrganizationRepresentativeTheory 简称SORT SORT认为 问题解决是一个连续与突变相结合 独立与关联相结合 控制与自发相结合 协同与竞争相结合 必然与偶然相结合的过程 包括以下几个方面 35 依据SORT的理论内涵 我们进一步提出了SORT的表征层次 分别是 定向表征 抽象表征 图象表征 赋值表征 物理表征 方法表征和数学表征 36 1 定向表征 定向表征是判断原始问题是一个什么方面问题的表征层次 学生需要根据问题对物理现象的描述和已知理论 凭借不严密 不连续 不完整的逻辑或非逻辑方法对原始问题形成适应性 启发性的领悟 这种表征就带有大幅度跳跃式提取信息和加工信息的特点 由于原始问题呈现的不明确性 这一表征通常表现出突变性 即学生对问题的定向是突然产生的 37 2 抽象表征 抽象表征是原始问题解决中决定舍弃什么 保留什么的过程 是抓住主要因素 忽略次要因素 把原型转变为模型的过程 在这一过程中 理想化方法是普遍使用的方法 从物理现象中抽象出理想客体并在思维中模拟 操作的过程 需要通过想象 运用直觉与逻辑思维 把客体运动过程简化 纯化使其升华为一种理想状态 使其能更本质 更生动地反映原始问题的性质 这一表征阶段往往表现出思维的协同与竞争 38 3 图象表征 图象表征是学生解决问题过程中画出草图的过程 往往需要形象思维的参与 图象表征是原始问题特有的表征 需要学生自己来完成 而习题解答则不需要学生来完成 因为在大多数情况下 习题已经把解答所需要的图象给出了 39 4 赋值表征 赋值表征指根据解决问题的要求 设置所需要的物理量 包括常量和变量 有时甚至需要设置一些中间变量 即在问题解决的中间过程出现 但在最后的结果中却不再出现 40 5 物理表征 物理表征是确定解决问题需要使用的物理概念和规律并加以运用 物理表征往往表现出关联性 即需要把原始问题与先前学习的物理概念和规律联系起来 41 6 方法表征 方法表征是把解决问题时需要运用的科学方法 包括思维方法与物理方法 确定下来并运用之 方法表征同样往往表现出一定的关联性 42 7 数学表征 数学表征指在问题解决过程中进行推导时所运用的数学步骤 包括列方程 解方程 进行必要的数学变换 43 综上所述 原始问题解决的表征层次可以用图3概括 图3 44 四 测验工具 高中 1 瓦萨 舰翻倒 20分 1682年8月10日 瑞典的斯德哥尔摩 有一当时最大的主力舰 瓦萨 号 正在举行首航仪式 一阵微风吹来 就使它反倒沉没了 这是为什么呢 几百年来一直是个谜 1961年4月24日 这艘在海底沉睡了几百年的古战舰终于被打捞起来了 沉船之谜被揭开 请你利用所学的物理知识定量地解释 瓦萨 号翻倒之谜 45 2 篮球落地 20分 一蓝球自某一高度自由下落 撞到地面后又弹起 上升到一高度后又自由下落 以后又弹起 下落 一次又一次直至蓝球静止 请画出在整个过程中蓝球的加速度随时间的变化图线 并定量地解释每一段图线为什么是这样画的 46 3 电风扇阴影 20分 一台双叶电扇顺时针转动 在日光灯的照射下 出现了稳定的四个扇叶互相垂直的样子 则这时电扇的转速是多少 若出现了双叶片缓慢地逆时针转动 这时电扇的转速略大 小 于多少 47 4 飞机的感应电动势 20分 一架飞机由东向西飞行 请根据所学的物理知识导出这架飞机上的感应电动势的表达式 要注明每个字母所代表的物理意义 48 5 轮船减摇 20分 轮船航行的时候 会受到周期性的波浪的冲击而向各个方向摆动 如果这个冲击力的频率与船体摆动的固有频率接近 就会使轮船的摆动加剧 一旦达到共振状态就有使轮船倾覆的危险 这时候可以改变轮船的航行方向和航行速率 使波浪冲击的频率远离轮船摇摆的固有频率 避免共振的发生 请推导出一个表达式 说明改变轮船的航向和航速 就能使波浪冲击的频率远离轮船摇摆的固有频率 最终达到使轮船摇摆减轻的目的 49 为了考察原始物理问题测量工具的有效性 我们运用SPSS10 0软件 对原始物理问题测量工具的难度 区分度 信度和有效度进行了计算 难度H 0 68 说明题目难度适度 区分度D 0 52 说明是一个优秀的测量工具 信度克劳伯克系数等于0 882 表明原始物理问题测量工具具有较高的内部一致性 50 效度我们对学生表征层次上的得分进行了探索性因素分析 结果仅获得一个因素而且不能旋转 因素负荷从0 582到0 850 由此可见 原始物理问题测量工具具有较好的结构效度 51 四 测验工具 初中 1 两人抬一个重量均匀的木箱走楼梯上楼 请你推导出一个表达式 说明是前面的人用的力大还是后面的人用的力大 20分 52 2 地球周围被一层很厚的空气包围着 一直延伸到几千千米的高空 这个空气层叫大气层 在大气层里 空气的密度是随高度而变化的 越靠近地面越稠密 越到高空越稀薄 请你推导出一个表达式 计算地球大气层空气的总重量 20分 53 3 压力锅是利用橡皮圈密封锅盖增加锅内压力 达到升高锅内水的温度的目的 锅盖的中间有一个小孔 在小孔上套加一金属压力锤 当锅内汽压达到一定大小时 锅内蒸汽就会顶起压力锤排放蒸汽 使锅内汽压维持一定大小 请推导压力锅内汽压大小的表达式 20分 54 4 有些农村的家庭电路 在夜晚用电高峰时白炽灯昏暗 日光灯无法正常启动 而到了后半夜用电低峰时 白炽灯就正常发光 日光灯也能正常启动 请结合有关的物理学定律 画出相关的图象 设置相关的物理量 用表达式说明其原因 20分 55 5 在一个小水池里 浮着一条船 船载满了石块 如果把石块全部扔到水池里 池里的水面将会上升还是下降 56 五 双峰分布 为了验证自组织表征理论 我们运用原始物理问题测量工具 对中学生解决原始物理问题进行了研究 结果发现学生的成绩呈一种新的分布形式 如下图4 57 图4 58 学生成绩直方图不是正态分布 或正偏态和负偏态分布 而是呈现协同学的典型双峰分布 这是一个新的结果 它与长期以来人们通常认为的问题解决能力分布为正态分布的传统观点有所不同 对于问题解决研究有新的启示 59 为了更深入地研究双峰分布现象 我们采用相同测验工具 随机抽样分别选取了三所中学高三年级320名学生 317名学生和320名学生进行了测试 结果表明 三所学校学生得分直方图仍然呈双峰分布 进一步研究发现 随着不同学校学生能力水平的变化 双峰分布出现转移 低分数高峰不断上升 高分数低峰不断下降 如下图5 60 61 原始物理问题解决的协同学研究 基于协同学的广泛适用性和人的大脑的自组织特性 我们假定 哈肯的研究结果可以运用到问题解决的研究上来 因此 就可以建立一个关于问题解决的数学模型 该模型的基本思想是 一种问题解决的不同表征是由该问题解决中的所有被试的不同表征水平或表征状态决定的 而由于群体内部的个体之间密切的相互作用 从而使得个体的表征在内外因素的影响下不断改变 从宏观的角度看 问题解决的表征作为一个系统其内部存在由一种表征变化为另一种表征的转移概率 这种转移概率可以作为描述问题解决系统有序程度的宏观参量 并通过这种宏观参量来把握问题解决的演化趋势 确定问题解决是处于一个平稳 缓慢的变化过程中 还是处于将发生突变的临界点 有关的研究表明 学生在解决问题过程中的表征是动态的 会在不同的表征层次之间来回往复 任红艳 2005 这事实上就是一种表征变化为另一种表征的转移概率 这样 我们就把协同学的非线性动力学方法引入到了问题解决中来 62 转移概率和参数的估计对某一被试群体 取样本的人数为2N 表征状态正确的规定为1 表征状态错误的规定为2 分别考察在t1和t2时刻的状态 用n11表示在时刻t1和时刻t2都是表征正确的人数 也就是在经过 t以后表征1没有变化的人数 用n12表示在时刻t1时持有表征1而在时刻t2时持有表征2的人数 即在经过 t以后由表征1转为表征2的人数 类似的 n21表示在时刻t1时持有表征2 而在时刻t2时持有表征1的人数 即在经过 t以后由表征2转为表征1的人数 n22表示在时刻t1和时刻t2都是持有表征2的人数 并依然按照前面的规定 将在时刻t持有表征1的人数用n1表示 持有表征2的人数用n2表示 总人数为2N 所获得的数据可以排成表4 10 63 64 65 原始物理问题解决的协同学研究 66 67 68 69 根据协同学理论 双峰分布可以解释为 大部分学生的的问题解决能力处于较低水平 左侧高峰 即被组织状态 小部分学生的能力处于较高水平 右侧低峰 即自组织状态 少部分学生处于从较低能力水平向较高能力水平转变的水平 中间低谷 即临界状态 也就是说 中学生解决原始问题的表征存在有临界区域 不能跨越临界区域的学生其认知状态表现为被组织状态 而跨越临界区域的学生则表现为自组织状态 70 六 最新进展 最近的工作 原始物理问题解决的自组织表征理论与实证研究 71 原始物理问题解决的表征影响因素研究 72 这一模型假定 中学生解决原始物理问题的表征影响因素包括六个 分别是思维品质的深刻性 独创性 批判性 灵活性 物理知识和物理方法 借助于 原始物理问题解决影响因素问卷 以及 原始物理问题测验工具 采用AMOS4 01软件对数据进行分析 从而检验物理问题解决表征影响因素的假设模型 73 74 模型的指标 Steiger 1990 认为 RMSEA低于0 1表示好的拟合 本模型的RMSEA值小于0 08以下 其拟合结果可以接受 CFI和NNFI TLI 大于0 95 表示模型拟合得较好 这样 就验证了物理问题解决表征影响因素的假设模型 75 根据本研究的结果 可以得出结论 原始物理问题的表征影响因素包括六个 分别是思维品质的深刻性 独创性 批判性 灵活性 物理知识和物理方法 76 学生欢迎原始物理问题吗 学生认为原始物理问题好 原始物理问题才是真正的好 77 学生解决原始物理问题后的反馈 2007年底 我们运用原始物理问题测试工具对 名高中生进行了测试 而后进行了口语报告的研究 78 测试后同学的感言 首先 感谢老师带给我的难忘的物理之旅 是它令我更深刻地认识到 物理学不仅是凭公式定律堆砌的空中楼阁 而是用来解决实际问题的利刃 79 物理学从出现 发展到走向辉煌皆是以解决实际问题为基础 每一位物理工作者的成果也绝非是纸上谈兵 而是具有实用价值的 这些人取得成功的能力并不是凭借自己卓越的天赋 而是在真刀真枪地与实际问题打拼的过程中领悟出来的 而现行教育体系中缺乏的就是加强对学生实践能力的锻炼 后续 80 现代的中学生在5 6年的物理学习过程中往往具备了较为扎实的对物理的一种常识性认知 却缺乏对其深刻的理解和基本的应用能力 知其然而不知其所以然 致使学生对待物理如同对待文科 一般去死记公式 在考场上将其生拉硬套 反正公式有数 总有一款适合你 但是老师的问题与目前常见的物理习题有着很大的不同 每一道题都是从生活 历史中来 寥寥数笔之间便隐藏着深奥的物理学原理 81 而且它们都是对事实忠实的描述 没有所谓的简化 没有数据 更没有应用何种物理知识的提示 甚至暗示 它们的解决需要的是对生活细心地观察 模型的正确提炼 开阔的思路和较为扎实的数学 物理学基础 82 说实话 老师的题目初读起来毫无头绪 不知从何下手 对于平日里擅长搬弄公式的我来说 遇到没有数据的问题发蒙也情有可原 然而问题如此地贴近生活使我产生了一种去解决实际问题的欲望 令我在解决问题的过程中没有半途而废 而是努力地品味着题目中种种巧妙设置的隐含条件 提炼能用 实用 好用的物理学模型 并投入到最后的运算中 83 当然 最美的还是享受解决问题的喜悦 这种喜悦 并不仅仅是因为解决了一道物理题 更主要的是 自己苦学多年的物理知识终于能应用解决实际问题上了 如此浓浓的喜悦中便掺入了淡淡的自豪 84 不过 本人在解决问题的过程中仍然发现了自身的一些不足之处 首先是物理模型的简化问题 平日里做的习题往往都是已简化过的半成品 在对物理能力的训练中缺乏提炼模型这一环节 导致在解题过程中无视题目中的情景 盲目地使用模型 且对于诸如 微弱 极短 这一类词语不敏感或者过分敏感 错误地进行忽略 使思路陷入误区 85 其次是一种思维惰性 使我无法适应物理模型的快速变换 从质点模型到考虑其形状 从平动到转动 从机械运动到电磁学 还真令人有大脑发蒙 找不到北的感觉 其本质还是对各经典模型认知不清 仅停留在书本阶段 充其量能应付几道高考题罢了 86 还有就是缺乏对生活的观察和适当的物理学联想 乃至看到日光灯却看不到其两端连接的是220V 50HZ的交流电这一简单事实 对于平日习惯了应对条件充分 提示明确的习题的我来说 这似乎仍旧情有可原 87 第四 便是对解决实际问题的一种不适应 不仅是对思维量增加的不适应 还有对空白的数据与零提示的不适应 更是对隐含条件隐蔽的如此之深的不适应 然而这一切都是对一个能自主解决实际问题的中学生的最基本要求 而学校却迟迟没有进行这方面的训练 我也是头一次认知物理工作者接触的问题 原来并不似高考题那般幼稚 88 最后 再次感谢老师在我绞尽脑汁却毫无进展之时给予我的适度引导和鼓励 希望老师对我在今后的物理学习过程中提出宝贵意见 是您让我深刻认识到 物理学比想象中实际得多 深奥得多 有趣得多 89 这位同学的 感受 使我们受到很大触动 扪心自问 作为物理教育工作者 我们的研究究竟在多大程度上关注了学生的需要 在多大程度上促进了学生能力的发展 一切为了学生 是我们常说的一句话 然而学生需要什么 学生渴求什么 也许 同学的 感受 就是最好的诠释 学生需要的是 苦学多年的物理知识能应用解决实际问题 是解决问题之后在 浓浓的喜悦中掺入淡淡的自豪 遗憾的是 我们目前的物理教育尤其是中考物理命题在这方面仍与学生的需求相距甚远 90 对原始物理问题的评价 原始物理问题教学是物理教育的真正方向 抓住了物理教育的本质 核心与精髓 原始物理问题是物理新课程改革的真正方向 它抛弃了任何形式化的东西 通达课程改革的核心 91 原始物理问题寻找到了突破 题海战术 束缚的有效途径 是一个不牵强附会的 真正意义上的突破 原始物理问题是中考物理命题改革的方向 中考物理命题需要引入原始物理问题 当然 这需要假以时日 我们对此充满期待 但毫不怀疑 5 是30年来我国物理教育领域涌现的创新的物理教育理论 92 七 原始物理问题解决案例 在体育课和日常的锻炼活动中 俯卧撑是同学们经常选择来做的健身活动之一 做俯卧撑时 要求我们身体俯卧 伸直 两手用力撑地 使得身体上半部在手臂的支持下慢慢抬起 直到两臂伸直 小明同学身高1 6m 体重500N 他在40s内做了40个俯卧撑 假如他的重心在他身体的中心上 请你计算一下小明做一次俯卧撑所做的功 93 解析 首先我们要将这个实际问题进行模型转换 我们可以将此过程中的人体看成是一个以脚的着地点为支点的杠杆 于是做俯卧撑的过程 和将圆木头一端抬起 再放下的过程一样 如图甲所示 F h 图甲 94 因此计算 做一次俯卧撑所做的功 和 将圆木头一端抬到一定高 一样 对于本题来说 我们先要估计该同学手臂的长度L 结合直角三角形的知识进一步估算出做俯卧撑时身体重心升高的最大高度h 由此算出做一次俯卧撑过程中克服重力做的功 95 小明同学身高1 6m 他的手臂长度大约0 6m 因为身体的重心假定在身体的中心 所以当手臂撑直时如图乙所示 根据直角三角形的知识有 h L 2 0 6m 2 0 3m 因此做一次俯卧撑时做的功是W Gh 500N 0 3m 150J 答案 150J左右 L h O 图乙 96 点评 本题是一道与日常生活紧密结合的新题型 解题过程中将生活实际问题与书本上的典型物理模型相结合 并且做到恰到好处的转换 培养了同学们将实际问题转化成熟悉的物理模型的能力 97 原始物理问题 计算人做一次俯卧撑所做的功 假设重心在身体的中心 98 解析 第一步 定向表征 通过理解题意 首先进行受力分析 明确运动过程 在这个过程中人的躯干受到重力 手臂肌肉的举力和地面的支持力 躯干围绕脚尖做转动 由于物体受力的作用点不同 又考虑到物体发生转动 因此考虑到这是一个做功的问题 99 第二步 抽象表征 经过定向表征 这是一个人的臂力做功问题 需要运用杠杆平衡原理求解 于是需要忽略人体质量分布的不均匀和大臂的质量 将研究对象抽象成一个均匀杆的理想模型 还需要忽略运动过程中速度的不匀速 将运动过程抽象成杠杆平衡的理想过程 100 第三步 图像表征 根据以上的抽象表征 运用形象思维 做出草图 如图丙 F O N L G 图丙 101 第四步 赋值表征 依据解题需要 设出相关物理量 设人臂力为F 受重力为G 臂力的力臂为L1 重力力臂为L2 臂长为L 102 第五步 物理表征 经过以上分析 可以明确解决这道物理问题用到的物理概念和规律有 杠杆平衡原理和功的定义式 根据杠杆平衡原理有 FL1 GL2 根据功的定义式有 W Fs FL 103 第六步 方法表征 要求人臂力F做功 需要知道力F的大小和在F方向上运动的距离L 由于F在生活中很难求 因此考虑到用FL1 GL2 间接求出F 这样就需要知道L1和L2的关系 考虑到用相似三角形法 得出L1 L2 2 1 于是F G 2 104 第七步 数学表征 根据上述分析 运用物理公式列式求解 由杠杆平衡原理有FL1 GL2 根据相似三角形对应边成比例 得L1 L2 2 1 进一步得出F G 2 由功的定义式W Fs有W FL GL 2 取G 500N L 0 6m 带入前式 得W 150J 答 人做一次俯卧撑所做的功为150J 105 八 初中生解决力学原始问题的思维过程研究 106 一 研究设计 题目 在一个小水池里 浮着一条船 船载满了石块 如果把石块全部扔到水池里 池里的水面将会上升还是下降 107 解法1 分析 石块投入前与石块投入后小船均处于漂浮状态 因此 这两种情况由于小船排开水的体积是相同的 所以 两种情况下可以排除小船的影响 只要比较两种情况下石块排开水的体积的大小即可 108 石块投入前 石块处于漂浮状态 F浮 G石 水gV排1解得 V排1 G石 水g石块投入后 石块全部浸没水中 石块排开水的体积V排2 V石 G石 石g 水V排2 石块从船中投到水中水面下降了 109 解法2分析 通过比较两种情况下船和石头排开水总体积的大小来判断水面的升降 110 石块投入前 船和石块处于漂浮状态 F浮 G船 G石 水gV排解得 V排 G船 G石 水g石块投入后 船处漂浮状态 G船 水gV排1解得排开船的体积为 V排1 G船 水g 石块完全浸于水中 石块排开水的体积V排2 V石 G石 石g 排开水的总体积为 V排1 V排2 G船 水g G石 石g比较 V排 V排1 V排2 石块投入水后 液面下降了 111 二 研究过程 1 不同思维类型学生所占比例如下表 112 2 各类学生的思维特点分析 1 A组下面是这类学生中的一个比较典型的口语报告材料 以下简称教师为T 学生为A1 113 1 A组A1同学的口语报告材料如下 T 这种题你以前见过吗 A1 没有 T 你觉得和你以前做的习题有什么区别 A1 那些题都是直接有数量关系 这题是一种文字表达 比较抽象 T 比较抽象是什么意思 A1 抽象就是没有数字量表示 T 没有数字是吧 A1 嗯 T 那你觉得碰到这样的题你有什么办法呢 A1 我觉得是分析这道题的题意 这道题在一个水池里浮着一条船 船载满了石块 这是一种情况 它载满石块时 船漂浮在水面上 所以船的浮力等于它的重力 然后船的总的浮力等于它两个加起来的重力 也就是船的重力加上石块的重力 要求它水面是否上升还是下降 就得知道它排水的体积 根据第一个就知道它排水的体积是船的重力加上石块的重力比上水的密度和g 如果把石块全部扔到水池里 石块是下沉的 它排水的体积就等于它本身的体积 它的重力比上石块的密度乘以g 船还是在上面漂浮 船的浮力就等于它的重力 可以求出船排出水的体积是船的重力比上 水g 这两个相比 比较的时候 就是船排水的体积是相等的 然后比石块排出水的体积 石块的密度大于水的密度 池里的水面是下降的 114 研究分析 这类学生看到题后 能够从题目的问题 水面是上升还是下降 入手 直接抓住问题的关键 那就是 比较石块落入水池前后的排水体积 表明问题解决中定向表征的形成与思维的关联运动密切相关的 这类学生先后通过浮沉条件和受力分析清晰的得到了石块落入水池前后的体积的定量关系 同时很自然转化成了比较石块和水的密度 问题很容易被解决了 这类学生能够正确的抽象模型 表明了这类学生的抽象表征水平很高 这类学生在分析石块落入水池前后的排水体积的过程中 思维严谨 条理清楚 表明这类学生的物理表征和方法表征的能力很强 在推导体积时 这类学生也能迅速而清晰的得到石块落入水池前后的排水体积的表达式 表明这类学生的数学表征能力很强 凡是得到此类答案的学生 都能够抓住此这道原始物理问题的本质 迅速准确地忽略次要因素 对整个物理情景也很清楚 表明这类学生的思维活跃 创新能力很强 115 2 B组下面是这类学生中的一个比较典型的口语报告材料 以下简称学生为B1 T 你看到这道题是怎么想的 B1 我看到这道题以后 我先会想 石块进入水中以后 它上涨的幅度会上升的比船大还是比船小 因为船卸下石块以后 水面肯定会下降 我就想 石块进入水里以后 它上升的幅度是比船离开石块下降的大还是小 T 然后呢 B1 因为他说石块是全部浸没在水里的 所以石块排出的体积等于物体的体积 算出石块的浮力 它的公式是F浮 G排 液gv排 把石块扔进水里 相当于增大了水的体积 所以 液面就会上升 T 你想当时把船和石块一块放进水里液面是上升的吧 B1 嗯 T 那你有没有想过 把石块拿下去先不放水里液面会怎么样 B1 下降 T 对呀 这时液面是会下降一部分的 你把石块扔水里液面又会怎么样 B1 上升 T 那是不是要把石块没放进水里的时候下降的部分和把石块放进水里上升的部分作比较 B1 嗯 T 其实你没考虑到石块拿下来液面会下降 少考虑了这个 B1 嗯 116 研究分析 B组同学在解题过程中相对于C组同学有了一定的进步 我看到这道题以后 我先会想 石块进入水中以后 它上涨的幅度会上升的比船大还是比船小 因为船卸下石块以后 水面肯定会下降 我就想 石块进入水里以后 它上升的幅度是比船离开石块下降的大还是小 从这段口语报告可以看出这类学生能够突破平时的思维定势 找到问题的关键点 比较前后体积的大小 表明其思维的灵活性 在抽象模型上 做的很好 但是遗憾的是思维不够全面 对石块落入水后的分析错误 只考虑了也变得上升 而忽略了液面还会下降的关键因素 否则 很容易得出答案 这也恰恰说明学生在这方面思维能力的训练不够 看到题后 非常紧张 导致出错 117 3 C组下面是这类学生中的两个比较典型的口语报告材料 以下简称学生为C1 以下是C1同学的口语材料 T 先说说你的结论是什么 C1 我的结论是水面会上升 T 为什么会这么想呢 C1 当船载满了石块的时候 浮在水池里的时候排开水的质量大于没有石块浮在水面上的船排开水的质量 液是不变的 排开水的体积越大 浮力越大 把石块扔到水池里面 会占部分水的体积 水面会上升 当船没有石块的时候 排开水的体积就小 但水面也会上升 118 研究分析 这类学生基本上能够抽象出部分的模型 并能够对一些相关的物理量进行赋值 但是他们的定向表征很模糊 对模型的抽象不明确 当船没有石块的时候 排开水的体积就小 但水面也会上升 这说明分析出现了错误 在抽象模型上 这类同学错误的认为应该跟没有船的水面比 不能形成正确的抽象模型 因此在后面的解答也就出现了错误 另外 这类学生对于解决原始物理问题在思维上出现了混乱 虽然知道要应用阿基米德原理公式 但却不知道如何去找到相关的已知量 如何进行前后的比较 导致思维前后矛盾 出现偏差 最后导致错误的得到结论 119 4 D组下面是这类学生中的两个比较典型的口语报告材料 以下简称学生为D1 以下是D1同学的口语材料 T 这是一个什么方面的题你感觉 应该应用到咱们以前学的哪些知识 D1 应该应用到浮力 T 浮力 说吧 D1 我觉得它应该是上升 这事跟乌鸦用石块喝水挺像的 就是把那个 就换一个角度就把小水池 把乌鸦喝出来的水放大放成大水池了 意思就是把 然后如果说往里面添一个东西 它就会上升一点 所以就和乌鸦喝水一样 所以我觉得它上升 T 所以就和乌鸦喝水一样是吧 D1 嗯 T 没了 D1 嗯 120 研究分析 我觉得它应该是上升 这事跟乌鸦用石块喝水挺像的 因为那个看到这题我首先想到了我们做的一个实验 咱做的那个把乒乓球浮在水面上 然后那个水是没有显著的上升 按下去就特显著的上升了 从这类学生的口语报告我们看出 学生没有主动的去抽象模型 寻找相关的物理量 而是直接去联想生活中的经验和做过的实验 很显然 这类学生对这个问题并没有进行深入的思考 甚至没有认真审题 只是凭借想象 很快得到答案 笔者认为对于初中学生来讲 这种思维的出现十分正常 因为他们的思维能力还没有发育成熟 而又恰恰因为这一点 我们在进行物理教学时才更应该多引进一些原始物理问题去锻炼他们的思维能力 以使这类学生在遇到问题可以深入地进行思考 以求得到正确的结果 121 5 E组其它学生的错误都是个别出现的现象 在这里不再具体分析 只说明错误的类型 1 概念不清 不理解排水体积的含义 2 对物理现象模糊 分不清楚什么时候水面上涨和什么时候水面下降 3 公式用错 数学推导能力差 4 浮沉条件辨别不清 122 三 研究结论 本论文对学生解决原始物理问题的口语报告进行了研究 找到了几种比较典型而有代表性的学生解决问题的思维类型并进行了较为细致的研究分析 通过对学生进行思维诊断 从而得出研究结论 123 研究结论 一 原始物理问题比物理习题能够更好的甄别出初中学生的物理思维水平从这道原始物理问题较低的解答成功率可以知道 能够成功解决问题的A组学生只占了被测学生的20 还不足四分之一 不能正确解决问题的占到了80 超过了半数 这里面包括平时物理成绩比较好的学生 124 这说明初中学生在解决原始物理问题上还存在很大的不足 说明他们在解决物理问题的思维上存在着缺陷 而这些不足和缺陷 是在解决传统的物理习题中无法暴露出来的 对于使用阿基米德原理解决物理习题 学生们都很熟悉也很熟练 找到相关的已知量代入公式就可以求解了 但遇到这样一个实际问题时 学生感到十分茫然 不知道该从哪入手 就无法正确解决了 这说明原始物理问题在学生的思维训练过程中的思维诊断功能是物理习题所无法比拟的 125 二 在初中物理教学中适时适量的引入原始物理问题是完全可行的 能够成功解决这个问题的A组学生虽然不多只占到了20 但是在实验的过程中能够看到这类学生对原始物理问题丝毫不排斥 反而表现出了浓厚的兴趣 尤其在解答正确后有很强的成就感 甚至有意犹未尽的感觉 126 而从B组学生的口语报告数据分析可以看出 这类学生所占的比例为30 这类学生在解决原始物理问题的过程中 基本上能够正确的抽象模型 并能够正确的对题目中需要的相关的物理量进行赋值 结果离正确的答案很近 但是在最后的综合分析比较上出现思维的欠缺 通过对这类学生的分析 笔者认为 这类学生对解决原始物理问题还是有一定的潜力 思维方向还是非常准确 但这部分学生由于对原始物理问题接触极少 心理上的接受能力较差 比较紧张 导致最后阶段出现了一定的思维障碍 造成了结果出现了错误 笔者认为这类学生如果能够经常接触原始物理问题 那么能够成功解决原始物理问题的几率是很大的 所以在初中物理教学中适时适量的引入原始物理问题是完全可行的 127 三 传统的物理习题教学使一部分学生丧失了解决实际问题的能力 从C组学生的答题情况来看 所占比例达到了38 这类学生解决原始物理问题时 缺乏创造性思维 思维片面 依然停留在传统物理习题的思维水平上 总想着如何向物理习题靠近 能够找到一两个关键点 但是由于对原始物理问题比较生疏 128 无法正确的抽象物理模型的全部 也无法全面的对相关物理量进行赋值 因此我们可以看到 在传统物理教学模式下 学生能够解决习题 能够得到很高的分数 但他们并没有真正的学会物理 在本题中 大部分学生看到题以后 第一感觉就是怎么什么条件都没有 该套哪个公式 因为这些问题 在传统的习题中 都是不需要他们自己去考虑的 出题者都事先抽象出清晰的物理模型并