2020年基于原始物理问题提升高中生构建物理模型能力的相关理论探讨论文

基于原始物理问题提升高中生构建物理模型能力的相关理论探讨论文 赵凯华先生在我国赴美物理研究生考试（CUSPEA）历届试题集解序言中指出：“在我们的教学中，同一物理问题，既可以把原始的物理问题提交给学生（有时可以同时给一些提示，或者通过一系列小问题引导学生去思考整个解决问题的途径）；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。”13据此，我们把物理问题分为两大类：一类叫做“原始问题”，另一类称作“抽象问题”也就是通常所说的习题。（关燕） 所谓“原始”从字面意思可以理解为，最开始，最初的状态，“原始问题”即为问题初始的本身。笔者通过查阅文献发现对于原始物理问题的定义有很多，本文采用邢红军教授对于原始物理问题的定义：所谓原始物理问题，是指自然界及社会生活、生产中客观存在能够反映物理概念、物理规律本质且未被加工的典型物理现象和物理事实。（书） 与原始物理问题对应的是物理习题，也被称为抽象问题，抽象问题是指从实际问题中分解、简化、抽象，经人加工出来的物理问题。也有人称为“概念题”为巩固物理概念（包括规律）而编选的问题（谈“原始问题”与能力培养 于克明） 确切地说，原始物理问题的表述形式是对物理现象的描述，原始物理问题大多数是采用文字的形式呈现物理现象（刘利），没有物理习题中常有的已知量、量。而物理习题则是把物理现象经过一定程度抽象后加工出来的练习题（书，4），两者的关系如下图所示 从图中我们可以出来原始物理习题的区别与联系，物理习题常常忽略前面的部分，侧重图中虚线部分的演算与推导环节，需要设置的物理量，已经被编写习题的人员设置完成，学生只需根据习题中的已知条件就可解题，这使得学生在遇到实际的问题时常常束手无策，不知道从何入手。相比而言，原始物理问题一般采用文字叙述的方式呈现物理现象，没有物理习题中给定的条件，学生需要根据原始物理问题中呈现的情境，通过假设、分析等手段自行设置解题需要用到的物理量，进而构建物理模型，解决问题。（书，4） 下面通过两道题目来体会原始物理问题与物理习题的区别： 例题1：如图，排球 如图排球场总长为18m，设网高度为2。25m，运动员站在离网3m线上正对网前跳起将球水平击出设击球点的高度为2。5m，试问击球的速度在什么范围内才能使球既不触网也不越界？ 例题2 排球运动在各类体育运动项目中很常见。请你通过定量推导说明，排球的发球速度在什么范围内，才能保证发球时排球既不触网又不越界。 例题1虽然在呈现的方式上联系了现象，但却提供了完备的已知条件，其实它并没有提供给学生完整而真实的问题情境，（廖建平）显然它是一道物理习题 例题2没有提供任何物理量，学生需要通过抽象，简化，假设等方法提取信息，设置解题所需的物理量，并运用物理知识解决问题。所以它是一道反映真实物理现象的原始问题。 通过对原始物理问题与物理习题的定义的分析，讨论，我们把原始物理问题与物理习题的区别如下 原始物理问题物理习题 真实的生活情景一部分真实的生活情景，一部分是对了考察学生对物理知识的掌握程度设置的非生活情景的习题 是对物理现象的描述，没有对物理现象进行抽象不是对现象的描述，二是对现象进行抽象、简化 基本是文字描述，通常不会给定已知条件，其中隐含的常亮、变量需要学生自己设置。虽然也是文字的描述，但所有已知条件都已给出，不需要学生自己去设置 通常没有示意图，问题解决的示意图，需要学生自己通过分析画出解题所需要的图像一般题中已经画出，不需要学生自己画出 对学生来说不是常规的，很难靠简单的模仿来解决对学生来说是常规，可以通过简单的模仿解决 具有趣味性和魅力，能引起学生的积极思考和向学生的智力发出挑战通常枯燥乏味，主要训练学生知识的掌握程度 具有开放性，不一定有唯一的答案，不同学生会有不同的思路，可以由浅入深的回答封闭性较强，通常答案唯一 解决它需要伴以个人或者小组活动个人解决，不需要小组合作 （廖建平） 虽然当前的物理习题不断在向真实的物理现象靠拢，但是物理习题提供的完美详细的物理量数据是习题最大的弊端，它限制了学生的想象和抽象思维，以至于学生那种透过现象抓住事物本质的能力不能显现出来。学生在遇到问题时，常常习惯用系统的理论工具按部就班地进行详尽的计算，却不能启发、顿悟式地变换方法来解决问题。而原始物理问题则是把问题解决所需要的物理量隐藏在文字描述的真实物理情景中，并没有直接呈现给学生，因此学生想要解决问题，就离不开对想象进行综合的分析，自己通过假设、抽象等手段自行设置需要的物理量，构建模型，然后解决问题（书，143）与物理习题相比原始物理问题更能促进学生构建物理模型的能力，具有较高的可行性。 通过与物理习题的对比，发现原始物理问题具有如下特点： （1）开放性 大多数的物理习题，不管是解题方法还是习题答案都具有唯一性，解题思路封闭性强，这在很大程度上限制了学生的思维，导致学生常常不会举一反三思考问题的广度和深度都得不到很好的锻炼，思维死板，定势，创造力低下，而原始物理问题弥补了这一缺点，（马朱琳）首先，原始物理问题的取材具有开放性，不仅仅限于物理教材，（王少静）习题册，更多的贴近学生的实际生活，联系生产、生活的实际，以科学技术为背景，不仅可以扩宽学生的视野，而且缩短了物理知识与实际生产、生活的的距离（王少静）。其次，原始物理问题的问题指向不明确，答案不唯一，那么学生解题过程的策略将呈现多途径，答案结论具有多样性，再加上，不同认知水平的学生思考问题的切入点、深度不同。所以必定呈现多种多样的解题方法，解题策略和解题途径。达到了，“ _，百花齐放”的效果。 例如：在绕地正常运行的天宫一号中如何测量物体的质量？题目中没有提供任何物理情景，物理现象和物理量，学生不能像物理习题那样依据已知条件，运用思维定势解答问题，不同认知水平的学生会有不同的切入点和突破口。学生会对此问题产生激烈的讨论，有的学生可能会说用弹簧测力计、天平等直接测量出物体的重力，再换算成质量，显然此种方法在天宫一号中无法实现，这也暴露了学生在学习中对知识理解的偏差，学习程度好点的同学会意识到这种错误，提出反驳并解释其错误的原因。有的同学可能会在头脑中搜索关于质量的公式，从而提出用牛顿第二定律求质量，或是利用弹簧振子做简谐运动的周期公式求解，还可能提出利用阿基米德原理通过浮力求解质量，方法之多，思路之广，体现了原始物理问题开放性的特点。 开放性的原始物理问题使学生从多角度，多方面，多层次的认识问题、思考问题。能很好的训练学生的发散思维，而学生物理模型构建的核心就是科学思维的运用，显然原始物理问题在促进学生物理模型的构建方面有重要的意义与作用。 （2）客观、真实、生态性 原始物理问题的背景生产、生活中真实的问题情景，（侯立建）现实世界客观存在的问题，是对现实世界的真实反映。（关燕。廖建平）具有客观、真实性。原始物理问题的表现形式是对现象的描述，其中没有已知量，对问题不进行任何的加工处理，信息具有复杂性和丰富性，因此保持着问题情景的原始特点，而习题则是把物理现象进行抽象、简化经人为加工出来的练习作业，所有已知量都给出，这一区别表明原始物理问题是生态化的而习题则缺乏生态性客观真实性是原始物理问题的根本特性（关燕）它让学生感受到物理知识与生活实际的联系，深切体会物理知识对于社会生产，人民生活的巨大作用和意义。 比如在例2中，呈现是一个客观存在的真实问题情景，有效的信息和干扰信息同时存在（关燕）学生需要在复杂纷扰的信息中提取出对解答本题有用的信息，并对信息进行梳理和加工，在这个过程中学生提取、加工、处理信息的能力也得到了锻炼。 （3）科学性。 物理学本身是一门严谨、科学的学科，其中包含的定义、定理、定律既要经得起逻辑的推理和数学证明，也要经得起实验的验证和实践的检验（马朱琳，科学性）。原始物理问题反映的物理概念、物理规律是具有科学性的。原始物理问题的编制也是以事实为依据，以科学为准绳，学生通过分析建模得到的结论要符合事实。 （4）趣味性 兴趣是学生最好的老师，学生面对问题有强烈的好奇心和兴趣时，就会激发他们的内部动机，产生认知驱动力，主动的去探索、探究问题。（马朱琳）原始物理问题贴近学生的生活，与社会生产、生活、紧密联系，是自然界或是科学研究、现代科技的某个真实问题情景，这就使原始物理问题融入了大量有趣味性的感性材料，客观真实的反映日新月异的科技社会，让学生感受物理生动鲜活的一面，产生对物理的兴趣，并激发学生的好奇心和求知欲，从而调动学生的积极思维去探寻物理的奥妙，在解决问题时，学生体会到物理知识的力量，（廖建平）感受到物理知识对于科技发展的重大作用，从而使直观兴趣，逐步上升发展成操作兴趣，理论兴趣（廖建平）。举例如下： 在宠物商店买了热带鱼后，商家一般都会将鱼放在装有水的塑料袋里，方便你将它带回家。如果你将装有一条鱼且没有打开的塑料袋直接放入家里的养鱼缸中，那么图示的各种情况中，哪种最有可能发生？说明理由（原理与问题。常晓慧） 解析：本题选自原理与问题第章“物质的状态”章末评估习题的题，主要考查本章第三节中浮力的知识，鱼可以通过改变鱼鳔的大小改变所受浮力，从而使浮力（排开水的重力）与鱼自身的重力相等，塑料袋内水的重力与塑料袋排开水的重力相等，忽略塑料袋自身的重力，最可能的情况是养鱼缸与塑料袋内的水线齐平。 本题学生的生活，学生比较熟悉，也有买鱼回家的经历，这样就很容易唤起学生的兴趣和求知欲，激发学生的内部动机，通过积极思维运用物理知识解决实际问题，同时也能培养学生热爱生活，善于观察周围事物现象的良好习惯，愿意积极体验生活，思考问题、分析问题的习惯。 （常晓慧） 物理习题常常是结构良好的模型化情境，剔除了生活情境中丰富趣味性的因素，只留下有利于巩固物理概念、物理知识的条件，（李梦梦）虽然学生能很快从中找到问题的答案，但是却使习题缺乏物理学科的趣味性，变得枯燥无味，也不利于促进学生物理模型的构建。 （5）隐蔽性 原始物理问题是现实世界的客观反映，具有客观真实性，从而就会表现出物理条件与相互关系的隐蔽性和知识的迁移性（关燕，廖建平）问题与条件的联系不明确（侯立建），问题应该与什么知识发生联系，应该运用哪些物理概念，物理规律，应该建立什么样的物理模型。这些都隐蔽在原始物理问题中，学生并不能一目了然，需要学生在复杂纷扰的信息中对信息进行综合考虑，概括、抽象提取出问题与条件的联系。对物理问题在头脑中有清晰的图景。学生对已掌握的物理概念、物理规律进行有效的迁移才能解决问题。 在问题解决研究领域，自20世纪80年代，人们就开始以物理学科知识为例构建问题表征理论。所谓问题表征，是指人们根据问题所提供的信息和自身已有的知识经验，发现问题的结构，构建自己的问题空间的过程，也是把外部的物理刺激转变成内部心理符号的过程。概括起来，表征是贯穿问题解决的一个动态过程，它涵盖了从呈现问题到解决问题的全过程。（书27） 在物理问题表征研究中，著名的物理教育家、美国华盛顿大学的麦克德莫特和拉金于1978年第一次提出了物理问题解决的表征理论。他们认为问题解决者解题时通常有四个表征步骤：第一步是关于问题陈述的文字表征；第二步为朴素表征，在该表征中含有问题所提及的物体，相互的空间关系以及整个问题情景的概括，这也是对真实世界的表征，在问题中描绘了真实世界的物体，所以称其为“朴素”表征；第三步为物理表征，该表征中含有理想化的物体以及相应的物理概念，如，力、动量和能量等，该步骤与解决问题的方法有关，并且是产生数学表征的必要基础；第四步是数学表征，即将物理表征的各物理量用方程的形式表现出来。（28书）其中文字表征和朴素表征属于外部表征的范畴，物理表征属于内部表征范畴。（侯建芳）侯建芳在其硕士论文中通过实验研究验证了学生在解决原始物理问题和物理习题时在朴素表征和物理表征方面存在比较明显的差异。 邓铸提出物理问题解决的表征态理论，认为问题解决是问题表征状态不断变化的过程。这种变化经历了六个表征状态，包括：无表征状态、外部表征状态、初级内部表征状态、低级范畴性表征状态、高级范畴性表征状态和符号化表征状态。这些表征状态未必按照某种确定的顺序出现，而是形成多种不同的变化模式（书 5 邓铸 问题解决的表征理论）。 基于此，邢红军教授以协同学为理论基础，采用生态心理学的研究取向，将原始物理问题作为研究对象，提出了原始物理问题解决的自组织表征理论，表征层次包括定向表征、图像表征、赋值表征、物理表征、方法表征以及数学表征。（书 5）表征层次如图 原始物理问题的表征包括七个层次。其中，在虚线框内是习题解答的三个表征层次。 根据以上问题解决的表征理论，特别是邢红军教授的原始物理问题的表征理论，将原始物理问题的解决过程分为以下几个步骤： 在这个阶段，学生需要对物理现象进行分析，用概括性的语言进行描述，判断原始问题是一个什么方向的问题。当对问题情景不熟悉时，学生需要通过直觉、想象、联想等非逻辑思维，运用已知的理论，凭借不完整、不连续、不严密的逻辑对原始问题形成适应性、启发性的领悟（书 15）由于原始问题呈现的不明确性，这一过程通常表现出突变性。而且由于学生的认知水平和知识储备有所差异，对物理现象进行描述的方向和侧重点会有所不同，对于同一个现象，可能会发散出不同的问题。（邢红军，书 15） 在这个阶段，学生要弄清楚问题是什么，即通过问题的特点，分析提取出原始问题的本质，在明确问题本质之后，要弄明白问题所涉及的相关知识和科学背景。确定问题解决所涉及的研究对象，决定舍弃什么，保留什么，抓住主要因素，忽略次要因素，通过分析、综合、比较、抽象出事物的本质，以及物体之间的相互作用关系，把原始物理问题转变成抽象问题。（王少静，上面的朴素） 运用相关的物理知识建立适切的物理模型，并且在确定了问题的研究对象、 研究过程，以及相互之间的关系