滲透原始問題解決 提升學生物理素養

潘巨升

【內容摘要】教師指導學生合作探究解決原始問題，不僅提高學生的科學探究能力，還可以養成觀察生活中的現象，找出與物理學有關問題的習慣，進而養成探究生活中物理問題的習慣。本文結合新課程實踐，闡釋了原始物理問題的內涵，探討了有效滲透原始問題提升學生素養的教學策略，并且提出了有關注意問題。

【關鍵詞】科學素養 原始問題 教學策略 注意問題

高中新課標的基本理念之一就是“加強與學生生活、現代社會及科技發展的聯系，關注物理學的技術應用所帶來的社會問題”。近幾年的高考試卷中漸漸出現了一些“準原始物理問題”如信息題、情境題等，基本上做到了貼近學生實際，聯系學科前沿，堅持理論聯系實際的原則，體現了運用所學知識解決實際問題的考查方向。物理教學中應培養學生喜歡觀察生活中的現象且找出與物理學有關的現象，并試圖運用已學物理知識來解釋。因此，高中物理教學適度適時滲透原始問題，既有利于物理教學回歸生活，培養學生理論聯系實際的學習作風，同時也有利于學生掌握科學思想方法，提高解決實際問題的能力，從而提升綜合科學素養。

一、原始物理問題內涵闡釋

所謂原始物理問題，是指自然界及社會生活、生產中客觀存在且未被加工的物理問題，也稱作實際問題。它來自真實的生活情境，只是對現象進行了描述，對學生來說是非常規的，不能靠簡單的模仿來解決，其中隱含的物理問題需要學生自己提出、求解并做出解釋，具有趣味性和挑戰性；并且需要學生對問題進行一系列加工才能得出答案，且答案不一定是唯一的。與之相對應的是抽象物理問題，即傳統的物理習題，是從實際問題中分析、簡化、抽象，經人為加工出來的物理問題。對學生來說是常規的，通過簡單的模仿就可以解決，一般具有唯一答案。

原始問題的表述形式是對科學現象的描述，它基本上采用文字敘述的方式呈現科學現象，與習題顯著不同的是：沒有習題中常常給定的已知量、未知量，需要學生根據需要去設置。典型的原始問題與習題舉例如下：

①大部分人認為坐在汽車里懷抱嬰兒是安全的，現在請你估測一下，在發生于瞬間的撞車事故中，需要多大的力才能抱住嬰兒？

②嬰兒由成人抱著坐在汽車里也是很不安全的，請計算：在一起發生在0.1s的撞車事故中，若撞車前車速為60km/h，那么成人需要多大的力才能抱住一個重l0kg的嬰兒？

根據原始問題與習題的概念不難看出第一個問題是原始問題，第二個問題是習題。雖然看起來是同一個問題，但對學生解決問題能力的要求顯然是不同的。第一個問題給人親臨現場解決問題的感覺，解決問題所需要的物理量、數據都沒有明確地給出，這需要學生根據自己所學物理知識明確解決問題所需要的物理量，進而想辦法測量、尋找證據。因此解決這個問題需要學生具有一定得科學探究能力和問題解決能力。并且通過解決這個問題可以使學生認識到自己所學的物理知識不僅僅是用作考試的，也可運用它解決現實生活中的問題。

第二個問題看起來似乎和第一個問題是同一個問題，但問題已經經過命題者的抽象、加工，所需物理量、數據都已給出，學生只要找到解決問題所需要的公式，經過簡單的數學運算問題就解決了。可見，原始問題來自真實的生活情境，它具有客觀真實性、開放性、隱蔽性和遷移性等特點。

二、有效滲透原始問題的教學實踐

1.依托實驗培養學生的科學探究能力

①運用日常器具進行實驗。物理實驗不能局限于實驗室的現有儀器和設備，學生身邊的日常器具也是重要的實驗資源。正所謂：“瓶瓶罐罐皆儀器，拼拼湊湊搞研究”。使用日常器具做實驗，具有簡易、直觀、經濟等優點外，更有利于學生課外自己操作，以發展學生獨立的實驗能力。例如在探究單擺周期與擺長關系時，可運用生活中常見的東西：小金屬球、繩子、鉛筆和膠帶組成單擺，并運用此單擺來探究單擺周期與擺長的關系。學生在實驗中能充分觀察物理現象發生、發展的全過程，體驗探究的過程，拉近物理學習與學生生活的聯系，激發學生科學探究的興趣。原始問題與學生的生活密切相關，在解決原始問題時利用日常器具進行實驗，更容易激發學生進行科學探究的興趣，使學生開動腦筋，利用自己制作的儀器設計實驗，完成自己提出的問題，發現隱藏其中的物理原理，這樣更有利于培養學生的科學探究能力。

②開展分組實驗，適當組織引導。學生分組實驗是在教師指導下，主要由學生獨立完成的實驗活動。做分組實驗時對學生不能放任自流，應有控制。實驗前根據實驗內容的需要和學生的具體情況對學生進行分組。一個班級的學生，有的善于動手，有的善于思考，有的表達能力強，教師可以將不同類型的學生合理分配，進行分工。這樣既可以培養學生的實驗能力，合作交流能力，又可以揚長避短因材施教增強學生的自信心。例如，在探究單擺周期與擺長的關系時：

首先根據實驗的要求教師可將學生分成每四人一組，根據每個學生的特點進行分工：實驗材料的管理員、觀察實驗的紀錄員、代表小組的交流匯報員等。進行實驗時在教師的指導下每小組利用小球、繩子、鉛筆和膠帶這些材料完成如下工作：用膠帶將鉛筆的一端固定在桌子旁邊，鉛筆的另一端露出桌子的邊沿；把小球系在繩子一端，繩子的另一端系在露出桌邊的鉛筆上；由小球、鉛筆和繩子組成的擺能夠自由擺動；測量小球在1分鐘內的擺動次數；各小組的紀錄員把測量結果紀錄在事先設計好的數據表中。當全班各小組學生測量的數據都通過投影儀展示出來時，就會發現每個小組記錄的擺動次數都不相同。一場關于為什么會出現這種現象的熱烈討論開始了。這樣將原始問題情境展現出來，可以激發學生科學探究的興趣，幫助學生發現和提出問題，培養學生觀察現象及提出問題發現問題的能力。

第二，引導學生對問題的答案進行猜測和假設。通過討論學生認為，造成擺動次數差異的可能是：擺動次數測量的不對或時間測量的不準；繩子的長度不同；小球的質量不同……通過討論交流，學生對問題答案做出猜測與假設，既培養了學生合作交流的能力，又培養了學生進行猜測與假設的能力。

第三，制定計劃和設計實驗。每個小組都選擇了一個猜測，并針對這個猜測在教師的引導下，小組內同學通過合作設計實驗。這樣就有效培養了學生制定計劃和設計實驗的能力。

第四，進行實驗與收集證據。各小組同學分別按自己的實驗計劃實施實驗，并收集有用的數據。這有助于培養學生的實驗操作能力和收集數據的能力。

第五，分析與論證。通過對每個小組所收集的數據進行分析比較發現，擺動的次數與繩子的長度有關，與擺的質量和振幅沒有關系。這也有助于培養學生處理實驗數據的能力。

第六，注意探究活動中未解決的矛盾，發現新的問題的能力得到培養。通過上面的探究得出了結論，證實了擺動次數的差異是由于繩子的長度不同造成的。那么擺動次數隨著繩子的長度的變化怎樣變化呢？于是，新的問題提出來了。根據所得數據，學生得出了結論：固定時間內，物體的擺動次數隨著繩子長度的減小而增加。那么單擺的周期應該也是隨著繩子的長度（即擺長的減小）而減小的。這時又有學生會問，周期和擺長之間的定量關系是怎樣的？于是又一個新的問題被提出來了。

2.引入生活問題，培養問題解決能力

教師應該利用學生所熟知的生活現象和自然現象、組織學生親身體驗的小活動、分析物理學史上物理學家們所遇到的困難和問題或分析科有關科學前沿的新聞資料所介紹的現象，創設原始問題情境，以激發學生科學探究的興趣，培養學生的問題解決能力。例如上面的問題①：大部分人認為坐在汽車里懷抱嬰兒是安全的，現在請你估測一下，在發生于瞬間的撞車事故中，需要多大的力才能抱住嬰兒？如何解決這個原始物理問題呢？首先要建立物理模型，根據我們所學的物理知識，找出問題中可能需要的物理量，并估計其數據的大小。（具體解答略）

3.促進自主學習，有效掌握知識

原始問題比常規習題更富有挑戰性和趣味性，故更易激發學生學習的熱情、引發深度學習，進而提高學習的質量。原始問題解決過程既是對學生閱讀審題、觀察分析、信息素養等能力培養的途徑，同時又有很多參與討論、師生互動合作探究的機會，促進了自主學習，有利于更好地理解和建構知識，有效掌握知識。而在學習完“曲線運動”一章后，可以將下面的原始問題留給學生課后完成：教師一手提著細繩的一端，細繩的另一端掛一重物，使重物保持不動。突然教師將重物偏開某一角度釋放，使重物擺動起來，突然繩子斷了（如圖所示）。

學生就會問：繩子為什么會斷。此時教師需要進一步引導學生：關于繩子為什么會斷，請同學們在課下運用本章所學知識來解釋，并設計一個實驗來測定你所使用的細線的極限強度（即線的極限張力）。建議全班同學按興趣或特長自由組合成為四個小組，在課下完成探究，兩天后在課堂上由小組推選代表將他們的探究情況向大家匯報。之后全班討論各組的探究過程，比較各小組的優缺點，以改進自己的探究方案。

4.借助原始問題滲透科學思想方法和情感態度價值觀教育

學生面對一個客觀真實的原始物理問題，如果找不到可以拿來仿效的原型，也沒有既得的經驗可以作為指導，只能通過獨立思考，不斷嘗試，對問題進行探索。這個探索過程將使學生的思維脫離線性的平衡狀態而進入非線性思維狀態，引發學生的各種想象、直覺、靈感等并在問題解決的全過程中。學生常常必須經歷分析問題、選擇模型、建構模型、分析模型等環節，需要使用假設、等效等多種科學方法，從而真正促進了學生科學素養的提升。

還有一些原始物理問題要涉及到信息的處理和計算，例如：在2008年的奧運會上，我國跳水運動員以優美的動作為我國贏得多塊金牌，而現代競技跳水的跳水池規格一般為25米25米（長寬），那么跳水池的深度應該是多少才能使運動員展現優美動作而且沒有危險呢？對于該問題，學生需要分析問題切入點。一要以人為本，池足夠深而不致危險；二要符合節約型理念，不需太深。要考慮到落水前速度、入水后人體的受力模型分析，需要估算人體體重、查閱一些水阻力系數、阻力公式等信息，再通過牛頓第二定律列式求解。最終可得跳水池的深度應該在5m以上，以保證運動員的安全，又不會造成成本資源浪費。可見，教師適當引入生活中的各種現象，可以引導學生多思考其背后的原始物理問題，讓他們學會觀察和思考提出問題以及學會解答問題，在問題解決過程中有效滲透科學思想方法和情感態度價值觀教育，落實三維課程目標。

三、物理教學中引入原始問題的深層次思考

1.選擇適切的原始問題素材，增強教學針對性

原始問題來源于我們身邊的客觀現象。為此，教師應思考何時需要引入原始問題、目的何在？要根據教學的需要有選擇地引用。而不是將所有問題都原始化，關鍵是運用要適切。例如：體育競技中的緩沖、踢球和投擲技巧、運動姿態等現象中的原始物理問題，適合引入到運動學和動力學知識的學習中，可達到使抽象的物理知識形象具體化、啟發學生學以致用的目的。類似的例子不勝枚舉。

2.注意習題與原始問題的相互轉換

從原始問題轉換到習題，旨在培養學生的建模能力；從習題轉換到原始問題，旨在培養學生對現實生活現象的觀察力和問題意識。例如，在學習了動量定理，從習題訓練切換到探索“飛鳥與飛機相撞的危害？”、“運動員摔跤后在地面翻滾的作用？”等原始問題，可深化學生對沖力與作用時間關系的理解，感悟物理就在身邊、蘊含于生活現象中。原始物理問題既保持了真實世界的“原汁原味”，又是隱含深刻物理學規律的知識鏈。把它作為習題教學的一種補充、提升和問題解決教學的重要切入點，更能體現“從生活走向物理，從物理走向社會”的新課程理念，符合科學教育的培養目標。它將拓展教育工作者的教育視野，引起人們思維方式的轉變。

3.有效發揮計算機技術的輔助作用

數據處理是實驗中的一個關鍵環節，但在實際實驗過程中，有些實驗數據的處理比較繁瑣，并且由于不同的人對實驗結果有不同的認識，每個人的處理數據的方法習慣不同，很容易造成一些不必要的誤差。在應用計算機輔助物理實驗教學中，這個問題很容易解決，教師可以提前將公式進行編程，根據測量結果代入數據由程序完成計算任務，減輕師生的計算量，使學生有時間對整個實驗進行回顧，對實驗結果進行分析，對實驗中發現的問題進行思考，也便于檢查實驗數據是否正確，有利于提高學生的實驗能力。在實驗中往往還要根據實驗數據進行繪圖，并從圖像上得到一些有用的數據，為進一步得到實驗結論打好基礎。通過繪圖，在圖像上可以一目了然看出實驗數據的好壞，根據實驗數據所繪圖像可以定性地得出數據所遵循的規律，為定量分析打好基礎。以前繪圖是用手工在繪圖坐標紙上完成的，繪圖時誤差較大，往往是同一組數據，不同人所得的繪圖不完全一樣，無形中引入了實驗誤差。在應用計算機輔助物理實驗教學中，應用軟件在計算機上進行繪圖，能較好的解決上述問題，有利于我們分析圖像，得出有用的正確結論。

4.積極開展課外活動，延伸探究活動空間

目前高中師生面臨的主要壓力仍是高考，教師不可能將大量時間用于探究式教學，學生的大部分時間還是用到習題上，因此學生的探究能力得不到很好的培養。將原始問題引入物理教學中，就會使學生養成主動觀察生活中的現象，尋找與物理學相關問題的習慣，在課外學生也愿意參加各種探究活動，因而教師就可以將解決原始問題以課外探究活動的形式留給學生，使學生在課下對原始問題進行思考探究，以培養其科學探究能力。例如，一輛汽車陷入郊外的泥坑中，四周空無一人，只是在不遠處有一顆大樹，現在車內僅有一條足夠長、足夠結實的繩子。請問司機如何才能運用自己的力量把車從泥坑中拉出來？要求，把問題轉化為物理問題，并寫出完整的解決方案，問題解決后，請設計一個簡單易行的實驗方案，驗證你的拉車方法。學生通過在課外合作探究解決原始問題，可以有效激發學生科學探究的興趣，提高學生的科學探究能力和問題解決能力，進而提升綜合科學素養。

【參考文獻】

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