基于科學探究模式下原始物理問題的教學研究
——以力的分解為例

周 穎

(四川師范大學物理與電子工程學院 四川 成都 610101)

1 原始物理問題概念界定

原始物理問題概念最早是于克明教授提出，之后由首都師范大學的邢紅軍教授對其概念進一步完善．原始物理問題是來源于生活，通過對現實世界中物理現象的觀察后，而提出對現象和事實背后原因的疑問[1]．

相比于常見的物理習題，這類問題與生活聯系更加緊密．在中學物理教學中引入原始物理問題，可以使學生形成良好的物理思維，促進學生更深入地掌握物理知識．同時，原始物理問題可以發展學生的思維品質，提高學生解決問題的能力．并且，利用原始物理問題進行評價可以更好甄別不同學生的能力水平．

目前，在我國原始物理教育理念已經逐漸形成并成為教育領域改革研究的熱門話題.

2 科學探究下的原始物理問題教學模式

通過對原始物理問題解題過程的研究發現，原始物理問題的解決具有6種表征：抽象表征、賦值表征、圖像表征、方法表征、物理表征和數學表征[3]．原始物理問題解決的過程大多數情況會經歷以下步驟,如圖1所示.

圖1 原始物理問題解決過程

筆者發現原始物理問題的解決過程與科學探究教學過程存在一定的聯系，并以這兩種教學理論為基礎，試圖將二者進行有機結合，設計新的教學模式，從而將科學探究融入到日常物理教學之中，新的教學過程如圖2所示.

圖2 基于科學探究模式下原始物理問題教學過程

3 教學過程設計

本文在“力的分解”教學實踐的基礎上，探討科學探究模式融入原始物理問題的教學設計，探索科學探究模式與原始物理問題解決過程的有機結合，以實現培養學生科學素養的教學目的．

3.1 教材分析

“力的分解”是繼學生學習了“力的基礎知識”和“力的合成”之后，學生在此利用平行四邊形法則處理矢量問題．由于分解法是處理 “力的運算”的手段和方法．它為位移、速度、加速度等矢量的分解及牛頓第二定律的應用奠定了基礎．“力的分解”能夠解釋生活中的一些物理現象，與社會生活聯系緊密．

3.2 教學過程設計

本節課的教學設計是以解決兩道生活中常見的原始物理問題為主線而開展的教學活動．所以，將本節課的教學主線明確為：

提出問題—轉化問題—建立模型—模型分析—解決問題—反思交流．

原始物理問題呈現的是實際生活中常見的物理現象，如何從實際現象出發解決實際問題，是本節課的關鍵所在．在兩道原始物理問題解決的過程中，將該兩道原始物理問題轉換為解決“力的分解”是解決原始物理問題的關鍵，建立物理模型是本節課的難點所在．通過對物理模型的分析，如何運用矢量的平行四邊形法則進行分解是本節課的重點．

英語專業翻譯教學主要以翻譯理論和翻譯技巧為切入點，老師需要站在學生的角度，以提高學生的翻譯能力為最終的教學目標。但是結合相關的實踐調查可以看出，在傳統的翻譯課中老師只關注翻譯技巧的講授，大部分以簡單的知識灌輸為主，老師在課堂教學的過程之中扮演著主角，學生只能夠被動地接受老師的引導，實際的參與程度不容樂觀。這種教學模式不僅不符合素質教育的實質要求，同時還難以真正的發揮學生的主觀能動性，難以更好地提升學生的反應能力和翻譯水平。

3.3 教學過程設計說明

(1)創設問題情境，引發認知沖突

向學生展示立交橋的圖片如圖3所示，提出第1個原始物理問題．立交橋是一種現代化橋梁工程，以多層道路在三維空間上形成立體交叉為基本特征．它是人類交通現代化和生活地區城鎮化的必然產物、城市公共基礎設施之一，是當代社會高效運輸體系中不可或缺的重要一環．立交橋通常都有長長的引橋，為什么立交橋會建設如此長的引橋呢？

圖3 立交橋

展示第2個原始物理問題如圖4所示，在電影《泰坦尼克號》中，男主角杰克被霍克利誣陷偷取“海洋之心”，關在下層船艙．女主角蘿絲相信杰克是無辜的，在關鍵時刻用斧頭劈斷鎖鏈，救走杰克．斧頭是生活中常用的一種砍削工具，人們是如何使用斧頭劈開東西的呢？

圖4 電影《泰坦尼克號》中蘿絲用斧頭劈斷鎖鏈

設計意圖：學生的學習是一個認知結構不斷調整、完善和發展的過程，是邏輯思維呈螺旋式上升的過程[4]．教師從學生的學習動機出發，創設出直觀的原始物理問題情境，引發學生的認知沖突，在打破原有的認知平衡后，形成新的平衡狀態．通過以生活素材和電影素材來建設問題情境，并用圖片來進行直觀的展示，學生將帶著好奇心進行學習，并主動參與到解決問題的過程中．

(2)引導學生思考，作出假設，進入課題重點

教師引導學生思考，立交橋之所以建設長長的引橋，主要改變的是什么？斧頭能夠砍削東西，除了斧頭的材料，更主要是因為斧頭有什么樣的形狀，為什么這樣的形狀能夠使斧頭更加利于砍削？將實際問題抽象，轉化為物理問題．

原始物理問題呈現的是一種物理現象，產生一種物理現象往往是有多方面原因的．教師鼓勵學生對立交橋建設長引橋和斧頭形狀制造的原因進行大膽猜想．這些猜想中有合理的和不合理的存在，比如立交橋建設長引橋是因為美觀，又比如斧頭樣子是為了減少受力面積，增大壓強．對于這些猜想，教師可采用小組討論法，讓學生互相討論并一一甄別．討論最后教師可提示學生，從之前已經學習的重力、彈力、摩擦力、力的合成等知識，引導學生從受力方面去考慮解決這兩個問題．

(3)構建物理模型，分析模型

解決物理問題，首先應該建立物理模型．物理模型能夠將物理問題簡單化，更利于理解和解決．

立交橋引橋可以看作是一個簡單的斜面，將立交橋上的汽車簡化為斜面上的物體．忽略次要因素，抓住主要矛盾．所以將斜面進一步轉化為光滑斜面，且進一步忽略空氣阻力和汽車牽引力等復雜因素．引導學生猜測使物體下滑是因為什么原因，引出對重力進行力的分解．力的合成遵從力的平行四邊形法則，力的分解是力的合成的反運算，所以，力的分解一定遵從平行四邊形法則．但是，一個力若按平行四邊形法則進行分解，它將有無數種分解方法．如何選擇一種力的分解方法，可以使物理問題得到有效地解決？教師在此刻，可根據實驗簡化，將鐵架臺、鋼尺和物塊組成的物理實驗裝置，進一步模擬出立交橋引橋的實物模型．通過對物體沿著斜面下滑和鋼尺會發生下凹的情況進行分析，解釋出這是重力的兩個作用效果，一個垂直于斜面，一個沿斜面向下．很明顯，這時候就可以根據重力的兩個作用效果，確定出重力分解的兩個分力的方向，如圖5所示．確定了分力方向后，再根據平行四邊形法則進行“力的分解”．

圖5 重力分解示意圖

同理，為了解決斧頭砍削原理，可建立斧頭的物理模型，將斧頭抽象化為一個劈形物體，忽略各種阻力，并對作用面進行一個理想化的處理，斧頭作用時的受力分析如圖6所示．斧頭除了自身重力外，還受到一個人對其的作用力，這兩個力的作用都是指向劈形的劈尖，所以可將這兩個力合并為合力F．合力F的作用是為了劈開物體，所以它的作用效果是垂直于兩個劈面的．確定作用效果后，再對其運用平行四邊形法則進行“力的分解”．

圖6 斧頭作用力分解示意圖

(4)運用數學方法，解決物理問題

在對第1道原始物理問題的物理模型進行分析后，發現重力沿斜面向下的分力

F1=mgsinθ

當斜面的傾角θ變小時，sinθ變小，即F1變?。攦A角變小，汽車上坡時更加省力，下坡時更加安全．所以，在高度一定的情況下，要使傾角減小，只有使斜面增長，就可以解釋立交橋建設長引橋的原因．

同理，第2道原始物理問題中，若劈尖的劈角為2θ，則

當劈角θ變小時，sinθ變小，F1變大．所以，斧頭的刃越鋒利，除了增加壓強利于砍削之外，還可以更加省力．

(5)得出結論，反思與交流

通過對以上物理模型的分析，從“力的分解”的角度出發，解答該兩道原始物理問題．第1道原始物理問題，立交橋建設長長的引橋，是為了減小重力沿斜面的下滑分力，這樣的行駛更加省力和安全．第2道原始物理問題，斧頭做成劈形，劈尖越尖銳，越容易劈開物體．

本節課提出的兩個原始物理問題都是生活中常見的.生活中可以用“力的分解”解釋的現象一定還有很多，教師可鼓勵學生課后收集材料，自己編制原始物理問題，并相互討論．

4 結束語

由于自身平時生活經驗有限、觀察不足等原因，原始物理問題對于學生而言雖然接近生產生活本身，但也會造成學生對原始問題本身理解的困難．本次教學設計通過采用圖片、電影故事情節來呈現原始物理問題，使問題本身更加直觀和有趣，有利于開展本次教學．

由于原始物理問題涉及多方面因素，應用原始物理問題到物理教學中需要注意以下事項：

(1)原始物理問題的編制——原始物理問題一定是反映的物理現象中的物理問題，所以其一定是符合客觀事實的．

(2)原始物理問題的物理模型——建立物理模型，需要培養學生抓住主要矛盾，忽略次要因素，在解決問題的過程中將原始物理問題理想化和抽象化．

(3)接受原始物理問題的多種解答——由于原始物理問題涉及的因素是多方面的，所以教師在課堂中鼓勵學生充分發揮想象，找出問題的多種原因．