基于核心素養導向的物理原始問題教學

施云芳

（杭州市余杭第二高級中學，浙江 杭州 311100）

一、從一個考題說起

浙江省2017 年11 月選考卷有這樣一個試題：

【例1】 如圖1 所示，照片中的汽車在水平路面上做勻速圓周運動，已知圖中雙向四車道的總寬度約為15m，假設汽車受到的最大靜摩擦力等于車重的0.7 倍，則運動的汽車

A.所受的合力可能為零

B.只受重力和地面支持力作用

C.最大速度不能超過25m/s

D.所需的向心力由重力和支持力的合力提供

簡單的應試，這道題容易解析：汽車在水平馬路上做的是勻速圓周運動，合外力時時刻刻指向圓心，拐彎時靠靜摩擦力提供向心力，因此排除錯誤選項可以選擇C。如果我們的教學只止步于正確答案，那么學生的核心素養僅體現在物理觀念層面上，只是從運動和相互作用觀念的視角，初步解釋了汽車轉彎這一自然現象，而本題的核心問題“汽車轉彎的最大速度”仍然未得到解決，同時也錯失了培育學生物理核心素養的良好契機。

若進行下一步追問“速度是不能超過25m/s 而不是15m/s”，那又該如何分析？根據得最大速度，需要知道轉彎半徑才能求出v。題目中指出雙向四車道總寬度15m，這就提示了應該按照圖示比例來估算彎道的半徑。根據生活經驗，觀測長度時會出現“遠近高低各不同”的問題，但在同一橫線上，長度的比例大致相同。因此通過圖片橫向比較，可得彎道的半徑大約是車道總寬度的4 倍（如圖2），即彎道的半徑大約60m，求得v ＝20.5m/s。

本題通過生活經驗也可以判斷：汽車的速度要是為25m/s，也就是為90km/h，假如問一個沒學過高中物理的司機：“以90 碼的速度在水平路面上轉彎可以嗎？”他一定會說：“這是危險駕駛，可能會向外側翻！”這說明司機可能不知道勻速圓周運動的物理知識，但根據生活常識他也能做出判斷，而15m/s 的速度相當于在城市街道上正常行駛的速度，用這個速度進行大轉彎行駛，認為安全是有保障的。所謂“讀萬卷書行千里路”，生活經驗的積累其實也是一種智慧。

本題以圖片的形式呈現了一個信息龐雜、客觀真實的情景，要求學生從中推算出汽車轉彎的最大速度，這使人想起20 世紀60 年著名的“照片泄密案”，據說日本人曾根據《中國畫報》封面刊出的圖3 這張照片，破譯了大慶油田的許多秘密并贏得商業先機。這些源自自然及社會生產生活中，且未被加工或很少被加工的物理問題，我們稱之為原始問題。

從【例1】中我們不難發現，原始問題有這樣一些特點：背景的客觀性，現象的復雜性，條件的隱蔽性，思維的多樣性，結果的開放性。正是原始物理問題的這些特點，解決原始的物理問題包括一些基本要素：如模型的建構、科學的推理、科學的論證、質疑與創新。因此，原始的物理問題對于培養高中學生的物理核心素養，以及培養高中學生科學的思維方式有著獨特的教育價值功能。

二、原始物理問題的理論建構

皮亞杰雙重建構的理論指出：對知識的建構過程是主體客體相互影響的過程，其中蘊涵了雙向的建構過程，通過環境中得到的信息提煉轉化成認知的結構框架，即內化建構的過程，而形成的認知結構能反過來作用于外部環境，即外化建構的過程。在物理教學中，教師向學生傳授物理知識的過程，本質上是一個認識的內化建構過程，而后者外化建構過程是讓學生用學過的物理知識來解決某些實際物理問題的過程。

在當前的物理教學中，我們往往習慣把物理課程的內容開展得井然有序，對學生可能出現的問題逐一警示勸誡，盡量不給學生在課后物理練習中留下疑點和難點，即對學生自己內化建構給予了足夠的重視。需要不斷強調的是學生在聽講、解題、應試等過程中，始終針對內化建構進行活動開展。因為，傳統的物理習題往往是直接給出抽象、簡化的物理模型，偏向訓練演算和推理，一般都會給出相應的物理量或已知條件，學生只需運用相關知識，按常規方法即可以自行解決問題，這在很大程度上是模仿。顯然，外化建構的過程被忽視了。

人的思維方式在學習中不斷提升，通過認知的過程是把腦海里原有的固化模型被新的認知打破平衡，產生了對認知體系和方式的改變或是重組，從而讓原有的思考模式得到提升。物理教學中的習題和原始的物理問題有著一定程度的區別，通過前者物理習題的教學方法讓學生形成和鞏固為已有的正確的認識水平，而后者提出的原始物理問題會激發學生聯系實際，修正已有的思維方式和水平，從而起到一個動態前進的平衡狀態。原始物理問題的呈現方式是對周圍真實情景的具體描述，學生一般沒有現成效仿的原型，而某些已知條件又具有遮蔽性，需要自己聯系實際生活和常識，對觀察到的現象進行分析、評估來獲取，內化自主的建構實際的物理模型。從某種程度上說，我們進行的傳統物理的習題教學是讓學生運用生活中經驗知識來解決間接經驗問題，而原始物理問題教學則是學生運用間接經驗知識解決直接經驗問題。解決原始的物理問題的過程也是學生達成內化建構和外化建構相互統一的過程。

三、開展原始物理問題的教學策略

需要指出的是，【例1】命題也不能完全算是一個原始問題，試題給出的一些數據是學生通過生活經驗可以獲得的，所給出的選項也是值得進一步商榷。這也反映了命題者投鼠忌器的兩難境地心理，一方面期望能把學生真實的能力水平通過考試體現出來，能讓高考命題對中學物理的教學發揮引領方向的作用，因此采用通過原始的物理問題來取代傳統習題訓練。但是這樣的方式會使得分率較少，成績不理想，進而對中學物理的教學現狀造成很大的沖擊。而且【例1】命題是以選擇題的形式出現，有猜測得分的機會，掩蓋了會與不會的界線，不能反映解題思路，不利于綜合測量、評價等高層次目標。

正是由于這兩方面的因素，原始物理問題內在的教學價值易被忽視。但也正是【例1】這一命題思路給我們的教學一些啟示：可以在傳統習題與原始問題的互補中，尋找兩者之間互補的結合點，以提升習題教學的質量。

（一）挖掘傳統習題中的核心素養要素，引導思維方式的轉變

強調原始物理問題的教學功能，并非否定傳統習題教學的重要作用。應堅持發揮好傳統習題在幫助學生鞏固和加深知識理解、培養初步運用知識解決問題能力等方面的積極作用。同時，要努力挖掘傳統習題中的物理核心素養要素，改進習題教學模式。

每個物理習題都會體現出某種物理本質，在解決問題的同時還要考慮物理習題所體現的物理本質，學會多角度多層次來思考問題，討論在不同的環境條件下解決問題的策略方案，還要聯系有關的物理現象，由單純的習題回到復雜的生活中，用學過的物理知識來解決實際生活中的問題，并逐步推移到更加寬廣的領域中，學到更多的東西。

【例2】（浙江2015 年10 月選考卷）為了從坦克內部觀察外部目標，在厚度為20cm 的坦克壁上開了一個直徑為12cm 的孔，若在孔內分別安裝由同一種材料制成的如圖4 所示的玻璃，其中兩塊玻璃的厚度相同。坦克內的人在同一位置通過玻璃能看到的外界的角度范圍是

A.圖a 的大于圖b 的 B.圖a 的小于圖c 的

C.圖b 的小于圖c 的 D.圖b 的等于圖c 的

本題似乎是一個傳統的習題，也與生活中的窺視鏡等實際問題緊密聯系。試題要求比較三種情形下的觀察范圍的大小，定性分析不難得出，圖a 的觀察范圍最大，而通過圖5 所示光路圖（圖中虛線部分表示玻璃磚平移后的光路）可知，圖b 與圖c 的觀察范圍相同，選項AD 正確。問題是解決了，但學生能從這一解析中學到什么？能否把所學到的遷移到新的問題情景中去解決問題呢？顯然難說。以上解析只是就題論題，并沒有抓住該題的物理本質。該題所要體現的物理本質是什么？可以從以下幾個層次來剖析：

①問題的表征：如何比較圖b 與圖c 兩種情形的觀察范圍大小？學生也自然會想到用作圖法來求解，但學生一般只會在原題圖中做出圖6、圖7 所示的結果。顯然，從兩圖的對比中是無法比較觀察范圍的大小。

②比較的方法：這就涉及到用比較的方法討論問題，即只有在共性的前提下才能比較出差異。只有把圖6 和圖7 合在一起，即如圖5 所示的情形，才能得出比較結果。然而，作為一個考題，要求學生在時間高度緊張的情況下做出這種思維選擇是不符合實際情況的。

③問題的實質：本題所需要考查的物理本質是什么呢？是相關性分析，即分析觀察范圍與什么因素有關？推而言之是平行玻璃磚對光線的偏折與什么因素有關？根據所學知識可知，影響平行玻璃磚對光線的偏折的因素有二：一是玻璃折射率，二是玻璃磚厚度，而與玻璃的前后位置無關，由此可得圖b 與圖c 的觀察范圍相同。生活中配眼鏡時會選擇鏡片材料折射率大一些以降低鏡片的厚度（重量）就是這個道理。

④基于智慧的解決策略：至此物理問題解決了，但還有沒有另外的思考角度呢？如果注意到題干中并沒有標明“坦克內部”是在玻璃的左側，還是右側，那么可以進行如下推論：若觀察范圍與玻璃的前后位置有關，則左、右變換觀察點時，圖b與圖c的觀察范圍的大小關系是互換的，即是不確定的，這從命題邏輯上講是錯誤的，也就意味著圖b 與圖c 的觀察范圍是相同的。

（二）重視從原始物理問題向傳統習題轉換的訓練

學生遇到原始問題時的困難，主要表現為面對一個信息龐雜、已知條件隱蔽的問題時，思維紊亂，缺乏程序化。因此，在教學中要重視從原始物理問題向傳統習題轉換的訓練，讓學生的思維處于與信息、知識的多向流通和不斷碰撞中，促進思維系統從量變到質變，由無序逐漸演進到新的有序。

從原始的物理問題出發，到物理習題的訓練，其實牽涉到他們之間的關系，簡而言之這種外在的變換是通過原始的物理問題中提到的物理現象以及事實，用物理的語言描述、表征后，再用條件中給出的物理知識做出辨析，運用邏輯規律、簡化抽象等一些科學的思維方法進行理想的模型化提煉，最終找出求解過程中需要用到的物理量作為已知條件，把求解的量和已知量之間的關系找出來，對潛在的結果和可能再進行限定，得到難度適中的物理習題。

在課堂教學中，教師提出某個現象中的原始物理問題，讓學生簡化抽象成理想化的物理模型，并給出一些可以測量或計算的相關量，設計好適合研究的習題。通過這樣的方式讓學生抓住原始物理問題中的核心，從而培養學生篩選信息、分析問題、建立模型、解決問題的能力。剛開始使用原始物理問題時，可以多給定一些相關數據，以降低試題的難度。隨著教學的深入，可以逐步去掉所有的數據信息。

如在學過瞬時速度概念后，可以給出如圖8 所示是由高速攝影機拍攝的子彈穿過蘋果的照片，讓學生去設計方案，求得子彈的飛行速度？

①對象建模：雖然子彈飛行中有自轉，但為簡化問題，不研究轉動，可視為質點；

②過程建模：由于曝光時間很短，豎直方向的運動和減速效應可不考慮，子彈的運動可視為水平方向的勻速直線運動；

③挖掘信息：曝光時間內子彈是否有位移？應該有，但為何沒有顯示呢？因為曝光時間太短，子彈位移很小。子彈位移小到多少時照片上就顯示不出了呢？子彈前后錯開的距離大概為子彈長度的1%～2%，這時用肉眼就無法區分；

④估值：對于子彈的長度，學生缺乏感性認識，但可對比蘋果的幾何尺寸獲取，曝光時間則可查閱相關資料獲取，由此即可估算得子彈飛行速度。

⑤評估與反思：將求得的數值與通常情形下子彈的速度對照是否一致，如果不一致，則需要反思所建立的模型是否正確，所選取的數值是否合理，等等。

原始的物理問題中所涉及的物理量往往隱藏在真實的物理情境中，需要學生對信息分層辨析剝離出來，隨之物理的模型也會“破繭而出”。只有通過這樣的訓練，學生才有可能真正了解物理建模的條件，深刻體會、理解物理模型的實質，從而真正掌握建立物理模型的方法。近年來高考試題中出現了很多利用原始物理問題的素材對學生的物理核心素養進行考察的題目，讓學生通過平時的訓練感知學習物理的樂趣，在樂趣中掌握知識，并也能在高考的中贏得信心取得好成績。

四、結語

綜上所述，原始的物理問題既蘊涵了普適物理規律的知識鏈，又承載了豐富的物理核心素養教育目標，也體現著“從生活走向物理，從物理走向社會”的物理課程理念。把原始的物理問題作為物理習題教學的一項補充，它是提升物理教學的重要切入點，能使物理教學從傳統純粹的知識傳授模式中走出來，實現物理知識傳授與物理核心素養提升相結合，真正地促進物理教育中核心素養目標的達成。