淺談物理解題中的科學(xué)、工程和數(shù)學(xué)思維

陳涵 馬開(kāi)春

【摘 要】STEAM教育的核心特點(diǎn)是跨學(xué)科性，除了通過(guò)不同學(xué)科知識(shí)之間的綜合應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究或創(chuàng)造作品，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，不同學(xué)科思維方法的相互滲透和使用也是STEAM思想的體現(xiàn)。依照STEAM教學(xué)理念，筆者主要對(duì)科學(xué)、工程和數(shù)學(xué)的思維在物理解題過(guò)程中的體現(xiàn)做了研究，并通過(guò)例題加以分析說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】STEAM思想;物理習(xí)題;思維方法

【中圖分類(lèi)號(hào)】G633.7 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ?【文章編號(hào)】1671-8437（2021）10-0040-02

1 ? STEAM教育理念

STEAM教育通過(guò)跨學(xué)科的方式結(jié)合了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)。它以整合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生掌握知識(shí)和技能，并進(jìn)行靈活遷移應(yīng)用解決真實(shí)世界的問(wèn)題[1]。但STEAM教育不僅僅局限于通過(guò)各科知識(shí)的疊加應(yīng)用來(lái)完成對(duì)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)這一種方式。在日常的學(xué)科教學(xué)中，STEAM教育更多的體現(xiàn)在運(yùn)用多個(gè)學(xué)科的思維方法去解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)取向。

學(xué)科思維是學(xué)科的深層次結(jié)構(gòu)，不是具體的學(xué)科知識(shí)，是基于具體學(xué)科的研究而整理和總結(jié)出來(lái)的思考方式、思想觀念和學(xué)習(xí)方法[2]。不同學(xué)科的知識(shí)反應(yīng)的是事物的不同方面，知識(shí)的獲取源于學(xué)科的思維[3]。基于思考問(wèn)題方式的相通性，在學(xué)習(xí)中使用的思維方法往往不限于某個(gè)固定的學(xué)科而具有跨學(xué)科性。在以考查學(xué)生綜合素養(yǎng)為主的物理習(xí)題中，這一點(diǎn)體現(xiàn)得尤為明顯。

2 ? 物理解題過(guò)程中各科的思維融合

解題一般分為審題、確定方法和論證三個(gè)階段，其間大腦也是通過(guò)不斷發(fā)散、分析、總結(jié)、沉淀等思維過(guò)程來(lái)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行思考，這些過(guò)程中運(yùn)用的思維方法涉及多個(gè)學(xué)科。從STEAM教育的角度看，習(xí)題的解答過(guò)程，既是科學(xué)分析、推理論證的過(guò)程，也是工程問(wèn)題中的方案確定和實(shí)施的過(guò)程，還是一個(gè)用數(shù)學(xué)和物理語(yǔ)言做具體操作呈現(xiàn)結(jié)果的過(guò)程。

2.1 ?閱讀審題階段

首先需要閱讀題干，正確理解題意，構(gòu)建物理情境，建立物理模型。這個(gè)過(guò)程從科學(xué)思維的角度來(lái)說(shuō)是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的抽象概括過(guò)程，不管學(xué)生的理解有什么不同，在最后都會(huì)把情境對(duì)應(yīng)的問(wèn)題抽象到具體的物理模型上。工程是應(yīng)用數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的概念來(lái)系統(tǒng)解決復(fù)雜問(wèn)題[4]。其雖然針對(duì)的是現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題，但是在虛擬問(wèn)題背景的物理習(xí)題中，依然可以用到部分工程思維。在認(rèn)識(shí)習(xí)題的過(guò)程中，學(xué)生要通過(guò)工程學(xué)的視角進(jìn)行分析，認(rèn)識(shí)問(wèn)題的多樣性與復(fù)雜性，并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行要素分析，從而對(duì)問(wèn)題進(jìn)行界定。也就是說(shuō)，這是一個(gè)工程思維和科學(xué)思維共同作用的過(guò)程。

2.2 ?方法構(gòu)建階段

針對(duì)概括出來(lái)的物理模型，科學(xué)思維要求學(xué)生通過(guò)分析綜合和科學(xué)推理等方法找出規(guī)律，形成習(xí)題的解法。從工程思維的角度看，學(xué)生需要對(duì)問(wèn)題的要求和已有的條件進(jìn)行權(quán)衡和籌劃，結(jié)合題干條件，對(duì)解題的方法進(jìn)行評(píng)估和取舍，將相關(guān)的知識(shí)和方法作為完成工程的要素，構(gòu)建出整個(gè)解題方案。這個(gè)過(guò)程也主要是科學(xué)的分析和工程的系統(tǒng)思維在起主要作用。

2.3 ?運(yùn)算論證階段

當(dāng)解題的步驟確定后，此時(shí)科學(xué)思維要求學(xué)生擁有科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力，通過(guò)實(shí)際的定量演算或者定性分析，在解題的過(guò)程中通過(guò)對(duì)每一個(gè)步驟有效論證，得出習(xí)題的答案。這些都需要用數(shù)學(xué)語(yǔ)言和符號(hào)來(lái)描述習(xí)題的物理過(guò)程和規(guī)律，合理運(yùn)用數(shù)學(xué)的各種思維方法思考和解決問(wèn)題，并形成結(jié)果。

3 ? 舉例

例1（2020年全國(guó)高考2卷第21題）水平冰面上有一固定的豎直擋板，一滑冰運(yùn)動(dòng)員面對(duì)擋板靜止在冰面上，他把一質(zhì)量為4.0 kg的靜止物塊以大小為5.0 m/s的速度沿與擋板垂直的方向推向擋板，運(yùn)動(dòng)員獲得退行速度;物塊與擋板彈性碰撞，速度反向，追上運(yùn)動(dòng)員時(shí)，運(yùn)動(dòng)員又把物塊推向擋板，使其再一次以大小為5.0 m/s的速度與擋板彈性碰撞。總共經(jīng)過(guò)8次這樣推物塊后，運(yùn)動(dòng)員退行速度的大小大于5.0 m/s，反彈的物塊不能再追上運(yùn)動(dòng)員。不計(jì)冰面的摩擦力，該運(yùn)動(dòng)員的質(zhì)量可能為（ ?）。

A.48 kg ? ?B.53 kg ? ?C.58 kg ? ?D.63 kg

3.1 ?讀題確定問(wèn)題

在閱讀這道題的題干的時(shí)候，不難發(fā)現(xiàn)在該問(wèn)題情境中，運(yùn)動(dòng)員推物體的時(shí)候符合動(dòng)量守恒定律，運(yùn)動(dòng)員會(huì)向與物塊相反的方向運(yùn)動(dòng)。物塊通過(guò)擋板的多次反彈，每次反彈后又追上運(yùn)動(dòng)員，被接住后每次以同樣的速度5.0 m/s被推回，這樣運(yùn)動(dòng)員的后退速度越來(lái)越大，最后就不被反彈回來(lái)的物體追上了。在科學(xué)思維的指導(dǎo)下，學(xué)生對(duì)整個(gè)習(xí)題按照?qǐng)D1所示的工程的系統(tǒng)思維的流程進(jìn)行了思考，確定了該題為一個(gè)與動(dòng)量有關(guān)的問(wèn)題，其中涉及多次使用動(dòng)量守恒定律。

3.2 ?確定解法和論證

結(jié)合本道題的問(wèn)題求運(yùn)動(dòng)員的質(zhì)量的可能值，同時(shí)只知道運(yùn)動(dòng)員最后的速度大于5.0 m/s，這一限定條件，經(jīng)過(guò)分析推理，可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)應(yīng)用動(dòng)量守恒定律，能得到每一次推回物塊后運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)量。所以構(gòu)建出解題的方案為：多次運(yùn)用動(dòng)量守恒定律，通過(guò)數(shù)學(xué)歸納的辦法，就可以得到第8次推回物塊后運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)量大小，明晰速度大于5.0 m/s這個(gè)關(guān)鍵信息，就能初步知道運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量要滿(mǎn)足的條件，通過(guò)論證得到運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量必須小于60 kg。

3.3 ?檢查調(diào)整再次論證

通過(guò)檢查，可以發(fā)現(xiàn)質(zhì)量越小的運(yùn)動(dòng)員每次推回物塊后獲得的向后的速度增加量就會(huì)越大，也就是說(shuō)有可能在第8次推回物體之前的某次，物塊反彈回來(lái)后就已經(jīng)無(wú)法追上運(yùn)動(dòng)員了，故再次構(gòu)建方案。根據(jù)前面計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)量大小，對(duì)前面幾次的情況依次進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合運(yùn)動(dòng)員反向運(yùn)動(dòng)的速度不能大于或等于5.0 m/s的要求，再次做一個(gè)考查，就會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量如果小于52 kg，在第7次推回物體后其速度就會(huì)大于5.0 m/s，不能被物體追上，故52 kg不滿(mǎn)足題干要求，這樣也就得出了最后的正確答案。從這道題的解答過(guò)程可以看出，科學(xué)思維的分析推理、工程思維的系統(tǒng)分析、數(shù)學(xué)的歸納方法都起到了非常重要的作用。

4 ? 啟示

思維比知識(shí)重要，提高教學(xué)效能的關(guān)鍵在于挖掘與呈現(xiàn)知識(shí)背后的思維規(guī)律，并訓(xùn)練學(xué)生掌握它[5]。通過(guò)對(duì)物理解題中體現(xiàn)的幾個(gè)學(xué)科思維的分析可以發(fā)現(xiàn)，在日常教學(xué)中，在注重培養(yǎng)物理學(xué)科科學(xué)思維等素養(yǎng)的同時(shí)，也應(yīng)該對(duì)學(xué)習(xí)中用到的其他學(xué)科的思維規(guī)律進(jìn)行發(fā)掘和認(rèn)識(shí)，從而提升綜合思維能力。也只有將多個(gè)學(xué)科的思維發(fā)展到融會(huì)貫通，學(xué)生的思維能力和解決問(wèn)題的能力才會(huì)有更好的發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開(kāi)放教育研究，2015（4）.

[2]孫建明，王后雄.基于學(xué)科思想方法整合的高考化學(xué)命題研究[J].課程.教材.教法，2014（3）.

[3]陳涵.淺談跨學(xué)科思想方法在高中物理教學(xué)中的融入[J].湖南中學(xué)物理，2020（8）.

[4]羅伯特.M.卡普拉羅.基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)[M].上海：上海科技教育出版社，2015.

[5]陳涵.利用“思維可視化”培養(yǎng)高一學(xué)生物理解題思維[J].湖南中學(xué)物理，2017（6）.

【作者簡(jiǎn)介】

陳涵，男，四川省成都市新都一中教師。研究方向：高中物理教學(xué)。

馬開(kāi)春，男，四川省成都市新都一中教師。研究方向：高中物理教學(xué)。

Thoughts on Science， Engineering and Mathematics in Solving Physics Problems *

Han Chen， Kaichun Ma

（Xindu No.1 Middle School， Chengdu， Sichuan， 610500）

Abstract： The core feature of STEAM education is interdisciplinary. In addition to the comprehensive application of knowledge between different disciplines to carry out experimental exploration or create works， the mutual infiltration and use of thinking methods of different disciplines in the process of solving problems is also the embodiment of STEAM thought. According to the STEAM teaching idea， the author mainly studies the embodiment of scientific， engineering and mathematical thinking in the process of solving physics problems， and analyzes through examples.

Key words： STEAM thought; physical exercises; thinking method