基于核心素養的初中原始物理問題教學探討①

沈希克

(福建省詔安縣邊城中學，福建 漳州 363500)

原始物理問題作為一種真實、自然情境下的問題，與傳統的物理習題有著顯著的區別，具有真實性、情境性、生成性、應用性、綜合性、創新性等特點，與發展學生物理學科核心素養有著高度的適切性。把原始物理問題引入初中物理教學，必將促進核心素養培養目標的有效達成。

1 原始物理問題的內涵及特征

原始物理問題是指在自然界以及生產生活中客觀存在的、未被分解、簡化、抽象的，能夠直接反映最真實的物理生活情境的現象或問題，其特點是：

(1) 它是對客觀現象的描述，沒有對現象作加工處理；

(2) 通常都是文字描述，沒有給出已知條件，其中隱含的變量、常量等均需要學生自己去設置；

(3) 沒有示意圖，解決問題所需的圖需要學生自己畫出；

(4) 來自真實的生活情境；

(5) 具有趣味性，能引起學生的思考，并向學生提出智力挑戰；

(6) 不一定有唯一的答案，各種不同水平的學生都可以由淺入深地作答；

(7) 需個人或小組合作解決它。[1]

原始物理問題與普通習題的關系如圖1所示，筆者通過典型的習題與原始物理問題加以對比說明。

圖1

習題1：有一成人系著安全帶坐在一輛以80km/h行駛的汽車上，懷里抱著一個6kg的嬰兒。在一次時長為0.1s的撞車事故時,成人需要用多大的力才能抱住這個嬰兒?

原始問題1：有人認為嬰兒由成人抱著坐在汽車里是很安全的，只要成人系好安全帶就行了。請分析在發生撞車事故中，成人能抱住嬰兒可能性。

習題以真實的情境為背景，提供了各物理量的具體數據，學生只需將數據代入公式即可求解；原始物理問題僅描述了真實情境，對相關物理量未作具體描述。兩者的問題解決方式、方法等都不同，在考查學生的問題解決能力和核心素養方面有著顯著的差異。

2 原始物理問題教學與學生核心素養培養的適切性

2.1 原始問題教學可以促進物理觀念的形成

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等方面的基本認識，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。原始物理問題未經命題者精細的加工，保持著現實生活中物理情境的“原汁原味”。學生能否從物理學的立場審視這些真實情境，并抽象、概括出相應的物理模型，取決于其頭腦中是否具備相關的物理概念和規律，是否根植了科學、合理的物理觀念。

2.2 原始問題教學可以促進學生科學探究能力的提升

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出：“要引導學生發現和提出問題，根據問題的需要，收集和選擇有用的信息，基于證據和邏輯對問題作出合理解釋。”[2]通常習題是經過命題者充分、完整的模型設計與參數設置，學生在解題過程中僅需應用相關的規律及公式，進行演算推導即可得出正確的結論。學生對純化的物理問題的訓練機會較多，而在“收集和選擇有用的信息”“基于證據和邏輯對問題作出合理解釋”等重要環節鍛煉的機會就少了。當學生遇到真實問題、原始問題時會束手無策，無從下手。

習題2：某同學體重為500N，跳繩時平均起跳的高度約為10cm，每分鐘能跳75次，則該同學在跳繩過程中克服身體重力做功的功率是多少？

原始問題2：請你估測跳繩時的功率。

從科學探究的角度來看，需要設計測量方案：(1) 學生先要把實際的情境與所學的物理知識相聯系，對跳繩過程進行模型建構，認識到跳繩的過程為克服人體自身重力做功的過程；(2) 要測定出跳繩時克服重力做的功W和時間t；(3) 測量跳起的平均高度h是一個技術問題，學生利用各種方法進行了測量。如有同學先用記號筆在墻壁上標出了刻度線，跳繩時請另外一位同學蹲在旁邊仔細觀察跳起的大致高度。有同學利用智能手機拍下跳繩過程的視頻，再利用“慢速回放”功能，能較清楚地看出跳起時能達到的刻度線。學生運用多種方法、通過大量的測量比較，發現：跳繩較快的同學一般跳起的高度都比較低，大約在10cm左右，他們每分鐘大約能跳100多次。而跳得慢的同學，跳起的高度較高，一般可達20～30cm，每分鐘大約跳六十次；(4) 計算出功和功率，跳繩的平均功率在幾十瓦左右。

學生在解決這個原始物理問題的過程中，經歷了建構模型—抽象概括—應用知識—測定數據—進行計算—得出結論—評估交流等環節，探究能力在整個活動過程中得到了有效提升。

教師應引導學生運用所學知識對原始物理問題進行探究，培養學生的科學探究能力。如估測學生站立(行走)時對地面的壓強、估測在游泳時受到的浮力、估測在單桿上做引體向上時克服身體重力做功的功率、估測家用空調工作時的功率等，讓學生在發現、解決問題的過程中，經歷科學探究過程，體驗科學探究的樂趣。經歷科學論證、質疑創新等過程，提升學生的思維品質與核心素養。

2.3 原始問題教學可以促進學生科學思維能力的發展

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出：科學思維由模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素所構成，[2]原始問題的解決需要學生根據面臨的情境，通過假設、抽象、概括等獲得必要的數據，合理建構物理模型，經歷科學推理及科學論證的過程，最終解決實際問題。一般習題的命制采用“掐頭、掐尾、留中段”的模式，通常側重于演算和推導等中間環節，對學生思維能力的培養是片面的、狹窄的。學生會通過套用模型和公式解題，而在實際問題面前往往會不知所措。

在學習了“杠桿”知識后，可設計原始問題：估測做俯臥撐時的功率，讓學生進行實踐操作。“俯臥撐”實質上也是一個克服自身重力做功的過程，但地面對手臂向上的舉力與身體的重力并沒有在同一直線上，兩者不是一對平衡力，大小并不相等。測量時要求學生具備轉換、建模的思維能力，將人體抽象成一個以腳尖為支點轉動的杠桿模型(圖2)，根據杠桿的平衡條件F舉L1=GL2，可求出舉力的大小。對于舉力通過的距離，學生通過觀察之后發現：該距離大約等于人上手臂的長度h，因此克服自身重力所做的功為W=F舉h。測出1分鐘內完成的俯臥撐總次數，求出總功，再除以時間，即可得出平均功率。

圖2

從“跳繩”到“俯臥撐”的原始問題解決過程來看，學生在合理建構克服重力做功、杠桿等物理模型的基礎上，可以應用功、功率、杠桿平衡條件等相關物理概念與規律測算出功率的大小。

初中生由于年齡的原因，思考問題的方式往往會停留在“想當然”之上，而模型建構的過程必須經歷“比較—分解—簡化—抽象—理解—概括”等環節。學生思維能力的培養并不是一蹴而就的，而是必須經歷一個由表及里、不斷深入的過程，原始物理問題教學正是加快了這一進程。[3]

2.4 原始問題教學可促進科學態度與責任感的養成

原始問題教學可以在“科學態度與責任”的養成過程中起到一定的作用，學生從物理學的視角觀察并發現自然界及生產生活中的相關問題，可促進學生養成嚴謹認真、實事求是的科學態度，在問題解決的過程中也養成了他們的社會責任感。

筆者所在學校門口有一個地下過街通道，很多學生反映在經過過街通道時，感到里面的空氣不流通、很悶。在學習了“流體壓強”之后，可引導學生去觀察、思考，解決原始物理問題：如何應用所學物理知識，改變地下過街通道空氣不流通的現狀？

學生通過合作學習的方式，應用學過的物理知識進行分析，因為過街通道兩邊與路面連通的引道中空氣流速基本相同，幾乎不存在大氣壓強差，故新鮮空氣無法灌進過街通道。

如何使兩邊引道的空氣流速不同呢？學生提出了不同的方案，其中比較可行的是：可以在其中一邊引道的墻壁上設計一個凸形的浮雕(圖3)，讓空氣流過這一邊引道時流速加快，大氣壓強會減小。這樣便使兩邊引道的空氣由于流速不同而產生了壓強差，故而使空氣流通、穿過地下通道。同學們根據此方案整理成了一份調查報告和建議信，遞交給有關市政管理部門，得到了重視與落實，使學生獲得了參與市政建設的成就感。

圖3

3 結語

物理教學要從原始物理問題出發，以現象為導向，以模型為載體，培養學生提煉模型、分析問題、總結規律的能力。[4]在原始物理問題的解決過程中，學生沒有現成的模型可用，也沒有相關題型經驗可借鑒，需要經過綜合分析，建構物理模型，設定和估計解題所需的物理量，再根據相關的物理概念、規律等進行推理演算，得出結論。原始問題教學對于學生物理觀念的形成、科學探究以及思維能力的培養、科學態度與責任的養成有著重要的促進作用。