解決原始問題 培養科學思維和科學探究能力

李學平

摘 ? 要：新課標和高考評價體系都提出要加強學生解決實際問題能力的培養。結合邢紅軍教授的自組織表征理論，提出解決實際問題應經歷模型建構、邏輯推理、實驗探究三個階段，并結合具體的例子闡述如何通過解決問題強化物理觀念，培養科學思維和科學探究能力，落實物理核心素養。

關鍵詞：原始問題；科學思維；科學探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2023）7-0006-3

新課程背景下高中物理教材和高考試題有一個顯著變化就是貼近現實生活和科技前沿的實際問題的比重大幅度增加，這是因為培養學生解決實際問題的能力既是物理教學的出發點，又是物理教學的歸宿點。這就要求教師能夠轉變教學觀念，改變教學策略，尋求解決實際問題的方法，從而達到通過教學提高解決問題能力的目的。

１ ? ?解決問題，落實物理核心素養

實際問題就是自然界及社會生產和生活中客觀存在的，但未被加工的原始物理問題［１］。依據邢紅軍教授提出的自組織表征理論（簡稱 ＳＯＲＴ），解決原始物理問題需要經歷定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征、方法表征、物理表征和數學表征七個過程［２］。這七個表征過程又分為兩個階段，第一階段需要結合生活經驗，應用所學物理知識和方法經歷定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征把實際問題通過建立物理模型抽象成物理習題；第二階段需要經歷物理表征、方法表征、數學表征過程，應用物理規律和數學知識進行邏輯推理得出結論，即解答物理習題過程。但是，原始物理問題屬于自然科學研究范疇，應該遵循伽利略提出的自然科學研究方法，把邏輯推理和科學實驗有機結合起來，所以還需要有第三個階段即科學實驗作為補充，為邏輯推理過程尋找證據。現結合實際例子闡述如何分三個階段解決問題，培養學生能力，落實物理核心素養。

【案例】 很多人都有晚上躺在床上玩手機的習慣，并且有突然被手機砸醒、甚至人臉被砸傷的經歷，試分析人臉為什么會受傷？

１．１ ? ?第一階段：抽象問題建立模型，培養建模能力

思路：原始物理問題是對物理現象的描述，與習題相比較，原始問題只有現象，沒有“抽象”，只有描述，沒有“數據”，需要學生依據現象，通過定向表征明確方向、抽象表征建立模型、圖像表征畫出過程、賦值表征設置物理量，把物理現象變成物理模型。通過模型的建構不僅突破了解答原始問題最關鍵的一步，還能培養學生的建模能力。

（１）定向表征

定向表征是根據問題對現象的描述，結合已有知識和經驗，判定問題研究的大致方向。根據生活經驗判定，手機下落后與人臉碰撞產生很大的作用力使人臉受傷，從而確定是一個力學問題。

（２）抽象表征

抽象表征是明確研究對象，抓住問題實質，突出主要因素，忽略次要因素，把研究原型轉化為理想物理模型。該問題涉及手機的下落和碰撞兩個過程，手機下落過程雖然受到空氣阻力作用和轉動，但對研究問題影響不大，所以把下落過程看成是質點的自由落體運動，同時把手機與人臉的碰撞過程看成質點與人臉的碰撞。需要建立的模型有：①質點自由下落；②質點與人臉碰撞。

（３）圖像表征

圖像表征是將抽象的物理模型轉化為形象的物理圖像過程，為進一步解決問題做好鋪墊［３］。如圖１（ａ）所示，畫出自由下落過程（B→C）和碰撞過程（C→E）。

（４）賦值表征

賦值表征是根據解決問題的需要，結合物理模型，設置恰當物理量。本題的自由落體運動和碰撞過程都是動力學問題，需要力和運動的相關物理量。需要設置的物理量有：①手機受到的重力為ｍｇ；②豎直下落的高度為ｈ；③手機落在人臉時的速度為ｖ；④手機自由下落的時間為ｔ１；⑤手機落在人臉上到靜止下來的時間為ｔ；⑥人臉對手機的平均沖擊力為Ｆ；⑦手機對人臉的平均沖擊力為Ｆ′。

１．２ ? ?第二階段：邏輯推理形成結論，培養科學推理和質疑創新能力

思路：通過模型的建立把原始物理問題變成物理習題，接下來就需要學生通過方法表征明確研究方法、物理表征選擇解題規律、數學表征推導相應結論，在這個過程中不僅能夠鍛煉學生的邏輯推理能力，還能夠培養質疑創新能力。

（１）方法表征

方法表征是明確問題解決過程中需要用到的物理方法。手機下落過程忽略空氣阻力和手機的旋轉，看成自由落體運動，用到理想化方法；手機與人臉碰撞過程，由于作用時間短，把手機和人臉相互作用的變力看成恒力，用到近似法。

（２）物理表征

物理表征是確定問題解決需要用到的物理概念和規律。本題是動力學問題，通過受力分析發現兩個過程都是勻變速直線運動，可以設置不同的物理量選用牛頓運動定律方法、能量方法和動量方法中的任意一種方法求解，做到一題多解。解答過程為：

B→C：質點做自由落體運動，需要求得手機落在人臉時的速度v，有三種解法。

解法一：運用運動學公式，v=gt1或2gh=v2；

解法二：運用動能定理，mgh=mv2-0；

解法三：運用動量定理，mgt1=mv-0。

C→E：質點做勻減速直線運動，人臉對手機的平均沖擊力為Ｆ，有兩種解法。

解法一：運用運動學公式，F-mg=ma，v=at；

解法二：運用動量定理，（mg-F）t=0-mv；

由牛頓第三定律得：Ｆ＝Ｆ′。

（３）數學表征

數學表征是根據列出的方程，利用數學知識推導出相關結論的過程。結合公式，進行數學運算求得：Ｆ′=+mg，發現作用力的大小跟手機質量、下落高度、碰撞時間都有關。

１．３ ? ?第三階段：科學探究尋找證據，培養科學探究能力

思路：自然科學研究方法應該是邏輯推理和科學實驗的有機結合，所以邏輯推理還需要科學實驗為其尋找證據。隨著實驗軟件的開發，手機就是一個移動的電子實驗室，使用手機就可以完成很多實驗，不僅方便、快捷、效果明顯，還能激發學生的探究欲望，培養科學探究能力。根據生活經驗知道手機對人臉的沖擊力是很大的，但不清楚究竟為多大，還需要在推導出表達式的基礎上設計實驗獲得相關數據。天平可以測出手機質量為m=0.2 kg，由于手機和人臉作用的時間很短，傳統實驗方法無法測量，利用手機傳感器Pｈｙｐｈｏｘ軟件就能解決問題。

（１）實驗操作

如圖１（ｂ）所示，人平躺在床上，把手機舉在頭頂正上方，保持手機水平且正面朝下，打開手機里面的Pｈｙｐｈｏｘ軟件，選擇“加速度（不含ｇ）”，點擊開始按鈕，自由釋放手機，當手機落在人臉后，點擊手機上暫停鍵實驗結束。

（２）圖像處理

選擇“ｚ軸線性加速度-時間”圖像，并標出一些點的時間和加速度坐標，如圖１（ｃ）所示。

（３）數據分析

ＡＢ段：手機離開手的過程，時間間隔很短，幾乎可以忽略不計。

ＢＣ段：手機自由下落過程，時間為ｔ１＝０．１５ ｓ，重力加速度約為ｇ＝９．９３ ｍ／ｓ２，h==11.2 cm。

ＣＥ段：手機與人臉碰撞過程，時間為ｔ＝０．１１ ｓ。將測得的物理量代入表達式Ｆ′=+mg，求得手機對人臉的平均沖擊力為Ｆ′＝２．３ｍｇ≈４．６ Ｎ。

Ｄ點：手機具有向上的最大加速度，由牛頓第二定律Ｆｍａｘ-mg=ma，可得此時手機對人臉的最大沖擊力為Ｆ ′ｍａｘ＝Ｆｍａｘ=７．１ｍｇ≈１４．1 Ｎ。

實驗結論：手機雖然不重，但給人臉的平均沖擊力為手機重力的２．３倍，最大沖擊力卻為手機重力的７．１倍，所以手機掉下來人很容易受傷。

點評：通過上述的解答，學生從物理學的角度追根求源找出人臉受傷的原因，實現了生活體驗和物理知識的有機結合，讓學生進一步認識到躺在床上玩手機的危害性，從而改掉這個壞習慣。

２ ? ?總 ?結

原始物理問題相對一般的物理習題雖然難度更大、能力要求更高，但是通過原始問題教學，讓學生經歷科學思維與科學探究過程，不僅能夠解決問題，還能強化物理觀念，培養科學思維和科學探究能力，落實物理核心素養。通過解決原始問題體現了“從生活走向物理，從物理走向社會”的思想，使學生認識到學習物理的目的不是解題而是解決問題，體會到學習物理是有用的，從而激發學生學習物理的興趣，探索物理的奧秘。

參考文獻：

［１］陳清梅，邢紅華，趙艷嶺，等．原始物理問題教學——大學物理教學的新取向［Ｊ］．首都師范大學學報（自然科學版），２０１８，３９（５）：２９－３３．

［２］陸永華．基于原始物理問題研究視角反芻高考題［Ｊ］．教學月刊·中學版（教學參考），２０１４（４）：６７－７０．

［３］翟彥芳，邢紅軍．從習題到原始物理問題：物理關鍵能力培養的有效途徑［Ｊ］．物理教師，２０２２，４３（５）：８０－８３．

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）