任虎虎
摘 要:物理教學(xué)離不開質(zhì)點(diǎn)、勻強(qiáng)電場(chǎng)、自由落體等理想化模型,然而學(xué)生對(duì)理想化模型的掌握并不理想。究其原因,主要是學(xué)生沒有真正參與到從實(shí)際情景到物理模型演變的過程中。原始物理問題是自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理問題,原始物理問題是連接學(xué)生生活與物理模型的橋梁,借助原始物理問題能很好地幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)理想化模型的自我建構(gòu),提升建模、歸納能力。本文從“是什么”“為什么”“怎么做”三個(gè)維度進(jìn)行探討,并給出促進(jìn)理想化模型自我建構(gòu)的原始物理問題編制、教學(xué)策略及案例分析。
關(guān)鍵詞:原始物理問題;理想化模型;自我建構(gòu);編制
中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2017)2-0041-3
1 什么是原始物理問題
原始物理問題是邢紅軍教授提出的教學(xué)理論,起源于楊振寧教授的物理教育思想。[1]楊振寧教授在一次接受記者采訪時(shí),曾將他取得成功的奧秘歸結(jié)為:“要站在問題開始的地方,面對(duì)原始的問題,而不要淹沒在文獻(xiàn)的海洋里”。物理教學(xué)同樣不能淹沒在結(jié)論和題目的海洋里,而應(yīng)將活生生的物理現(xiàn)象和物理過程,反璞歸真地呈現(xiàn)出來,讓學(xué)生面對(duì)原汁原味的物理問題,引導(dǎo)他們?nèi)ビH歷物理模型、物理概念的形成過程,物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程,以及物理問題的解決過程。
典型的原始物理問題:“一些人認(rèn)為嬰兒由成人抱著坐在汽車?yán)锖馨踩,F(xiàn)在請(qǐng)你估計(jì)一下,在一次發(fā)生在很短時(shí)間的撞車中,需要多大的力才能抱住嬰兒?!?[2]
原始物理問題是基于實(shí)際情景,是自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理問題,具有生態(tài)性和開放性的特點(diǎn)。原始物理問題的呈現(xiàn)形式是對(duì)物理情景的描述,沒有已知量、未知量,需要學(xué)生自己去抽象,自己去設(shè)置。因此,原始物理問題不同于物理習(xí)題,它們之間的關(guān)系如圖1所示。
2 為什么原始物理問題能促進(jìn)理想化模型的建立
物理教學(xué)離不開理想化模型,理想化模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的絕對(duì)理想的形態(tài)或客體,它只能在抽象的科學(xué)思維中存在,在現(xiàn)實(shí)世界中并不真實(shí)存在。在教學(xué)實(shí)踐中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)理想化模型時(shí)往往存在思維障礙,具體表現(xiàn)為:不理解為什么要忽略一些次要因素,不能將習(xí)得的物理模型用到實(shí)際情境中等。借助原始物理問題,可以很好地幫助學(xué)生解決這些問題。
原始物理問題基于物理現(xiàn)象,具有客觀真實(shí)性,學(xué)生在運(yùn)用原始物理問題進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程中,通過與實(shí)際問題的“對(duì)話”,可以獲得大量的感性認(rèn)識(shí),為理性認(rèn)識(shí)打好基礎(chǔ)。在將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為抽象問題的過程中,學(xué)生必然會(huì)對(duì)實(shí)際情景進(jìn)行加工,梳理哪些是主要因素、哪些是次要因素、哪些因素可以忽略,從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)際情景向理想模型的過渡,相應(yīng)地也實(shí)現(xiàn)了形象思維向抽象思維的過渡。因此,通過對(duì)原始物理問題進(jìn)行梳理和加工,可以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)理想化模型的建立,建模能力和抽象思維能力的提升。[3]
3 怎樣利用原始物理問題實(shí)現(xiàn)理想化模型的自我建構(gòu)
理想化模型可以分為三類:(1)對(duì)象模型:是對(duì)實(shí)物的一種理想簡(jiǎn)化,如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、單擺等;(2)條件模型:是對(duì)相關(guān)環(huán)境的一種理想簡(jiǎn)化,如光滑表面、勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)等;(3)過程模型:是對(duì)干擾因素的一種簡(jiǎn)化,如自由落體運(yùn)動(dòng)、等溫過程、絕熱過程等。[4]
下面就如何利用原始物理問題實(shí)現(xiàn)這三類理想化模型的自我建構(gòu),提出筆者的一點(diǎn)拙見,并進(jìn)行相應(yīng)的案例分析。
3.1 促進(jìn)對(duì)象模型自我建構(gòu)的原始問題編制、教學(xué)策略及案例分析
對(duì)象模型是用來代替研究對(duì)象實(shí)體的理想化模型,這類模型的原始物理問題教學(xué)策略為:首先,選取有關(guān)考慮研究對(duì)象長(zhǎng)度或形狀的實(shí)際情景,編制原始物理問題;其次,在解決原始物理問題后,設(shè)置問題及時(shí)追問;最后,讓學(xué)生進(jìn)行分析歸納,建立理想模型。
案例:“質(zhì)點(diǎn)”是高中階段學(xué)習(xí)的第一個(gè)理想化模型,它的建構(gòu)思想和方法對(duì)其他模型的建立有重要的指導(dǎo)意義。學(xué)習(xí)時(shí)可編制如下原始物理問題:
從上海到北京的高鐵需要經(jīng)過南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋,請(qǐng)估算一下高鐵列車通過大橋需要多長(zhǎng)時(shí)間。
學(xué)生抽象出物理過程后,了解南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋的長(zhǎng)度,列車的長(zhǎng)度以及速度后,可以得出結(jié)果。教師繼續(xù)追問:“同樣的列車經(jīng)過杭州灣跨海大橋需要多長(zhǎng)時(shí)間?”“在后一個(gè)問題中列車的長(zhǎng)度對(duì)結(jié)果影響大嗎?”接下來讓學(xué)生討論是否可以將一個(gè)具體物體看作一個(gè)點(diǎn)。經(jīng)過這樣的分析和對(duì)比,讓學(xué)生形成一分為二看待問題的意識(shí),在實(shí)際情景上建立起質(zhì)點(diǎn)的概念。
3.2 促進(jìn)條件模型自我建構(gòu)的原始問題編制、教學(xué)策略及案例分析
條件模型是把研究對(duì)象所處的外部條件理想化建立的模型,這類模型的原始物理問題教學(xué)策略為:首先,選取有關(guān)考慮研究對(duì)象所處外部條件的實(shí)際情景,編制原始物理問題;其次,改變外部條件,分析對(duì)研究對(duì)象的影響;最后,讓學(xué)生對(duì)外部條件進(jìn)行簡(jiǎn)化,歸納并建立理想模型。[5]
案例:“勻強(qiáng)電場(chǎng)”模型是電場(chǎng)中的一個(gè)重要概念,它對(duì)于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的學(xué)習(xí)有很大地促進(jìn)作用,學(xué)習(xí)時(shí)可編制如下原始物理問題:
靜電噴涂時(shí),噴槍噴出的涂料微粒在靜電力作用下向被噴工件運(yùn)動(dòng),最后吸附在其表面,請(qǐng)分析涂料微粒在靠近工件過程中的運(yùn)動(dòng)情況以及運(yùn)動(dòng)時(shí)間。
根據(jù)問題的描述,學(xué)生可以分析出涂料和工件帶異種電荷。帶電涂料在工件的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),剛開始離工件較遠(yuǎn),電場(chǎng)強(qiáng)度較弱,靠近工件的過程中,電場(chǎng)強(qiáng)度越來越大,因此涂料做加速度增大的加速運(yùn)動(dòng),但是時(shí)間沒法算。教師及時(shí)追問:“為了計(jì)算時(shí)間的方便,可以將工件附近的電場(chǎng)進(jìn)行怎樣的簡(jiǎn)化?”在學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中有勻變速直線運(yùn)動(dòng)的概念,因此,將工件附近的電場(chǎng)理想化為大小和方向都是恒定的。在實(shí)際情景上建立起理想化模型——?jiǎng)驈?qiáng)電場(chǎng)。
3.3 促進(jìn)過程模型自我建構(gòu)的原始問題編制、教學(xué)策略及案例分析
實(shí)際的物理過程都是諸多因素共同作用的結(jié)果,忽略次要因素的影響,只考慮主要因素引起的變化過程的模型,稱為過程模型。這類模型的原始物理問題教學(xué)策略為:首先,選取有關(guān)考慮物理過程的實(shí)際情景,編制原始物理問題;其次,在分析原始物理問題時(shí),改變影響因素,此時(shí)需要進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn);最后,讓學(xué)生進(jìn)行分析歸納,建立理想模型。
案例:“自由落體運(yùn)動(dòng)”是過程模型的典例,它的建構(gòu)思想方法對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)等過程模型的學(xué)習(xí)很有幫助。學(xué)習(xí)時(shí)可編制如下原始物理問題:
秋天了,一個(gè)熟透的蘋果和樹葉從同一枝條上脫落,請(qǐng)問哪一個(gè)先落到地面上?說說為什么?
學(xué)生知道是蘋果先落地,但一部分學(xué)生認(rèn)為是蘋果的質(zhì)量比樹葉大的緣故。此時(shí),教師設(shè)置演示實(shí)驗(yàn):相同的兩張A4紙,一張揉成紙團(tuán),另一張不作處理,將其平放和紙團(tuán)從同一高度釋放,讓學(xué)生觀察,隨后討論:物體下落的快慢與哪些因素有關(guān)?蘋果下落過程中,哪些是主要因素?哪些是次要因素?再提出問題:“次要因素可以忽略嗎?”“在不考慮空氣阻力時(shí)(真空),蘋果和樹葉誰下落得更快呢?”然后,借助牛頓管進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生歸納并得出結(jié)論:在只考慮重力的情況下,所有物體下落得一樣快。這種理想化的運(yùn)動(dòng),稱為自由落體運(yùn)動(dòng)。
其實(shí),原始物理問題教學(xué)不僅能幫助學(xué)生基于實(shí)際情景建構(gòu)理想化模型,物理概念和規(guī)律也只有在原始物理問題中才有生命力,才能顯示其內(nèi)涵和外延,學(xué)生習(xí)得的概念和規(guī)律才能真正活起來,才能激發(fā)和喚醒學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。原始物理問題教學(xué)不僅能幫助學(xué)生掌握知識(shí)、技能和思想方法,而且還能很好地培養(yǎng)學(xué)生的能力,提升科學(xué)素養(yǎng)。
參考文獻(xiàn):
[1]邢紅軍.物理教學(xué)論[M].北京:北京大學(xué)出版社,2015.
[2]王晶瑩,張躍,張陽.中學(xué)物理教師對(duì)科學(xué)模型教育認(rèn)識(shí)的實(shí)證研究[J].全球教育展望,2016,45(2):93-105.
[3]吳加澍.對(duì)物理教學(xué)的哲學(xué)思考[J].課程·教材·教法,2005(7):64-69.
[4]邢紅軍.原始問題教學(xué):物理教育改革的新視域[J].課程·教材·教法,2007(5):51-57.
[5]邢紅軍,陳清梅.原始物理問題測(cè)量工具:編制與研究[J].課程·教材·教法,2008(11):59-63.
(欄目編輯 羅琬華)