張青霞

摘 要：本文首先介紹了原始物理問題的概念，并把原始問題和抽象問題的概念作了對比，目的在于加深學(xué)生對原始物理問題的理解。其次闡述了原始物理問題的特點。最后重點介紹依據(jù)原始問題建立物理模型的過程與方法。

關(guān)鍵詞：原始物理問題； 抽象問題；物理模型。

物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)間相互作用及物質(zhì)運動規(guī)律的科學(xué)，它來自于人們對大自然規(guī)律的認(rèn)識和理解，同時又指導(dǎo)人們運用物理規(guī)律進一步理解自然，并試圖改變自然，造福人類。但在應(yīng)試教育這個指揮棒下，大部分中學(xué)物理教師為對付考試往往用習(xí)題來訓(xùn)練學(xué)生，這樣做雖然學(xué)生解題技巧熟練了，但對事物的本質(zhì)、科學(xué)的方法卻知之甚少，這是造成部分學(xué)生高分低能的重要原因之一。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式抹殺了學(xué)生的創(chuàng)造性，導(dǎo)致建國六十多年來，還沒有出現(xiàn)過諾貝爾物理學(xué)獎，這是我們從事物理教育工作者最大的遺憾，教育改革刻不容緩。

我國的基礎(chǔ)教育課程改革明確將 STS（science 科學(xué)、technology 技術(shù)、 society 社會） 教育作為重要的理念。STS 教育強調(diào)培養(yǎng)人們對科學(xué)的理解，強調(diào)科學(xué)、技術(shù)和社會的協(xié)調(diào)發(fā)展，強調(diào)參與、重視技術(shù)教育、重視價值取向 [1 ]。我們必須改變物理課堂教學(xué)過于模式化、抽象化，遠(yuǎn)離現(xiàn)實生活的現(xiàn)狀，在物理教學(xué)中適當(dāng)引入 STS 教育，將學(xué)生熟悉的原始問題呈現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)他們求知的熱情，進而產(chǎn)生思考和解答問題的興趣和欲望 [1 ]。因而，利用原始物理問題培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理模型能力是實施STS教育的需要，是新課程改革的必然要求 。

一、原始物理問題的概念

原始物理問題是指自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在、能夠反映科學(xué)概念、規(guī)律本質(zhì)且未被加工的典型科學(xué)現(xiàn)象和事實或者對它們的模擬 [2 ]。其中的加工指的是分析、簡化和抽象。與原始物理問題相對應(yīng)的是抽象問題，抽象問題是把科學(xué)現(xiàn)象和事實經(jīng)過一定程度抽象后加工出來的物理問題。我們平常教學(xué)中出現(xiàn)的習(xí)題大都是抽象物理問題。原始物理問題和抽象問題兩者間的關(guān)系如圖 1所示 [3 ]：

即原始物理問題需通過分析、簡化、歸納才變成抽象問題。

現(xiàn)舉兩道題目來體會兩者的區(qū)別：

題目1 為了把陷在泥坑里的小轎車?yán)鰜?，司機用一條結(jié)實的繩子把小轎車拴在一棵大樹上，開始時車與樹相距10m，然后在繩的中點用300N的力F，沿與繩垂直的方向拉繩，中點被勻速拉過50cm。假設(shè)繩子的伸長量可以不計，求小轎車受到的拉力的大小。

題目2 當(dāng)小轎車陷于淤泥中時，司機只有一條很長的結(jié)實繩子，利用所學(xué)力學(xué)原理，想想怎樣才能便捷地從泥坑中拉出小轎車。

這兩個題目的物理條件和表達方式不同，但其所用的物理知識、遵循的物理規(guī)律是完全相同的，都可以用力的分解來解決。但題目 1 是應(yīng)試教育的一種形式，是個抽象問題，它強調(diào)的是物理知識的掌握；題目 2 則是來源于現(xiàn)實生活，讓學(xué)生用書本上的物理知識去解決生活中的原汁原味的物理問題。兩個問題的出發(fā)點不同，對學(xué)生的教育功能就不同了。

二、原始物理問題的特點

通過以上兩個例子可以發(fā)現(xiàn)，原始問題的表述形式是對科學(xué)現(xiàn)象的描述，采用文字?jǐn)⑹龅姆绞匠尸F(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象，與習(xí)題顯著不同的是：它沒有習(xí)題中常常給定的已知量和未知量，沒有習(xí)題強調(diào)的前提和條件，而是真實的物理情境，解題所需的條件要由學(xué)生自己去設(shè)置 [4 ]。所以原始問題與抽象問題相比較，具有以下特點：

1. 對學(xué)生來說沒有固定的模式，不能靠簡單的模仿來解決；

2. 它可以是一種情境，其中隱含的物理問題需要學(xué)生自己提出求解并做出解釋；

3. 具有趣味性和魅力，能引起學(xué)生的思考并對學(xué)生的智力提出挑戰(zhàn)；

4. 答案不唯一，不同水平的學(xué)生想到的答案不一樣。

綜上所述，原始物理問題具有客觀真實性、隱蔽性、趣味性、遷移性和開放性等特點。當(dāng)學(xué)生面對原始物理問題時，由于原始物理問題只暴露了物理現(xiàn)象的某些特征，不給具體的已知量和未知量，無法直接用定理、定律推導(dǎo)計算，學(xué)生完全處于一個開放的環(huán)境中，他的邏輯思維已難以奏效，而起作用的是非邏輯思維，學(xué)生只能依據(jù)客觀事實和已掌握的理論知識展開想象，他們會沿著不同的思維路徑、不同的思維角度、不同的層面和不同的關(guān)系出發(fā)來思考，從而根據(jù)所觀察的現(xiàn)象提出不同的問題，讓學(xué)生的發(fā)散思維和想象等非邏輯思維發(fā)揮到極致 [5 ] 。

三、依據(jù)原始問題建立物理模型的過程與方法

對原始物理問題的解決辦法一般分三步驟進行：首先是分析問題，確定研究對象，建立適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?；其次是根?jù)已知條件，利用物理知識，把物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型進行計算；最后把計算結(jié)果反饋到原始物理問題進行驗證，從而確定最后答案。而在平常教學(xué)中，教師都是直接設(shè)置物理模型，再完成后兩步就解決問題了。采用這種教學(xué)方式的后果是：學(xué)生若碰到原始物理問題就不知所措，無法獨立完成物理模型的建立，更別提能應(yīng)用物理知識解決實際問題了。因此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)把培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)原始物理問題建立物理模型能力作為重要的教學(xué)任務(wù)。

培養(yǎng)學(xué)生從原始物理問題中建立物理模型，可從以下兩方面進行操作：首先，引導(dǎo)學(xué)生對原始物理問題進行分析，抓住問題的主要因素，忽略次要因素，這里的次要因素是指對所研究的問題影響不大的因素。比如研究地球公轉(zhuǎn)時，地球本身的自轉(zhuǎn)對地球公轉(zhuǎn)影響很小，所以地球的自轉(zhuǎn)就是次要因素，可忽略。

其次，在引導(dǎo)學(xué)生分析原始物理問題的基礎(chǔ)上，采用類比、假設(shè)、等效替代、理想化等方法，找到已有物理模型與原始物理問題的關(guān)系，并建立相應(yīng)的物理模型。比如：討論降落傘的下落運動，剛下落時，可理想化為初速度為零的勻加速直線運動；降落傘下落一段時間后，可理想化為勻速直線運動。以下舉例說明從原始物理問題中建立物理模型時常用的幾種方法。

（一） 類比法

物理上的類比法是指一類過程或物理現(xiàn)象具有的某種屬性，可以推測與其類似的過程或物理現(xiàn)象也具有這種屬性的推理方法。

例1 一宇航員站在某質(zhì)量分布均勻的星球表面上，能否利用手中的小球、秒表和刻度尺測出該星球表面的重力加速度？

解析 讓小球自由下落，在星球上小球的自由下落可類比為地球上小球的自由下落，并抽象出自由落體運動這個物理模型。用刻度尺測量小球下落的高度，用秒表測量小球下落的時間，利用地球上自由落體運動的公式，很容易得出本題的答案。在這里就采用了類比的方法來建立自由落體運動的物理模型。

（二）假設(shè)法

假設(shè)法是對于待求解的問題，在不違背原題所給條件的基礎(chǔ)上，人為的加上或減去某些條件，以方便原題求解。求解物理試題常用的有假設(shè)物理模型，假設(shè)物理過程，假設(shè)物理量等，利用假設(shè)法處理某些物理問題，可以突破思維障礙，找出新的解題思路，化難為易，化繁為簡。

例2 一梯子斜靠在豎直光滑墻面上，求阻止梯子滑動的摩擦力大??？

解析 以梯子為研究對象，受力如圖2所示，由于N1、N2和f均未知，通常根據(jù)共點力和力矩平衡條件列方程求解f，但求解過程比較繁瑣，若擴大視野，聚焦N1和N2的交點O，并將交點0假設(shè)為梯子的轉(zhuǎn)動軸，那么未知力N1、N2因其作用線通過轉(zhuǎn)動軸而力矩為零，于是根據(jù)力矩平衡條件，設(shè)梯子的長度為L，傾角為α，有fLsinα=■mgLcosα，所以f=■mgcotα。由此可見，這是一道物理模型的假設(shè)題。

（三）等效替代法

等效替代法是在保證某種效果（特性和關(guān)系）相同的前提下，將實際的、復(fù)雜的物理問題和物理過程轉(zhuǎn)化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程的方法。

例3 有什么方法可以測量籃球下落時對地的壓力？

解析 可準(zhǔn)備臺秤一臺，籃球一個，紅墨水一瓶，白紙一張，然后在地面上鋪張白紙，讓表面蘸上紅墨水的籃球自由下落，這下白紙就印有籃球的印記，再把印有籃球印記的那面朝下放在臺秤上，對著印記中心放上該籃球，并按壓籃球，使籃球新留下的印記與原來印記重疊時，記下臺秤的讀數(shù)，該讀數(shù)乘上g，就是籃球下落時對地的壓力。這里利用按壓籃球的形變與籃球下落的形變一致這個等效方法來求解籃球下落時對地的壓力。因為籃球相同的形變所受彈力是一樣的。

（四）理想化法

理想化法是指當(dāng)我們在研究問題時，經(jīng)常會抓住問題的主要因素，忽略問題的次要因素，就成為我們研究問題時常用的一種思維方法。比如理想變壓器就用到了理想化這個思維方法，它抓住了原、副線圈中電流產(chǎn)生的磁場絕大部分通過鐵芯這個主要因素，忽略了原、副線圈中電流產(chǎn)生的磁場也有一些“漏”到鐵芯外，變壓器繞線有電阻要消耗能量、以及變壓器的鐵芯因渦流而消耗能量這些次要因素。

基于原始物理問題的概念和特點，以及依據(jù)原始問題建立物理模型的過程與方法的分析，發(fā)現(xiàn)：學(xué)生的建模思想和建模能力在解決原始物理問題的同時得到了提高。

參考文獻：

[1]陳報南.中學(xué)物理與 STS 教育[M].北京：人民教育出版社，2005.

[2]鮑堯紅. 基于原始問題解決的高中物理模型教學(xué)[J].考試周刊，2012（6）.

[3]廖建平. 基于原始問題解決的高中物理模型教學(xué)[D]. 江西：江西師范大學(xué)，2008.

[4]王少靜.運用原始物理問題提高學(xué)生建立物理模型能力的研究[D].河北：河北師范大學(xué)，2010.

[5]魏小亮. 高中生原始物理問題解決能力的培養(yǎng)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2011.