论文部分内容阅读
摘 要：本文首先介绍了原始物理问题的概念，并把原始问题和抽象问题的概念作了对比，目的在于加深学生对原始物理问题的理解。其次阐述了原始物理问题的特点。最后重点介绍依据原始问题建立物理模型的过程与方法。
关键词：原始物理问题； 抽象问题；物理模型。
物理学是研究物质结构、物质性质、物质间相互作用及物质运动规律的科学，它来自于人们对大自然规律的认识和理解，同时又指导人们运用物理规律进一步理解自然，并试图改变自然，造福人类。但在应试教育这个指挥棒下，大部分中学物理教师为对付考试往往用习题来训练学生，这样做虽然学生解题技巧熟练了，但对事物的本质、科学的方法却知之甚少，这是造成部分学生高分低能的重要原因之一。这种传统的教学模式抹杀了学生的创造性，导致建国六十多年来，还没有出现过诺贝尔物理学奖，这是我们从事物理教育工作者最大的遗憾，教育改革刻不容缓。
我国的基础教育课程改革明确将 STS（science 科学、technology 技术、 society 社会） 教育作为重要的理念。STS 教育强调培养人们对科学的理解，强调科学、技术和社会的协调发展，强调参与、重视技术教育、重视价值取向 [1 ]。我们必须改变物理课堂教学过于模式化、抽象化，远离现实生活的现状，在物理教学中适当引入 STS 教育，将学生熟悉的原始问题呈现给学生，激发他们求知的热情，进而产生思考和解答问题的兴趣和欲望 [1 ]。因而，利用原始物理问题培养学生构建物理模型能力是实施STS教育的需要，是新课程改革的必然要求 。
一、原始物理问题的概念
原始物理问题是指自然界及社会生活、生产中客观存在、能够反映科学概念、规律本质且未被加工的典型科学现象和事实或者对它们的模拟 [2 ]。其中的加工指的是分析、简化和抽象。与原始物理问题相对应的是抽象问题，抽象问题是把科学现象和事实经过一定程度抽象后加工出来的物理问题。我们平常教学中出现的习题大都是抽象物理问题。原始物理问题和抽象问题两者间的关系如图 1所示 [3 ]：
即原始物理问题需通过分析、简化、归纳才变成抽象问题。
现举两道题目来体会两者的区别：
题目1 为了把陷在泥坑里的小轿车拉出来，司机用一条结实的绳子把小轿车拴在一棵大树上，开始时车与树相距10m，然后在绳的中点用300N的力F，沿与绳垂直的方向拉绳，中点被匀速拉过50cm。假设绳子的伸长量可以不计，求小轿车受到的拉力的大小。
题目2 当小轿车陷于淤泥中时，司机只有一条很长的结实绳子，利用所学力学原理，想想怎样才能便捷地从泥坑中拉出小轿车。
这两个题目的物理条件和表达方式不同，但其所用的物理知识、遵循的物理规律是完全相同的，都可以用力的分解来解决。但题目 1 是应试教育的一种形式，是个抽象问题，它强调的是物理知识的掌握；题目 2 则是来源于现实生活，让学生用书本上的物理知识去解决生活中的原汁原味的物理问题。两个问题的出发点不同，对学生的教育功能就不同了。
二、原始物理问题的特点
通过以上两个例子可以发现，原始问题的表述形式是对科学现象的描述，采用文字叙述的方式呈现科学现象，与习题显著不同的是：它没有习题中常常给定的已知量和未知量，没有习题强调的前提和条件，而是真实的物理情境，解题所需的条件要由学生自己去设置 [4 ]。所以原始问题与抽象问题相比较，具有以下特点：
1. 对学生来说没有固定的模式，不能靠简单的模仿来解决；
2. 它可以是一种情境，其中隐含的物理问题需要学生自己提出求解并做出解释；
3. 具有趣味性和魅力，能引起学生的思考并对学生的智力提出挑战；
4. 答案不唯一，不同水平的学生想到的答案不一样。
综上所述，原始物理问题具有客观真实性、隐蔽性、趣味性、迁移性和开放性等特点。当学生面对原始物理问题时，由于原始物理问题只暴露了物理现象的某些特征，不给具体的已知量和未知量，无法直接用定理、定律推导计算，学生完全处于一个开放的环境中，他的逻辑思维已难以奏效，而起作用的是非逻辑思维，学生只能依据客观事实和已掌握的理论知识展开想象，他们会沿着不同的思维路径、不同的思维角度、不同的层面和不同的关系出发来思考，从而根据所观察的现象提出不同的问题，让学生的发散思维和想象等非逻辑思维发挥到极致 [5 ] 。
三、依据原始问题建立物理模型的过程与方法
对原始物理问题的解决办法一般分三步骤进行：首先是分析问题，确定研究对象，建立适当的物理模型；其次是根据已知条件，利用物理知识，把物理模型转化为数学模型进行计算；最后把计算结果反馈到原始物理问题进行验证，从而确定最后答案。而在平常教学中，教师都是直接设置物理模型，再完成后两步就解决问题了。采用这种教学方式的后果是：学生若碰到原始物理问题就不知所措，无法独立完成物理模型的建立，更别提能应用物理知识解决实际问题了。因此，教师在教学过程中应把培养学生依据原始物理问题建立物理模型能力作为重要的教学任务。
培养学生从原始物理问题中建立物理模型，可从以下两方面进行操作：首先，引导学生对原始物理问题进行分析，抓住问题的主要因素，忽略次要因素，这里的次要因素是指对所研究的问题影响不大的因素。比如研究地球公转时，地球本身的自转对地球公转影响很小，所以地球的自转就是次要因素，可忽略。
其次，在引导学生分析原始物理问题的基础上，采用类比、假设、等效替代、理想化等方法，找到已有物理模型与原始物理问题的关系，并建立相应的物理模型。比如：讨论降落伞的下落运动，刚下落时，可理想化为初速度为零的匀加速直线运动；降落伞下落一段时间后，可理想化为匀速直线运动。以下举例说明从原始物理问题中建立物理模型时常用的几种方法。 （一） 类比法
物理上的类比法是指一类过程或物理现象具有的某种属性，可以推测与其类似的过程或物理现象也具有这种属性的推理方法。
例1 一宇航员站在某质量分布均匀的星球表面上，能否利用手中的小球、秒表和刻度尺测出该星球表面的重力加速度？
解析 让小球自由下落，在星球上小球的自由下落可类比为地球上小球的自由下落，并抽象出自由落体运动这个物理模型。用刻度尺测量小球下落的高度，用秒表测量小球下落的时间，利用地球上自由落体运动的公式，很容易得出本题的答案。在这里就采用了类比的方法来建立自由落体运动的物理模型。
（二）假设法
假设法是对于待求解的问题，在不违背原题所给条件的基础上，人为的加上或减去某些条件，以方便原题求解。求解物理试题常用的有假设物理模型，假设物理过程，假设物理量等，利用假设法处理某些物理问题，可以突破思维障碍，找出新的解题思路，化难为易，化繁为简。
例2 一梯子斜靠在竖直光滑墙面上，求阻止梯子滑动的摩擦力大小？
解析 以梯子为研究对象，受力如图2所示，由于N1、N2和f均未知，通常根据共点力和力矩平衡条件列方程求解f，但求解过程比较繁琐，若扩大视野，聚焦N1和N2的交点O，并将交点0假设为梯子的转动轴，那么未知力N1、N2因其作用线通过转动轴而力矩为零，于是根据力矩平衡条件，设梯子的长度为L，倾角为α，有fLsinα=■mgLcosα，所以f=■mgcotα。由此可见，这是一道物理模型的假设题。
（三）等效替代法
等效替代法是在保证某种效果（特性和关系）相同的前提下，将实际的、复杂的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程的方法。
例3 有什么方法可以测量篮球下落时对地的压力？
解析 可准备台秤一台，篮球一个，红墨水一瓶，白纸一张，然后在地面上铺张白纸，让表面蘸上红墨水的篮球自由下落，这下白纸就印有篮球的印记，再把印有篮球印记的那面朝下放在台秤上，对着印记中心放上该篮球，并按压篮球，使篮球新留下的印记与原来印记重叠时，记下台秤的读数，该读数乘上g，就是篮球下落时对地的压力。这里利用按压篮球的形变与篮球下落的形变一致这个等效方法来求解篮球下落时对地的压力。因为篮球相同的形变所受弹力是一样的。
（四）理想化法
理想化法是指当我们在研究问题时，经常会抓住问题的主要因素，忽略问题的次要因素，就成为我们研究问题时常用的一种思维方法。比如理想变压器就用到了理想化这个思维方法，它抓住了原、副线圈中电流产生的磁场绝大部分通过铁芯这个主要因素，忽略了原、副线圈中电流产生的磁场也有一些“漏”到铁芯外，变压器绕线有电阻要消耗能量、以及变压器的铁芯因涡流而消耗能量这些次要因素。
基于原始物理问题的概念和特点，以及依据原始问题建立物理模型的过程与方法的分析，发现：学生的建模思想和建模能力在解决原始物理问题的同时得到了提高。
参考文献：
[1]陈报南.中学物理与 STS 教育[M].北京：人民教育出版社，2005.
[2]鲍尧红. 基于原始问题解决的高中物理模型教学[J].考试周刊，2012（6）.
[3]廖建平. 基于原始问题解决的高中物理模型教学[D]. 江西：江西师范大学，2008.
[4]王少静.运用原始物理问题提高学生建立物理模型能力的研究[D].河北：河北师范大学，2010.
[5]魏小亮. 高中生原始物理问题解决能力的培养研究[D].苏州：苏州大学，2011.
关键词：原始物理问题； 抽象问题；物理模型。
物理学是研究物质结构、物质性质、物质间相互作用及物质运动规律的科学，它来自于人们对大自然规律的认识和理解，同时又指导人们运用物理规律进一步理解自然，并试图改变自然，造福人类。但在应试教育这个指挥棒下，大部分中学物理教师为对付考试往往用习题来训练学生，这样做虽然学生解题技巧熟练了，但对事物的本质、科学的方法却知之甚少，这是造成部分学生高分低能的重要原因之一。这种传统的教学模式抹杀了学生的创造性，导致建国六十多年来，还没有出现过诺贝尔物理学奖，这是我们从事物理教育工作者最大的遗憾，教育改革刻不容缓。
我国的基础教育课程改革明确将 STS（science 科学、technology 技术、 society 社会） 教育作为重要的理念。STS 教育强调培养人们对科学的理解，强调科学、技术和社会的协调发展，强调参与、重视技术教育、重视价值取向 [1 ]。我们必须改变物理课堂教学过于模式化、抽象化，远离现实生活的现状，在物理教学中适当引入 STS 教育，将学生熟悉的原始问题呈现给学生，激发他们求知的热情，进而产生思考和解答问题的兴趣和欲望 [1 ]。因而，利用原始物理问题培养学生构建物理模型能力是实施STS教育的需要，是新课程改革的必然要求 。
一、原始物理问题的概念
原始物理问题是指自然界及社会生活、生产中客观存在、能够反映科学概念、规律本质且未被加工的典型科学现象和事实或者对它们的模拟 [2 ]。其中的加工指的是分析、简化和抽象。与原始物理问题相对应的是抽象问题，抽象问题是把科学现象和事实经过一定程度抽象后加工出来的物理问题。我们平常教学中出现的习题大都是抽象物理问题。原始物理问题和抽象问题两者间的关系如图 1所示 [3 ]：
即原始物理问题需通过分析、简化、归纳才变成抽象问题。
现举两道题目来体会两者的区别：
题目1 为了把陷在泥坑里的小轿车拉出来，司机用一条结实的绳子把小轿车拴在一棵大树上，开始时车与树相距10m，然后在绳的中点用300N的力F，沿与绳垂直的方向拉绳，中点被匀速拉过50cm。假设绳子的伸长量可以不计，求小轿车受到的拉力的大小。
题目2 当小轿车陷于淤泥中时，司机只有一条很长的结实绳子，利用所学力学原理，想想怎样才能便捷地从泥坑中拉出小轿车。
这两个题目的物理条件和表达方式不同，但其所用的物理知识、遵循的物理规律是完全相同的，都可以用力的分解来解决。但题目 1 是应试教育的一种形式，是个抽象问题，它强调的是物理知识的掌握；题目 2 则是来源于现实生活，让学生用书本上的物理知识去解决生活中的原汁原味的物理问题。两个问题的出发点不同，对学生的教育功能就不同了。
二、原始物理问题的特点
通过以上两个例子可以发现，原始问题的表述形式是对科学现象的描述，采用文字叙述的方式呈现科学现象，与习题显著不同的是：它没有习题中常常给定的已知量和未知量，没有习题强调的前提和条件，而是真实的物理情境，解题所需的条件要由学生自己去设置 [4 ]。所以原始问题与抽象问题相比较，具有以下特点：
1. 对学生来说没有固定的模式，不能靠简单的模仿来解决；
2. 它可以是一种情境，其中隐含的物理问题需要学生自己提出求解并做出解释；
3. 具有趣味性和魅力，能引起学生的思考并对学生的智力提出挑战；
4. 答案不唯一，不同水平的学生想到的答案不一样。
综上所述，原始物理问题具有客观真实性、隐蔽性、趣味性、迁移性和开放性等特点。当学生面对原始物理问题时，由于原始物理问题只暴露了物理现象的某些特征，不给具体的已知量和未知量，无法直接用定理、定律推导计算，学生完全处于一个开放的环境中，他的逻辑思维已难以奏效，而起作用的是非逻辑思维，学生只能依据客观事实和已掌握的理论知识展开想象，他们会沿着不同的思维路径、不同的思维角度、不同的层面和不同的关系出发来思考，从而根据所观察的现象提出不同的问题，让学生的发散思维和想象等非逻辑思维发挥到极致 [5 ] 。
三、依据原始问题建立物理模型的过程与方法
对原始物理问题的解决办法一般分三步骤进行：首先是分析问题，确定研究对象，建立适当的物理模型；其次是根据已知条件，利用物理知识，把物理模型转化为数学模型进行计算；最后把计算结果反馈到原始物理问题进行验证，从而确定最后答案。而在平常教学中，教师都是直接设置物理模型，再完成后两步就解决问题了。采用这种教学方式的后果是：学生若碰到原始物理问题就不知所措，无法独立完成物理模型的建立，更别提能应用物理知识解决实际问题了。因此，教师在教学过程中应把培养学生依据原始物理问题建立物理模型能力作为重要的教学任务。
培养学生从原始物理问题中建立物理模型，可从以下两方面进行操作：首先，引导学生对原始物理问题进行分析，抓住问题的主要因素，忽略次要因素，这里的次要因素是指对所研究的问题影响不大的因素。比如研究地球公转时，地球本身的自转对地球公转影响很小，所以地球的自转就是次要因素，可忽略。
其次，在引导学生分析原始物理问题的基础上，采用类比、假设、等效替代、理想化等方法，找到已有物理模型与原始物理问题的关系，并建立相应的物理模型。比如：讨论降落伞的下落运动，刚下落时，可理想化为初速度为零的匀加速直线运动；降落伞下落一段时间后，可理想化为匀速直线运动。以下举例说明从原始物理问题中建立物理模型时常用的几种方法。 （一） 类比法
物理上的类比法是指一类过程或物理现象具有的某种属性，可以推测与其类似的过程或物理现象也具有这种属性的推理方法。
例1 一宇航员站在某质量分布均匀的星球表面上，能否利用手中的小球、秒表和刻度尺测出该星球表面的重力加速度？
解析 让小球自由下落，在星球上小球的自由下落可类比为地球上小球的自由下落，并抽象出自由落体运动这个物理模型。用刻度尺测量小球下落的高度，用秒表测量小球下落的时间，利用地球上自由落体运动的公式，很容易得出本题的答案。在这里就采用了类比的方法来建立自由落体运动的物理模型。
（二）假设法
假设法是对于待求解的问题，在不违背原题所给条件的基础上，人为的加上或减去某些条件，以方便原题求解。求解物理试题常用的有假设物理模型，假设物理过程，假设物理量等，利用假设法处理某些物理问题，可以突破思维障碍，找出新的解题思路，化难为易，化繁为简。
例2 一梯子斜靠在竖直光滑墙面上，求阻止梯子滑动的摩擦力大小？
解析 以梯子为研究对象，受力如图2所示，由于N1、N2和f均未知，通常根据共点力和力矩平衡条件列方程求解f，但求解过程比较繁琐，若扩大视野，聚焦N1和N2的交点O，并将交点0假设为梯子的转动轴，那么未知力N1、N2因其作用线通过转动轴而力矩为零，于是根据力矩平衡条件，设梯子的长度为L，倾角为α，有fLsinα=■mgLcosα，所以f=■mgcotα。由此可见，这是一道物理模型的假设题。
（三）等效替代法
等效替代法是在保证某种效果（特性和关系）相同的前提下，将实际的、复杂的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程的方法。
例3 有什么方法可以测量篮球下落时对地的压力？
解析 可准备台秤一台，篮球一个，红墨水一瓶，白纸一张，然后在地面上铺张白纸，让表面蘸上红墨水的篮球自由下落，这下白纸就印有篮球的印记，再把印有篮球印记的那面朝下放在台秤上，对着印记中心放上该篮球，并按压篮球，使篮球新留下的印记与原来印记重叠时，记下台秤的读数，该读数乘上g，就是篮球下落时对地的压力。这里利用按压篮球的形变与篮球下落的形变一致这个等效方法来求解篮球下落时对地的压力。因为篮球相同的形变所受弹力是一样的。
（四）理想化法
理想化法是指当我们在研究问题时，经常会抓住问题的主要因素，忽略问题的次要因素，就成为我们研究问题时常用的一种思维方法。比如理想变压器就用到了理想化这个思维方法，它抓住了原、副线圈中电流产生的磁场绝大部分通过铁芯这个主要因素，忽略了原、副线圈中电流产生的磁场也有一些“漏”到铁芯外，变压器绕线有电阻要消耗能量、以及变压器的铁芯因涡流而消耗能量这些次要因素。
基于原始物理问题的概念和特点，以及依据原始问题建立物理模型的过程与方法的分析，发现：学生的建模思想和建模能力在解决原始物理问题的同时得到了提高。
参考文献：
[1]陈报南.中学物理与 STS 教育[M].北京：人民教育出版社，2005.
[2]鲍尧红. 基于原始问题解决的高中物理模型教学[J].考试周刊，2012（6）.
[3]廖建平. 基于原始问题解决的高中物理模型教学[D]. 江西：江西师范大学，2008.
[4]王少静.运用原始物理问题提高学生建立物理模型能力的研究[D].河北：河北师范大学，2010.
[5]魏小亮. 高中生原始物理问题解决能力的培养研究[D].苏州：苏州大学，2011.