基于核心素养导向的物理原始问题教学

施云芳

（杭州市余杭第二高级中学，浙江 杭州 311100）

一、从一个考题说起

浙江省2017 年11 月选考卷有这样一个试题：

【例1】 如图1 所示，照片中的汽车在水平路面上做匀速圆周运动，已知图中双向四车道的总宽度约为15m，假设汽车受到的最大静摩擦力等于车重的0.7 倍，则运动的汽车

A.所受的合力可能为零

B.只受重力和地面支持力作用

C.最大速度不能超过25m/s

D.所需的向心力由重力和支持力的合力提供

简单的应试，这道题容易解析：汽车在水平马路上做的是匀速圆周运动，合外力时时刻刻指向圆心，拐弯时靠静摩擦力提供向心力，因此排除错误选项可以选择C。如果我们的教学只止步于正确答案，那么学生的核心素养仅体现在物理观念层面上，只是从运动和相互作用观念的视角，初步解释了汽车转弯这一自然现象，而本题的核心问题“汽车转弯的最大速度”仍然未得到解决，同时也错失了培育学生物理核心素养的良好契机。

若进行下一步追问“速度是不能超过25m/s 而不是15m/s”，那又该如何分析？根据得最大速度，需要知道转弯半径才能求出v。题目中指出双向四车道总宽度15m，这就提示了应该按照图示比例来估算弯道的半径。根据生活经验，观测长度时会出现“远近高低各不同”的问题，但在同一横线上，长度的比例大致相同。因此通过图片横向比较，可得弯道的半径大约是车道总宽度的4 倍（如图2），即弯道的半径大约60m，求得v ＝20.5m/s。

本题通过生活经验也可以判断：汽车的速度要是为25m/s，也就是为90km/h，假如问一个没学过高中物理的司机：“以90 码的速度在水平路面上转弯可以吗？”他一定会说：“这是危险驾驶，可能会向外侧翻！”这说明司机可能不知道匀速圆周运动的物理知识，但根据生活常识他也能做出判断，而15m/s 的速度相当于在城市街道上正常行驶的速度，用这个速度进行大转弯行驶，认为安全是有保障的。所谓“读万卷书行千里路”，生活经验的积累其实也是一种智慧。

本题以图片的形式呈现了一个信息庞杂、客观真实的情景，要求学生从中推算出汽车转弯的最大速度，这使人想起20 世纪60 年著名的“照片泄密案”，据说日本人曾根据《中国画报》封面刊出的图3 这张照片，破译了大庆油田的许多秘密并赢得商业先机。这些源自自然及社会生产生活中，且未被加工或很少被加工的物理问题，我们称之为原始问题。

从【例1】中我们不难发现，原始问题有这样一些特点：背景的客观性，现象的复杂性，条件的隐蔽性，思维的多样性，结果的开放性。正是原始物理问题的这些特点，解决原始的物理问题包括一些基本要素：如模型的建构、科学的推理、科学的论证、质疑与创新。因此，原始的物理问题对于培养高中学生的物理核心素养，以及培养高中学生科学的思维方式有着独特的教育价值功能。

二、原始物理问题的理论建构

皮亚杰双重建构的理论指出：对知识的建构过程是主体客体相互影响的过程，其中蕴涵了双向的建构过程，通过环境中得到的信息提炼转化成认知的结构框架，即内化建构的过程，而形成的认知结构能反过来作用于外部环境，即外化建构的过程。在物理教学中，教师向学生传授物理知识的过程，本质上是一个认识的内化建构过程，而后者外化建构过程是让学生用学过的物理知识来解决某些实际物理问题的过程。

在当前的物理教学中，我们往往习惯把物理课程的内容开展得井然有序，对学生可能出现的问题逐一警示劝诫，尽量不给学生在课后物理练习中留下疑点和难点，即对学生自己内化建构给予了足够的重视。需要不断强调的是学生在听讲、解题、应试等过程中，始终针对内化建构进行活动开展。因为，传统的物理习题往往是直接给出抽象、简化的物理模型，偏向训练演算和推理，一般都会给出相应的物理量或已知条件，学生只需运用相关知识，按常规方法即可以自行解决问题，这在很大程度上是模仿。显然，外化建构的过程被忽视了。

人的思维方式在学习中不断提升，通过认知的过程是把脑海里原有的固化模型被新的认知打破平衡，产生了对认知体系和方式的改变或是重组，从而让原有的思考模式得到提升。物理教学中的习题和原始的物理问题有着一定程度的区别，通过前者物理习题的教学方法让学生形成和巩固为已有的正确的认识水平，而后者提出的原始物理问题会激发学生联系实际，修正已有的思维方式和水平，从而起到一个动态前进的平衡状态。原始物理问题的呈现方式是对周围真实情景的具体描述，学生一般没有现成效仿的原型，而某些已知条件又具有遮蔽性，需要自己联系实际生活和常识，对观察到的现象进行分析、评估来获取，内化自主的建构实际的物理模型。从某种程度上说，我们进行的传统物理的习题教学是让学生运用生活中经验知识来解决间接经验问题，而原始物理问题教学则是学生运用间接经验知识解决直接经验问题。解决原始的物理问题的过程也是学生达成内化建构和外化建构相互统一的过程。

三、开展原始物理问题的教学策略

需要指出的是，【例1】命题也不能完全算是一个原始问题，试题给出的一些数据是学生通过生活经验可以获得的，所给出的选项也是值得进一步商榷。这也反映了命题者投鼠忌器的两难境地心理，一方面期望能把学生真实的能力水平通过考试体现出来，能让高考命题对中学物理的教学发挥引领方向的作用，因此采用通过原始的物理问题来取代传统习题训练。但是这样的方式会使得分率较少，成绩不理想，进而对中学物理的教学现状造成很大的冲击。而且【例1】命题是以选择题的形式出现，有猜测得分的机会，掩盖了会与不会的界线，不能反映解题思路，不利于综合测量、评价等高层次目标。

正是由于这两方面的因素，原始物理问题内在的教学价值易被忽视。但也正是【例1】这一命题思路给我们的教学一些启示：可以在传统习题与原始问题的互补中，寻找两者之间互补的结合点，以提升习题教学的质量。

（一）挖掘传统习题中的核心素养要素，引导思维方式的转变

强调原始物理问题的教学功能，并非否定传统习题教学的重要作用。应坚持发挥好传统习题在帮助学生巩固和加深知识理解、培养初步运用知识解决问题能力等方面的积极作用。同时，要努力挖掘传统习题中的物理核心素养要素，改进习题教学模式。

每个物理习题都会体现出某种物理本质，在解决问题的同时还要考虑物理习题所体现的物理本质，学会多角度多层次来思考问题，讨论在不同的环境条件下解决问题的策略方案，还要联系有关的物理现象，由单纯的习题回到复杂的生活中，用学过的物理知识来解决实际生活中的问题，并逐步推移到更加宽广的领域中，学到更多的东西。

【例2】（浙江2015 年10 月选考卷）为了从坦克内部观察外部目标，在厚度为20cm 的坦克壁上开了一个直径为12cm 的孔，若在孔内分别安装由同一种材料制成的如图4 所示的玻璃，其中两块玻璃的厚度相同。坦克内的人在同一位置通过玻璃能看到的外界的角度范围是

A.图a 的大于图b 的 B.图a 的小于图c 的

C.图b 的小于图c 的 D.图b 的等于图c 的

本题似乎是一个传统的习题，也与生活中的窥视镜等实际问题紧密联系。试题要求比较三种情形下的观察范围的大小，定性分析不难得出，图a 的观察范围最大，而通过图5 所示光路图（图中虚线部分表示玻璃砖平移后的光路）可知，图b 与图c 的观察范围相同，选项AD 正确。问题是解决了，但学生能从这一解析中学到什么？能否把所学到的迁移到新的问题情景中去解决问题呢？显然难说。以上解析只是就题论题，并没有抓住该题的物理本质。该题所要体现的物理本质是什么？可以从以下几个层次来剖析：

①问题的表征：如何比较图b 与图c 两种情形的观察范围大小？学生也自然会想到用作图法来求解，但学生一般只会在原题图中做出图6、图7 所示的结果。显然，从两图的对比中是无法比较观察范围的大小。

②比较的方法：这就涉及到用比较的方法讨论问题，即只有在共性的前提下才能比较出差异。只有把图6 和图7 合在一起，即如图5 所示的情形，才能得出比较结果。然而，作为一个考题，要求学生在时间高度紧张的情况下做出这种思维选择是不符合实际情况的。

③问题的实质：本题所需要考查的物理本质是什么呢？是相关性分析，即分析观察范围与什么因素有关？推而言之是平行玻璃砖对光线的偏折与什么因素有关？根据所学知识可知，影响平行玻璃砖对光线的偏折的因素有二：一是玻璃折射率，二是玻璃砖厚度，而与玻璃的前后位置无关，由此可得图b 与图c 的观察范围相同。生活中配眼镜时会选择镜片材料折射率大一些以降低镜片的厚度（重量）就是这个道理。

④基于智慧的解决策略：至此物理问题解决了，但还有没有另外的思考角度呢？如果注意到题干中并没有标明“坦克内部”是在玻璃的左侧，还是右侧，那么可以进行如下推论：若观察范围与玻璃的前后位置有关，则左、右变换观察点时，图b与图c的观察范围的大小关系是互换的，即是不确定的，这从命题逻辑上讲是错误的，也就意味着图b 与图c 的观察范围是相同的。

（二）重视从原始物理问题向传统习题转换的训练

学生遇到原始问题时的困难，主要表现为面对一个信息庞杂、已知条件隐蔽的问题时，思维紊乱，缺乏程序化。因此，在教学中要重视从原始物理问题向传统习题转换的训练，让学生的思维处于与信息、知识的多向流通和不断碰撞中，促进思维系统从量变到质变，由无序逐渐演进到新的有序。

从原始的物理问题出发，到物理习题的训练，其实牵涉到他们之间的关系，简而言之这种外在的变换是通过原始的物理问题中提到的物理现象以及事实，用物理的语言描述、表征后，再用条件中给出的物理知识做出辨析，运用逻辑规律、简化抽象等一些科学的思维方法进行理想的模型化提炼，最终找出求解过程中需要用到的物理量作为已知条件，把求解的量和已知量之间的关系找出来，对潜在的结果和可能再进行限定，得到难度适中的物理习题。

在课堂教学中，教师提出某个现象中的原始物理问题，让学生简化抽象成理想化的物理模型，并给出一些可以测量或计算的相关量，设计好适合研究的习题。通过这样的方式让学生抓住原始物理问题中的核心，从而培养学生筛选信息、分析问题、建立模型、解决问题的能力。刚开始使用原始物理问题时，可以多给定一些相关数据，以降低试题的难度。随着教学的深入，可以逐步去掉所有的数据信息。

如在学过瞬时速度概念后，可以给出如图8 所示是由高速摄影机拍摄的子弹穿过苹果的照片，让学生去设计方案，求得子弹的飞行速度？

①对象建模：虽然子弹飞行中有自转，但为简化问题，不研究转动，可视为质点；

②过程建模：由于曝光时间很短，竖直方向的运动和减速效应可不考虑，子弹的运动可视为水平方向的匀速直线运动；

③挖掘信息：曝光时间内子弹是否有位移？应该有，但为何没有显示呢？因为曝光时间太短，子弹位移很小。子弹位移小到多少时照片上就显示不出了呢？子弹前后错开的距离大概为子弹长度的1%～2%，这时用肉眼就无法区分；

④估值：对于子弹的长度，学生缺乏感性认识，但可对比苹果的几何尺寸获取，曝光时间则可查阅相关资料获取，由此即可估算得子弹飞行速度。

⑤评估与反思：将求得的数值与通常情形下子弹的速度对照是否一致，如果不一致，则需要反思所建立的模型是否正确，所选取的数值是否合理，等等。

原始的物理问题中所涉及的物理量往往隐藏在真实的物理情境中，需要学生对信息分层辨析剥离出来，随之物理的模型也会“破茧而出”。只有通过这样的训练，学生才有可能真正了解物理建模的条件，深刻体会、理解物理模型的实质，从而真正掌握建立物理模型的方法。近年来高考试题中出现了很多利用原始物理问题的素材对学生的物理核心素养进行考察的题目，让学生通过平时的训练感知学习物理的乐趣，在乐趣中掌握知识，并也能在高考的中赢得信心取得好成绩。

四、结语

综上所述，原始的物理问题既蕴涵了普适物理规律的知识链，又承载了丰富的物理核心素养教育目标，也体现着“从生活走向物理，从物理走向社会”的物理课程理念。把原始的物理问题作为物理习题教学的一项补充，它是提升物理教学的重要切入点，能使物理教学从传统纯粹的知识传授模式中走出来，实现物理知识传授与物理核心素养提升相结合，真正地促进物理教育中核心素养目标的达成。