论原始物理问题的教育价值及其启示(1)(2)

四、原始物理问题的教育价值

在物理教育中运用原始物理问题进行教学，具有以下教育价值。

（一）契合学生的直接经验和间接经验

现代教学论认为，教学过程中必须处理好学生获取直接经验与获取间接经验的关系，防止出现忽视系统知识传授或忽视直接经验积累的倾向。而在传统的物理教学过程中，往往只强调了图1中所示的虚线部分，这的确促进了学生间接经验的积累，但却略去了由实际问题到抽象问题的过程，而该过程对于学生直接经验的获取，恰恰是至关重要的。因为原始物理问题与物理习题的最大区别在于：原始物理问题的呈现形式是对物理情景的描述，没有物理习题中常常有的已知量、未知量，需要学生自己去抽象，自己去设置。因此，从本质上说，物理习题教学是学生运用间接经验知识解决间接经验问题，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。

比如，在有日光灯的房间里开、关电风扇时，其扇叶看起来有时是静止的，有时是正向转动或反向转动的。如何来解释这一现象？

原来，由于日光灯是一个频闪光源，当其通以频率为50赫兹的交流电时，每秒亮100次，暗100次。对于普通的三扇叶电扇，在光亮的瞬间我们看到扇叶位于某一位置，等到下次光再亮时，如果扇叶恰好转过120°或其整数倍，由于三片扇叶的外观一样，则我们看到的位置也就和上次光亮时一样，所以看起来扇叶静止。如果在两次连续光亮的时间内扇叶所转过的角度比120°稍小或稍大，就会看到扇叶反向或顺向转动。显然，这样的原始物理问题就较好地体现了契合学生的直接经验和间接经验的作用。

（二）促进科学方法教育

近年来物理教育发展的一个重要取向是，强调科学方法在学生学习物理中的作用。比如，物理课程标准就把“过程与方法”作为课程的目标之一，使其和“知识与技能”、“情感、态度与价值观”并列，^[13]这进一步体现了人们的物理教育理念有了新的发展。

科学方法与科学知识在本质上是统一的。但严格说来，两者又有不同的特点。科学方法与科学知识不同，它所涉及的不是物质世界本身，而是人类认识物质世界的途径与方式，是高度抽象的。科学方法也不直接由学科的知识内容来表达，而是有它自己独特的表达方式，它往往隐藏在知识的背后，支配着知识的获取和应用。正是因为科学方法的这些特点，使得科学方法既不易学习，又不易掌握。而原始物理问题则恰好为科学方法教育搭建了一个理想的“平台”。由于原始物理问题贴近现实生活，客观而真实地反映了我们这个日新月异的时代，因此，在原始物理问题教学中，学生就可以在教师的指导下，首先运用分析、综合、抽象、概括等科学方法将原始物理问题转化为物理习题，然后再运用假设、类比、等效模型、近似等科学方法去进一步解决问题。比如，高中物理教材“共振”一节有这样一段论述：“轮船航行时，如果所受波浪冲击力的频率接近轮船摇摆的固有频率，可能使轮船倾覆。这时可以改变轮船的航向和速度，以使波浪冲击力的频率远离轮船摇摆的固有频率。”^[14]事实上，现实生活中就有这样的原始物理问题。

《中国青年报》1990年12月25日报道了我国前往南极的科学考察船“极地号”上发来的专电──“极地号启动减摇装置慢速航行”。报道称：“随着西风带的离去，船体摆动愈发剧烈，船体横摇已达15°，最高达27°……为了减小船体摇动，船上已采取了新的减摇措施，为此航速已减至10节。”

怎样来解决这样一个原始物理问题？按照由特殊到一般的认识规律，先来看两种特殊情况。（a）船的速度方向和波浪传播的方向在同一直线上；（b）船的速度方向和波浪传播的方向垂直。

（a）设船的速度为u，波浪的速度为v，则波浪相对船的速度v′=v-u，式中u正方向与v相同。波长相对运动着的船不变，故λ′=λ，波浪相对船的频率

（b）此时波浪相对船的速度v′=v,波速是波的传播速度，在垂直其传播方向上观察，观察者的运动不影响结果，故λ′=λ，波浪相对船的频率

任意方向的速度总可以分解成a和b两种情况，由此可以得到一般结果。当船以速度u与波浪传播方向成θ角航行时，轮船受到波浪冲击力的频率为

轮船在海里航行时，要尽量避免f′与轮船摇摆的固有频率接近，以免发生共振。而后者一般是确定的，因此，人们往往通过改变轮船的航向和速度以达到使两者远离的目的。

研究一下上述原始物理问题的解决过程，我们不难发现其中运用了物理模型的方法。而在物理模型建立中，又使用了归纳推理的科学方法。所以，通过对原始物理问题的不断了解、积累和熟悉，就能使学生形成一种借助于科学方法获取科学知识的心理定势。这样，学生就能够以快捷的速度去获取知识，进而通过在头脑中形成认知结构，深刻地领会和掌握知识，牢固地记住知识。还可以使学生产生一种对问题的敏感性，并能够用科学方法迅速地抓住问题的要害，找出解决问题的途径。

（三）培养学生的创造性思维

传统的物理习题教学，往往与物理现象相脱离，使学生处在模型和模块的包围之中，满脑子的小球、轻杆、木块、斜面……，却往往不问其生活源头，感受不到物理现象真实与鲜活的一面，久而久之便桎梏了创造性思维的发展。

而原始物理问题由于具有生态性和开放性等特点，就决定了原始物理问题的解决过程必然是探索和创造的过程。面对一个信息庞杂、客观真实的原始物理问题，学生找不到可以拿来仿效的原型，也没有既成的经验可以作为指导，只能通过独立思考，不断尝试，对问题进行探索。当学生远离他们熟悉的物理习题后，他们的思维将脱离线性的平衡状态而进入非线性的耗散结构状态。

例如，当学生学习了牛顿第三定律和动量定理之后，可以给学生提出这样一个原始物理问题。日常生活中打鸡蛋时，如果左手握住一只鸡蛋不动，右手拿一只鸡蛋去撞它（两只鸡蛋都是一样的坚硬，并且是用同一部分互相碰撞），哪一只鸡蛋更容易被撞破？是被撞的那一只呢，还是去撞的那一只？或者两只被撞破的几率相同？这是一个看似简单其实并不容易解释的问题，因而能够很好地训练学生的创造性思维。

研究撞蛋问题很有现实意义。因为在交通事故中人脑的损伤状态与那只“运动着的蛋”颇为相似。若将人的头颅比做鸡蛋，则颅骨就像蛋壳，脑浆就像蛋清，脑髓就像蛋黄。一旦头部受到强烈撞击，脑髓就要撞击颅骨内侧，因此很容易引起脑震荡或脑血肿；即使颅骨不破裂，脑髓也会受到损伤。

根据“耗散结构”理论，非平衡是有序之源。我们的思维之所以不断深化，是因为在大脑的认知过程中，原来图式结构的平衡状态被外来的刺激所打破，发生了“同化”或更深刻的“顺应”作用，使原来的图式得到充实或改革，达到新的水平和新的平衡。物理习题和原始物理问题的区别就在于，前者很难打破学生思维中的平衡状态，而后者则刺激学生的思维，使之远离平衡状态，从而达到培养学生创造性思维的目的。

（四）推进物理高考的改革

我们目前的物理高考，采用的仍然是物理习题考查方式。对于这种考查方式，物理高考命题委员会认为，由于高考的规模、形式及社会、经济等等因素的影响，目前的高考无法有效地考查学生所应具备的全部能力，其中有些对测定和评价学生的基本素质和未来发展潜质是相当重要的。^[6](90)为了了解学生在这些方面的能力水平，物理高考命题委员会曾于20世纪90年代，在重庆市和山东省的16所生源较好的中学进行过物理高考科研知识与能力水平测试。这些测试包括用文字对物理问题进行论证和解释等形式。结果，考试的得分率很低（平均只有0.29），且测试结果与平时成绩的相关几乎为零（-0.06）。由于平时成绩与高考是密切相关的，这也在一定程度上说明，目前的高考确实没有将学生在这些方面的能力更有效地考查出来。^[6](91)

物理高考命题委员会认为：“测试的这一结果恰好揭露了高考命题中的一个矛盾。如果希望将学生的真正能力水平考出来，达到较好地区分学生的目的，应该多用一些考核能力很有效的题目。但用这样的题目考试的结果，会使平均成绩下降。这会对中学物理教学的现状造成冲击。影响如何，值得研究。”^[6](92)这反映了物理高考命题委员会投鼠忌器的两难心理。

我们认为，物理高考改革的方向就是要逐渐用原始物理问题来取代物理习题对学生进行考查。这不仅能将学生的真正能力水平考查出来，从而区分不同能力水平的学生，而且真正能发挥高考对中学物理教学的引导作用。

这是因为，物理概念和规律只有在原始物理问题中才有生命力，才能显示出其内涵、色彩、格调，才能显示出其内在的理由、作用和功能，学生学习过的物理概念和规律才能真正活起来，这样才能提高学生学习的效率。通过一定数量的原始物理问题训练，当学生在解决实际物理问题时，各种各样解决问题的策略就能够迅速地检索而无需搜肠刮肚地对照做过的题型，才有可能在处理前一个步骤时就能在大脑中预感下一个步骤，根本无需暗暗回忆各种题型再思量其意义。即使学生在进行创造性活动时，也能凭直觉而非经验去探索正确的解决途径。所以，在这个意义上，我们认为原始物理问题教学不仅能使学生学到物理知识、技能和科学方法，而且也能很好地培养学生的能力。

五、启示

我国的现代物理教育大部分是早年从西方直接或间接引进的。在西方，物理教育与物理现象的融合早已成为其优良的教育传统。对于我国物理教育的发展而言，采用跨文化的方式去深入了解西方物理教育发展的思路、特点与研究方法，不仅可以为我国物理教育改革提供借鉴、吸取宝贵经验，而且可以激励物理教育领域出现新颖的教育思想，有利于制定符合现代和未来中国社会发展要求的、行之有效的物理教育改革方案。原始物理问题的教育思想正是在这一背景下提出的。有理由相信，物理教育中只有物理习题而缺乏原始物理问题的状况，不久应该结束了。

参考文献：

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