自組織表征理論下解決原始物理問題的策略

高柏林 侯中柱

摘? ?要：為了深入解決原始物理問題，教師們以北京師范大學(xué)邢紅軍教授提出的自組織表征理論為基礎(chǔ)，介紹了自組織表征理論的含義及實(shí)踐意義，以及以此為基礎(chǔ)解決原始物理問題的五條策略和研究方法，即演繹問題、物理建模、科學(xué)推理、知識建構(gòu)、應(yīng)用規(guī)律，以期給廣大物理教師以啟示。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理；自組織表征理論；原始物理問題；策略研究

中圖分類號：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2023）14-0058-07

原始物理問題（Primitive physics problem），又稱為現(xiàn)實(shí)問題，是物理學(xué)習(xí)的根基，是自然界及生活生產(chǎn)中客觀存在并且沒有被加工的物理現(xiàn)象及規(guī)律的真實(shí)描述，是最真實(shí)、最原始、且高度原生態(tài)性的物理問題。物理中的絕大多數(shù)問題都是在原始物理問題的基礎(chǔ)上通過融入一定的情境然后經(jīng)過改編、概括、抽象等形成的，是在一定程度上進(jìn)行抽象化形成的問題。學(xué)生在解答這些原始物理問題時(shí)無須復(fù)雜的科學(xué)思維，如概括、建模、推理、賦值等，只需要根據(jù)原始物理問題直接解答即可，所以無法感知原始物理問題背后隱藏的深?yuàn)W物理知識及演繹出的相關(guān)物理問題。為了既解決原始物理問題，又讓學(xué)生在解決原始物理問題的過程中學(xué)習(xí)到物理知識，實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維、物理方法的綜合應(yīng)用，需要教師發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

為了在解決原始物理問題的過程中實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維、物理方法地綜合應(yīng)用，本文以北京師范大學(xué)邢紅軍教授提出自組織表征理論為基礎(chǔ)，介紹了自組織表征理論的含義及實(shí)踐意義，以及以此為基礎(chǔ)解決原始物理問題的五條策略和研究方法，即1.結(jié)合生活素材，演繹常見問題，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；2.結(jié)合實(shí)際情境，建構(gòu)物理模型，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)建模能力；3.結(jié)合感知的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)科學(xué)推理，以助推學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展；4.結(jié)合認(rèn)知沖突，關(guān)注知識建構(gòu)，以提升學(xué)生科學(xué)分析問題的能力；5.結(jié)合生活實(shí)際，應(yīng)用物理規(guī)律，以培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行綜合實(shí)踐活動(dòng)的能力。

一、自組織表征理論的含義及實(shí)踐意義

自組織表征理論（Self-Organization Repre-sentative Theory），簡稱SORT，是解決原始物理問題的一種基本方法。其認(rèn)為問題的解決是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，問題表征貫穿從問題呈現(xiàn)到問題解決始終。這里的問題表征是答題者根據(jù)問題呈現(xiàn)的信息，結(jié)合自身已有的認(rèn)知水平、知識經(jīng)驗(yàn)等，發(fā)現(xiàn)問題結(jié)構(gòu)，構(gòu)建問題空間的過程，也是讓研究問題及研究問題的過程、方法呈現(xiàn)出來，使問題解決清晰化的過程。在此基礎(chǔ)上北師大邢紅軍教授提出了解決原始物理問題的自組織表征理論，其認(rèn)為解決原始物理問題應(yīng)包括以下七個(gè)表征層次，即定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征、數(shù)學(xué)表征。本文以北師大邢紅軍教授提出的解決原始物理問題的自組織表征理論為依據(jù)，將自組織表征理論融入到解決原始物理問題的始終，以期為廣大物理教師提供參考。

（一）自組織表征理論的含義

自組織表征理論解決的是原始物理問題而不是平時(shí)遇到的習(xí)題。筆者結(jié)合其理論意義，提出了自組織表征理論的表征層次，如表1所示。

從表1可以看出自組織表征理論的七個(gè)表征層次是分明的、清晰的，在解決原始物理問題的過程中這些表征不一定是依次出現(xiàn)的，有可能是來回往復(fù)出現(xiàn)的。其中最后三個(gè)表征“物理表征、方法表征、數(shù)學(xué)表征”是習(xí)題解答的過程，也是為學(xué)生提供正確答案的表征過程。由此可以看出，問題解決是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。

（二）自組織表征理論的實(shí)踐意義

自組織表征理論下的七個(gè)表征層次條理清晰、思路明朗，每一個(gè)表征層次都對應(yīng)一種思維形式，因此每一個(gè)表征層次在解決原始物理問題的效果上，既作用不相同，又存在緊密關(guān)系，這都依賴于問題解決是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。問題表征貫穿問題解決的全過程，因此自組織表征理論的實(shí)踐意義可以采用如圖1所示來表達(dá)，如此可解決學(xué)生在原始物理問題解答時(shí)所產(chǎn)生的疑惑、思維盲點(diǎn)及方法困惑等。

從圖1可以看出，自組織表征理論在解決原始物理問題的過程中離不開學(xué)生多種思維活動(dòng)的參與，其中“定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征”是問題表征的方法，“物理表征、方法表征、數(shù)學(xué)表征”是問題表征的解答。在解決原始物理問題的整個(gè)過程中，各表征層次的水平總體上大致相同。如在定向表征上應(yīng)會篩選出與物理方向有關(guān)的問題；在抽象表征上應(yīng)會根據(jù)物理方向上的問題抽象建構(gòu)適當(dāng)模型；在圖像表征上應(yīng)會畫出抽象建構(gòu)模型的解題圖形；在賦值表征上應(yīng)會對畫出的解題圖形設(shè)置適當(dāng)?shù)奈锢砹?；在物理表征上?yīng)會利用物理規(guī)律解答問題；在方法表征上是物理方法及思維模型的應(yīng)用；在數(shù)學(xué)表征上應(yīng)會將數(shù)學(xué)與物理有機(jī)結(jié)合在一起以解決原始物理問題?？傊谡麄€(gè)解決問題的過程中，問題表征是一條紐帶，貫穿整個(gè)解決問題過程的始終。

二、自組織表征理論下解決原始物理問題的策略

“策略”一詞在《辭?！分械慕忉尀闉榱巳〉媚骋怀晒扇〉姆椒?、途徑及手段，本文中自組織表征理論下解決原始物理問題的策略，是指在教學(xué)過程中運(yùn)用自組織表征理論解決原始物理問題的思想、方法和手段，是問題表征對其進(jìn)行思維加工而形成的方法模式，有利于學(xué)生形成解決原始物理問題的基本能力。為此，結(jié)合自組織表征理論，筆者提出了解決原始物理問題的教學(xué)策略。

（一）結(jié)合生活素材，演繹常見問題，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

物理中絕大多數(shù)原始物理問題都與生活實(shí)際有著千絲萬縷的聯(lián)系。因此，教師在解決原始物理問題的過程中，應(yīng)結(jié)合生活實(shí)際素材，在真實(shí)的物理情境下，建構(gòu)與生活素材有關(guān)的物理問題，如此可培養(yǎng)學(xué)生解決原始物理問題的能力，并調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的積極性。

案例1：曹沖稱象可謂是人人皆知的故事，如圖2所示，由此設(shè)置的物理問題也是較多的，最常見的是與浮力有關(guān)的問題，即假如當(dāng)時(shí)的曹沖將船上的石頭全部扔進(jìn)水中，此時(shí)的水面會下降，然后利用定向表征將這種現(xiàn)象還原成原始物理問題，就與漂浮在水面上含有小石塊的冰塊，當(dāng)冰塊全部熔化后水面會下降是一樣的。依據(jù)抽象表征，利用小石塊在水中的漂浮與下沉兩種浮沉條件可以建構(gòu)測量小石塊的密度模型，其所需的器材：水盆、小碗、量筒、足夠的水（密度為ρ水）、記號筆，如圖3所示，測量小石塊的密度具體方法如下：1.如圖甲，將小石塊放在小碗中，然后將小碗放在盛水的水盆內(nèi)，并用記號筆在小碗外畫出水面的位置；2.如圖乙，在量筒中倒入適量水，并記下水的體積為v1；3.如圖丙，將小碗中的小石塊取出放入量筒中，記下此時(shí)小石塊與水的體積為v2；4.如圖丁，將量筒（圖丙）中的水慢慢倒入漂浮在水盆中的空小碗中，直至水面達(dá)到標(biāo)記處，記下量筒中剩余水的體積為v3.

這里的關(guān)鍵是運(yùn)用物體的浮沉條件建構(gòu)測量小石塊密度的基本模型。即將自組織表征理論下的七個(gè)表征層次融入測量小石塊的密度之中。

這里運(yùn)用了等效替代法的基本思想，即小石塊漂浮在水面（小碗）上與在小碗內(nèi)加水至標(biāo)記處，兩者受到的浮力是相等的，然后對此物理問題賦上一定的物理量與數(shù)值，并運(yùn)用物體的浮沉條件及數(shù)學(xué)知識就可得出小石塊的密度。本問題中小石塊的重力為，G石塊=F浮=ρ水gv排=ρ水g（v2-v3），即m石塊=ρ水（v2-v3），小石塊的體積為v石塊=v2-v1，小石塊的密度為ρ石塊=■=■·ρ水.

從實(shí)際生活素材中提煉原始物理問題，并針對原始物理問題建立一定的物理原型，然后在自組織表征理論的指導(dǎo)下解決原始物理問題。如此有助于實(shí)現(xiàn)原始物理問題的深度解答，并調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（二）結(jié)合實(shí)際情境，建構(gòu)物理模型，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)建模能力

從原始物理問題中篩選出與物理知識相關(guān)的問題，然后圖像建構(gòu)物理模型是解決原始物理問題的基本途徑之一。這里的物理模型是指通過簡化、類比、抽象、理想化等方法對物理過程或物理對象進(jìn)行分析，忽略次要因素，抓住主要因素，從而將客觀事物的本質(zhì)特征凸顯出來以構(gòu)成概念、規(guī)律等，進(jìn)而形成的物理模型。在物理教學(xué)中，對于一些復(fù)雜且不易被感知的知識點(diǎn)，教師可以通過某些具有啟發(fā)、引導(dǎo)、再現(xiàn)等特點(diǎn)的途徑構(gòu)建物理模型，由此可幫助學(xué)生深入理解這些知識點(diǎn)。如在研究磁場有哪些性質(zhì)時(shí)，教師可引入磁感線來描述磁場的分布情況，這就是模型法；還有為了研究光而引入光線等，這些都是模型法在解決原始物理問題中的應(yīng)用。

案例2：蹦極（又名機(jī)索跳）是一項(xiàng)非常刺激又冒險(xiǎn)的戶外活動(dòng)，運(yùn)動(dòng)員往往是站在40m高的塔頂上參加該項(xiàng)活動(dòng)，這是一個(gè)典型的原始物理問題，涉及物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識，因此可以通過自組織表征理論來研究其中的原始物理問題。具體過程是：首先將蹦極的整個(gè)過程簡化為圖甲，即運(yùn)動(dòng)員從塔頂O點(diǎn)開始下落，下落到A點(diǎn)時(shí)彈性繩自然伸直，到B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)員所受的彈力恰好等于重力，C點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)員第一次下落到的最低點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)員在整個(gè)蹦極過程中所受彈性繩的彈力F大小隨時(shí)間t的變化情況如圖乙所示（為了在初中物理范圍內(nèi)研究蹦極過程，教師通過理想化模型將整個(gè)蹦極過程視為一直在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)）。分析圖乙與圖丙，經(jīng)總結(jié)概括可將整個(gè)蹦極過程中彈性繩彈力F大小隨時(shí)間t的變化情況視為彈簧模型，具體分析過程如表2所示：

從對彈簧模型的分析可知，整個(gè)過程中是重力勢能、彈性勢能、動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)化，最終重力勢能將全部轉(zhuǎn)化為彈性繩的彈性勢能，這時(shí)運(yùn)動(dòng)員靜止于B點(diǎn)處。過程細(xì)節(jié)分析：運(yùn)動(dòng)員在B點(diǎn)時(shí)G=F，結(jié)合圖像乙可知，運(yùn)動(dòng)員經(jīng)過整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程并最終靜止在B點(diǎn)（彈力F大小保持不變）時(shí)的彈力F=0.6F0，即G=0.6F0；t0時(shí)刻運(yùn)動(dòng)員的彈性勢能最大，動(dòng)能為0.

在實(shí)際情境中，有些物理問題、現(xiàn)象、過程復(fù)雜且抽象，這時(shí)可以通過建構(gòu)與此相關(guān)的物理模型，來簡化并解決該問題。如整個(gè)蹦極過程比較復(fù)雜，對此，教師可以通過建構(gòu)彈簧模型來幫助學(xué)生分析該過程，如此就可以使原始物理問題變得形象、直觀，然后在此基礎(chǔ)之上激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維，就可達(dá)到解決原始物理問題，甚至解決一類問題的目的。

（三）結(jié)合感知的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)科學(xué)推理，以助推學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展

人們所感知的生活現(xiàn)象是原始物理問題素材的來源與途徑之一。在物理教學(xué)中，教師不僅要關(guān)注科學(xué)探究過程以得出物理規(guī)律，還要注重探究過程中學(xué)生推理能力的培養(yǎng)，如此既可以提高學(xué)生對科學(xué)探究的興趣，促使科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度以及科學(xué)精神等在解決原始物理問題的過程中得到有效落實(shí)，又可以助推學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展。

教師可根據(jù)生活中能直接感知的物理現(xiàn)象，通過科學(xué)推理得出無法直接感知的物理事實(shí)，這種科學(xué)推理是物理教學(xué)中常見的一種科學(xué)思維。如圖5所列舉的幾個(gè)常見的物理事例，都是結(jié)合物理研究方法，應(yīng)科學(xué)推理從最常見的感知現(xiàn)象中提煉出的物理概念、規(guī)律等，這種原始物理問題的解決是以自組織表征理論為基礎(chǔ)，以科學(xué)思維發(fā)展為根本目的的解決原始物理問題的教學(xué)模式之一。

案例3：如在講授“阻力對運(yùn)動(dòng)物體的影響”時(shí)，從圖6中小明和小華對物理現(xiàn)象描述的基本對話中可篩選出與物理相關(guān)的知識。學(xué)生之前產(chǎn)生的錯(cuò)誤認(rèn)知，即物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持，可以通過實(shí)驗(yàn)來駁斥和解決。即教師在課堂上出示事先準(zhǔn)備好的器材：斜面、小車、長毛巾等，如圖7所示，將長毛巾平鋪在水平面的木板上，然后讓小車從斜面頂端靜止滑下，由此可觀察到小車在水平長毛巾上滑行一定距離后靜止，然后將長毛巾去掉，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可觀察到小車在水平木板上的滑行距離變長，這時(shí)如果進(jìn)一步減小小車在水平木板上的阻力就會發(fā)現(xiàn)小車的滑行距離將變得更長，然后進(jìn)一步推理可知，如果水平面絕對光滑（即理想情況下），小車在水平面上則不受阻力，這時(shí)小車在水平面上將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去（做勻速直線運(yùn)動(dòng)），以上通過科學(xué)推理反駁了物體的運(yùn)動(dòng)需要力來維持這個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)。

（四）結(jié)合認(rèn)知沖突，關(guān)注知識建構(gòu)，以提升學(xué)生科學(xué)分析問題的能力

自組織表征理論下，結(jié)合認(rèn)知沖突是解決原始物理問題的一種有效方法。在此過程中教師可以充分利用知識建構(gòu)來提升學(xué)生科學(xué)分析問題的能力。如在杠桿學(xué)習(xí)中撬圖釘是一個(gè)原始物理問題，利用這個(gè)模型可以巧妙引入杠桿五要素，其中力臂的概念是杠桿五要素中最抽象、最不易理解的概念。

案例4：綜合各大版本的教材筆者發(fā)現(xiàn)，力臂概念的引入往往是通過教師的直接講解，或通過數(shù)學(xué)上作垂直圖等來實(shí)現(xiàn)。如圖8所示，這是對原始物理問題的數(shù)學(xué)化，但其無法使學(xué)生深入理解力臂的概念。為此，教師可以利用力的三要素與二力平衡等知識來引入力臂的概念，即以二力平衡的條件與杠桿平衡時(shí)產(chǎn)生的認(rèn)知沖突為起點(diǎn)，激起學(xué)生在建構(gòu)力臂概念時(shí)的認(rèn)知沖突，如此可使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識力臂及杠桿五要素。

實(shí)驗(yàn)原理：學(xué)生自主參與活動(dòng)，利用力的三要素、二力平衡的知識與杠桿平衡的知識產(chǎn)生認(rèn)知沖突。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：幾只鉛筆、教科書多本。

實(shí)驗(yàn)過程：學(xué)生在教師的指引下利用實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)的學(xué)習(xí)工具，按照如圖9所示的方式進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。即將兩只鉛筆十字交叉疊放在一起，然后用自己的一只手指輕輕按壓一只鉛筆的一端，如此就可將多本教科書輕輕抬起，并保持靜止?fàn)顟B(tài)，然后將手指按壓的一根鉛筆當(dāng)杠桿，其中交叉點(diǎn)為支點(diǎn)O.

力臂概念的建構(gòu)：談力需要涉及力的三要素，即力的大小、方向、作用點(diǎn)。對杠桿的受力分析也需要分析力的三要素以及二力平衡的條件，二力平衡的條件即作用在同一物體上的二個(gè)力，力的大小相等、方向相反、作用于同一條直線上。此時(shí)的杠桿（鉛筆）處于靜止?fàn)顟B(tài)，即保持平衡，手指對鉛筆的力的方向向下，教科書對鉛筆的力的方向也向下，且兩個(gè)力既不在同一個(gè)方向上又不在同一條直線上，那么，鉛筆為什么能夠保持平衡呢？

“鉛筆為什么能夠保持平衡”激起了學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與新概念產(chǎn)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間的矛盾，即產(chǎn)生了認(rèn)知沖突——難道之前學(xué)習(xí)的力的三要素、二力平衡等知識存在錯(cuò)誤的地方？這是不可能的。如此就可以水到渠成地引入力臂L的概念，原來在杠桿平衡的條件中，還存在另外一個(gè)與杠桿有關(guān)的因素，即力臂，其也能決定杠桿平衡。然后教師再通過剛才鉛筆抬起教科書的探究實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生介紹杠桿中動(dòng)力F1、阻力F2、動(dòng)力臂l1、阻力臂l2、支點(diǎn)O，由此引出杠桿五要素可以說是完美無瑕的。

學(xué)生往往對通過認(rèn)知沖突解決的原始物理問題印象很深。這是因?yàn)槠洳粌H解決了當(dāng)下的原始物理問題，還聯(lián)系了與此相關(guān)的其他問題，可謂是一舉多得，同時(shí)還可提升學(xué)生科學(xué)分析問題的能力。

（五）結(jié)合生活實(shí)際，應(yīng)用物理規(guī)律，以培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行綜合實(shí)踐活動(dòng)的能力

原始物理問題中有部分是生活實(shí)際問題，即將物理規(guī)律融入生活實(shí)際，體現(xiàn)了物理規(guī)律在生活中的基本應(yīng)用。學(xué)習(xí)物理的根本目的就是應(yīng)用物理規(guī)律解決實(shí)際問題，特別是最基本的原始物理問題，其既可以培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，又可以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

案例5：桿秤是生活中常見的測量質(zhì)量的基本工具之一，實(shí)際上桿秤不僅可以測量質(zhì)量，還可以測量液體的密度，為此，某中學(xué)八年級（8）班同學(xué)在綜合實(shí)踐活動(dòng)中自制了能夠測量液體密度的桿秤密度計(jì)，這樣可以從桿秤上的刻度直接讀出液體密度的大小，設(shè)計(jì)如圖10所示。

器材：輕質(zhì)杠桿（自身重力忽略不計(jì)）、100mL空桶、秤砣mA、刻度尺、細(xì)線。

設(shè)計(jì)過程如下：

1.先確定密度為零的刻度位置，方法是在O點(diǎn)將桿秤懸掛起來，在B點(diǎn)懸掛空桶，改變秤砣mA的位置到C點(diǎn)時(shí)杠桿水平平衡，這時(shí)用刻度尺測量BO的距離為l，CO的距離為l0，則C點(diǎn)即為液體密度為0時(shí)的位置。（根據(jù)杠桿平衡條件得出mBg·l=mAg·l0）

2.這時(shí)可以在B點(diǎn)的空桶內(nèi)（容積V）注滿液體（或一定標(biāo)記處），然后改變秤砣mA的位置到C1點(diǎn)時(shí)杠桿水平平衡，這時(shí)用刻度尺測量C1O的距離為l1，此時(shí)可以從桿秤上的C1點(diǎn)直接讀出液體密度的大小，具體刻畫密度值大小的方法如下：

在解決原始物理問題的過程中往往需要將物理規(guī)律與生活實(shí)際相結(jié)合，因此要注重物理規(guī)律在解決生活實(shí)際中原始物理問題過程中的應(yīng)用。如此既可以讓學(xué)生感知到原始物理問題與物理規(guī)律之間的緊密聯(lián)系，又可以培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行綜合實(shí)踐活動(dòng)的能力。

自組織表征理論下解決原始物理問題的關(guān)鍵是將原始物理問題物理化，物理問題問題化。如此可使學(xué)生明白解決原始物理問題不僅僅是解決問題本身，更重要的是以原始物理問題為起點(diǎn)，解決問題背后隱藏的更深層次的物理知識，然后再將物理知識應(yīng)用到物理學(xué)習(xí)當(dāng)中去，這就是從問題中來，再回到問題中去，即自組織表征理論下解決原始物理問題的本質(zhì)所在，如此可提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。