高中原始物理問題教學(xué)應(yīng)用研究

摘 要：本文立足于原始物理問題的定義、編制原則和自組織表征理論，對一道高考題進(jìn)行研究。通過回歸物理現(xiàn)象和還原習(xí)題來編制契合高中生認(rèn)知水平的原始物理問題，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的原始物理問題解決過程，從而提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，發(fā)展學(xué)生的物理關(guān)鍵能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：原始物理問題；核心素養(yǎng)；物理關(guān)鍵能力；乒乓球運(yùn)動(dòng)

原始物理問題是指自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在的、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(shí)。［1］對于原始物理問題的解決，自組織表征理論（Self Organization Representative Theory，簡稱SORT）將其劃分為六個(gè)表征層次，具體為抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征和數(shù)學(xué)表征。［2］

本文立足于原始物理問題的定義、編制原則和自組織表征理論，以一道高考題中的乒乓球發(fā)球問題作為研究起點(diǎn)，挖掘乒乓球發(fā)球問題背后的物理現(xiàn)象，進(jìn)而編制原始物理問題，對其進(jìn)行教學(xué)分析，下文是具體的操作實(shí)例與教學(xué)研究探索。

1 乒乓球發(fā)球物理習(xí)題的解答分析

2015年高考全國新課標(biāo)理科綜合Ⅰ卷有這樣一道題目。

一帶有乒乓球發(fā)射機(jī)的乒乓球臺(tái)如圖1所示。水平臺(tái)面的長和寬分別為L1和L2，中間球網(wǎng)高度為h。發(fā)射機(jī)安裝于臺(tái)面左側(cè)邊緣的中點(diǎn)，能以不同速率向右側(cè)不同方向水平發(fā)射乒乓球，發(fā)射點(diǎn)距臺(tái)面高度為3h。不計(jì)空氣的作用，重力加速度大小為g。若乒乓球的發(fā)射速率v在某范圍內(nèi)，通過選擇合適的方向，就能使乒乓球落到球網(wǎng)右側(cè)臺(tái)面上，求v的最大取值范圍。

習(xí)題診斷分析：對于該題的解答，需要分別分析

乒乓球的最小速率與最大速率，進(jìn)而應(yīng)用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律來解答。本題與真實(shí)乒乓球運(yùn)動(dòng)場景相聯(lián)系，并給予相關(guān)數(shù)據(jù)與圖像作為解題的支撐，很好地考查了學(xué)生關(guān)于平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及臨界狀態(tài)的相關(guān)知識(shí)。解答本題要求學(xué)生能夠在題目圖像的基礎(chǔ)上，找出兩種臨界狀態(tài)，即分別分析最小發(fā)球速率與最大發(fā)球速率。最小發(fā)球速率對應(yīng)的是乒乓球恰好過網(wǎng)，最大發(fā)球速率對應(yīng)的是乒乓球剛好落在球臺(tái)角落處。

深入分析發(fā)現(xiàn)，題目提供了相應(yīng)的“數(shù)據(jù)”與“圖像”，且指明了解題方向，即“選擇合適的方向，就能使乒乓球落到球網(wǎng)右側(cè)臺(tái)面上”，從多方面給學(xué)生提供了解題的“輔助”，屬于一道典型的物理習(xí)題。物理習(xí)題的解答缺少了外部表征的解答過程，會(huì)造成學(xué)生遇到實(shí)際物理問題時(shí)束手無策。這是因?yàn)閷?shí)際物理問題并不包含物理量、數(shù)學(xué)符號(hào)、圖像等信息，所以學(xué)生只進(jìn)行物理習(xí)題訓(xùn)練是難以有效培養(yǎng)其物理關(guān)鍵能力的。為了解決習(xí)題在這方面的欠缺，同時(shí)更好地發(fā)揮物理素材的教學(xué)作用，我們嘗試將該習(xí)題改編為原始物理問題。

2 乒乓球發(fā)球原始物理問題的解決分析

原始物理問題的來源包括直接經(jīng)驗(yàn)提取、間接經(jīng)驗(yàn)提取、習(xí)題還原、物理實(shí)驗(yàn)挖掘。［3］為了能更好地培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力與關(guān)鍵能力，在該習(xí)題的基礎(chǔ)上做改編和還原，編制出對應(yīng)的原始物理問題，所改編的原子物理問題如下。

發(fā)球是練習(xí)乒乓球運(yùn)動(dòng)的第一步。乒乓球運(yùn)動(dòng)最基本的發(fā)球規(guī)則是使球首先觸及本方臺(tái)區(qū)，然后越過球網(wǎng)裝置，再觸及接發(fā)球員的臺(tái)區(qū)。請推導(dǎo)在發(fā)球高度高于球網(wǎng)時(shí)，乒乓球的最小發(fā)球速率。

通過對比原始物理問題與改編前的習(xí)題，可以發(fā)現(xiàn)習(xí)題與原始物理問題雖然都是從物理現(xiàn)象出發(fā)，但是原始物理問題與物理現(xiàn)象更為“接近”。對于“接近”，我們可以從兩個(gè)層面進(jìn)行理解：第一層，原始物理問題沒有對物理現(xiàn)象進(jìn)行抽象；第二層，原始物理問題去掉了“數(shù)據(jù)”與“圖像”這兩個(gè)支架。由此，學(xué)生進(jìn)行原始物理問題解決，需要進(jìn)行抽象、思考以及建構(gòu)，這可以拉近學(xué)生與物理現(xiàn)象之間的距離，使得學(xué)生解決問題的能力也更“接近”解決實(shí)際問題的能力，發(fā)揮出習(xí)題所不具有的作用。下面，我們依據(jù)原始物理問題解決的六個(gè)表征層次對該問題進(jìn)行解決分析。

2.1 抽象表征

抽象表征是抓住問題的主要因素，忽略次要因素，把原型轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ偷倪^程。在“乒乓球發(fā)球”原型中，空氣阻力、乒乓球的旋轉(zhuǎn)以及碰撞能量損失會(huì)對乒乓球的運(yùn)動(dòng)造成影響，需要進(jìn)行理想化處理；分析“乒乓球發(fā)球”的過程，需要將其抽象為平拋運(yùn)動(dòng)與斜拋運(yùn)動(dòng)。因此，該問題的抽象表征分為以下四個(gè)方面：①忽略空氣阻力；②忽略乒乓球的旋轉(zhuǎn)，將其看成質(zhì)點(diǎn)；③將乒乓球與球桌間的碰撞視為彈性碰撞，碰撞后乒乓球無動(dòng)能損失；④把乒乓球發(fā)球問題抽象成平拋運(yùn)動(dòng)問題、斜拋運(yùn)動(dòng)問題。

2.2 圖像表征

圖像表征是把抽象表征后的文字表述轉(zhuǎn)化為圖像表述的過程，即畫出解決問題的草圖。首先，需要畫出乒乓球與乒乓球臺(tái)的模型圖，明確二者位置關(guān)系；其次，由抽象表征可知，乒乓球發(fā)球過程涉及平拋運(yùn)動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)，結(jié)合乒乓球恰好過球網(wǎng)的臨界條件，根據(jù)對稱性畫出乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)要注意乒乓球的發(fā)球高度高于球網(wǎng)。最終得出的圖像表征如圖2所示。

2.3 賦值表征

賦值表征是指在抽象表征與圖像表征的基礎(chǔ)上，設(shè)置解決問題所需的物理量。本問題需要設(shè)置的物理量包括：①設(shè)乒乓球臺(tái)長度為2L；②設(shè)球網(wǎng)高度為h；③設(shè)乒乓球的發(fā)球高度為H；④設(shè)乒乓球的發(fā)球速度為v；⑤設(shè)乒乓球第一次落在球臺(tái)時(shí)的水平位移為x1；⑥乒乓球經(jīng)球臺(tái)反彈后到達(dá)最高點(diǎn)，隨后從最高點(diǎn)開始下落，直到恰好過網(wǎng)，設(shè)從最高點(diǎn)下落到恰好過網(wǎng)的水平位移為x2。

2.4 物理表征

物理表征是指明確解決問題所使用的物理概念與物理規(guī)律。分析乒乓球的發(fā)球運(yùn)動(dòng)需要用到的物理概念與規(guī)律，包括：①平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律（水平位移x＝vt，豎直位移y＝12gt2）；②斜拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律；③彈性碰撞（碰撞前后乒乓球動(dòng)能不變）。

2.5 方法表征

方法表征是指明確解決問題所使用的科學(xué)方法。通過對上述表征的分析，研究該原始物理問題需要用到的科學(xué)方法包括理想化方法、分析法、分解法。理想化方法體現(xiàn)在忽略空氣阻力、乒乓球的旋轉(zhuǎn)、能量損失等；分析法體現(xiàn)在需要正確分析出乒乓球的運(yùn)動(dòng)為平拋運(yùn)動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)；分解法體現(xiàn)在將運(yùn)動(dòng)分解為水平方向和豎直方向上的運(yùn)動(dòng)。

2.6 數(shù)學(xué)表征

數(shù)學(xué)表征是指在問題解決中進(jìn)行推導(dǎo)時(shí)所運(yùn)用的數(shù)學(xué)步驟。對于本問題，需要進(jìn)行的數(shù)學(xué)表征分為以下步驟。

步驟一，求平拋運(yùn)動(dòng)過程中乒乓球的豎直位移為

H＝12gt21。

步驟二，求平拋運(yùn)動(dòng)過程中乒乓球的水平位移為

x1＝vt1＝v2Hg。

步驟三，乒乓球落到球臺(tái)上，由彈性碰撞特點(diǎn)，可知反彈后乒乓球速度大小不變。根據(jù)斜拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，乒乓球反彈后上升到最高點(diǎn)時(shí)，水平位移大小也為x1。

步驟四，乒乓球經(jīng)球臺(tái)反彈到達(dá)最高點(diǎn)后，恰好下落到球網(wǎng)處時(shí)，求豎直位移為

H-h＝12gt22。

步驟五，上述步驟四對應(yīng)的水平位移為

x2＝vt2＝v2H-2hg。

步驟六，求得乒乓球到達(dá)球網(wǎng)時(shí)總水平位移為

L＝2x1＋x2＝2v2Hg＋v2H-2hg。

步驟七，根據(jù)以上公式可得所求速度為

v＝2L2gH-L2gH-2gh6H＋2h。

通過對上述六個(gè)表征層次的解答與分析，學(xué)生可以清晰明確地得出乒乓球的最小發(fā)球速度。與習(xí)題相比，通過解決“乒乓球發(fā)球”原始物理問題，讓學(xué)生既經(jīng)歷了習(xí)題解答具有的三個(gè)內(nèi)部表征（物理表征、方法表征、數(shù)學(xué)表征），還經(jīng)歷了習(xí)題解答不具有的三個(gè)外部表征（抽象表征、圖像表征、賦值表征），如圖3所示，從而能夠從根本上全面提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，發(fā)展學(xué)生的物理關(guān)鍵能力。

綜上，借助“乒乓球發(fā)球”原始物理問題的分析，能夠讓學(xué)生頭腦充分開放，且原始物理問題具有生態(tài)性和開放性等特點(diǎn)，決定了其解決過程是探索和發(fā)現(xiàn)的過程。在解決問題過程中，需要讓學(xué)生獨(dú)立思考，不斷嘗試，這有利于促進(jìn)其物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究核心素養(yǎng)的發(fā)展。同時(shí)結(jié)合“乒乓球精神”中“不斷鉆研、不斷創(chuàng)新，勝不驕、敗不餒”的精神，進(jìn)而由“乒乓球精神”引申到“科學(xué)精神”，推動(dòng)學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

3 研究啟示

3.1 從課程標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，落實(shí)物理教學(xué)理念

培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力作為《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）的基本理念之一，應(yīng)該在教學(xué)中體現(xiàn)并且加以重視。［4］為落實(shí)這一理念，本文從一道高考題出發(fā)，通過分析習(xí)題的教學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)習(xí)題雖然有相應(yīng)的價(jià)值與作用，但其情境是人為設(shè)置的且條件控制嚴(yán)格，存在著缺乏生態(tài)性的缺陷，使物理教育情境的真實(shí)性受到破壞。［5］由此，習(xí)題教學(xué)并沒有給學(xué)生提供真實(shí)的問題情境，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

與物理習(xí)題不同的是，原始物理問題是一種現(xiàn)象，而不是抽象的問題，原始物理問題將真實(shí)物理現(xiàn)象中的“數(shù)據(jù)”或“條件”隱藏起來，需要學(xué)生通過假設(shè)、抽象等方法自行定義。［6］在這個(gè)意義上，原始物理問題實(shí)現(xiàn)了與物理現(xiàn)象相聯(lián)系，其解決過程是從物理現(xiàn)象出發(fā)直至得出結(jié)論，是一個(gè)完整的思維訓(xùn)練過程，從而能夠真正提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

3.2 深入挖掘教學(xué)素材，全方位培養(yǎng)核心素養(yǎng)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出物理課程應(yīng)該進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成與發(fā)展。物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面，因此在實(shí)際教學(xué)中，應(yīng)該充分挖掘教學(xué)素材，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的各個(gè)層面。本研究通過習(xí)題還原來編制“乒乓球發(fā)球”原始物理問題，并對問題解決過程進(jìn)行教學(xué)分析，利用原始物理問題的優(yōu)勢，促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念，掌握運(yùn)用科學(xué)思維的方法，逐漸養(yǎng)成科學(xué)探究的習(xí)慣。同時(shí)，繼續(xù)挖掘蘊(yùn)藏在“乒乓球”中的素材，提取“乒乓精神”這一關(guān)鍵要素，銜接“科學(xué)精神”，緊密聯(lián)系科學(xué)與社會(huì)生活，激發(fā)學(xué)生探索自然的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，推動(dòng)學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、持之以恒的科學(xué)態(tài)度，實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的全方位發(fā)展。

3.3 滲透原始物理問題，發(fā)展學(xué)生關(guān)鍵能力

相關(guān)研究指出，關(guān)鍵能力的表達(dá)式可以用V＝13x3＋ax來表示，其中V代表關(guān)鍵能力的能量函數(shù)，關(guān)鍵能力的構(gòu)成與問題表征、思維成分的關(guān)系，以及對應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)如表1所示。［7］

分析表格可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵能力的培養(yǎng)既需要發(fā)揮內(nèi)部表征思維成分（概括思維、模型思維、推理思維）的重要價(jià)值，也需要的發(fā)揮外部表征思維成分（抽象思維、形象思維、假設(shè)思維）的重要價(jià)值。原始物理問題解決過程的六個(gè)表征與六項(xiàng)思維成分之間是一一對應(yīng)關(guān)系，所以要想發(fā)展學(xué)生的六項(xiàng)思維成分，就需要加強(qiáng)六個(gè)表征的培養(yǎng)。正如圖3所示，習(xí)題僅包含了內(nèi)部表征，缺少外部表征，對學(xué)生關(guān)鍵能力的培養(yǎng)趨于片面化，而原始物理問題則包含了內(nèi)部表征與外部表征，進(jìn)行原始物理問題教學(xué)能夠全面培養(yǎng)學(xué)生的六項(xiàng)思維成分。綜上，在物理教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)滲透原始物理問題，有助于實(shí)現(xiàn)物理教育的本原回歸，促進(jìn)學(xué)生關(guān)鍵能力的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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