论复杂性科学视角下的原始物理问题教学*

● 环 敏 杨雄珍

论复杂性科学视角下的原始物理问题教学*

● 环 敏 杨雄珍

当下，学科教学中的问题解决研究，已引起越来越多理论界学者和一线教师的关注。以习题为主的传统问题解决教学，因在帮助学生巩固和加深知识理解、训练演算能力和初步运用知识解决问题的能力、考察学生掌握知识程度等方面有积极的作用，而一直占据着重要的地位。然而，我们也应看到，习题（也称抽象问题）在对物理现象抽象、理想化和模型化的人为加工中，已把其部分事实背景和现象细节淡化和丢弃了，与“现象是物理学的根源”是相悖的。由于大部分习题条件一般都严格控制，答案唯一，极易造成学生习惯用简单线性思维考虑问题，“只见树木，不见森林”。有学者认为，“我国学生创新能力的匮乏是习题教学的直接结果”。如何弥补传统习题教学中的缺失，复杂性科学为我们提供了新的视角：原始物理问题教学，更有利于培养创新思维，促进学生有效地掌握知识，提高解决实际问题的能力。

一、何为原始物理问题

目前国内现有文献对原始物理问题的定义尚未明确统一。综合邢红军、周武雷教授的界定，笔者认为“原始物理问题”是指：基于自然界及社会生产、生活中客观存在的、未被加工的典型物理现象和事实的观察，所产生的对现象和事实背后物理本因的疑问。

典型的原始物理问题如：①登山者背包内的物品有轻有重，不同摆放方式对登山者产生的效果不同。应该怎样摆放才科学？②小汽车的前挡风玻璃有一定的倾斜度，而卡车、公交车等大型车辆的挡风玻璃却几乎是竖直的。为什么要这样安装？

与原始问题①对应的习题形式常为：负重爬坡者背包内有大小形状相同、轻重不同的两个物品，约各占据背包容积的一半。请分别从重物放在轻物上方、重物放在轻物下方两种情况，分析比较对爬坡者产生的施力效果，说明哪种摆放方式会使其感到少吃力些。

对比两者不难发现它们的差别：习题是从物理现象中抽象、简化或分解出来的人为性练习，偏向训练演算和推理，一般都给出了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自行解决。而原始问题只提供真实的物理现象、具有生态性，已知条件和物理量具有遮蔽性不直接给出，需要学生从现象出发进行假设、估计来获取相关物理量，构建成物理模型后再运用有关知识解答，对学生的能力要求较高；由于问题情景较开放、答案也可不唯一，没有现成的套路可模枋，常需要依靠小组协作讨论完成，所以对学生来说更具有挑战性和趣味性。

近年来，一些学者在寻求提高科学教育效能的途径，开始关注原始问题的教学应用价值。北京大学的赵凯华教授较早意识到习题与原始问题的教学差异，曾指出：“在我们的教学中，同一问题，既可以把原始的物理问题提交给学生；也可以由教师把物理问题分解或抽象成一定的数学模型后再提交给学生。习惯于解后一类问题的学生，在遇到前一类问题时，往往不知所措”。

二、原始物理问题的教学功能

（一）创设形成思维耗散结构条件

具体表现在以下几个方面：

1.提升课堂教学系统的开放性。形成耗散结构的首要条件是系统开放。只有开放系统才能与外界进行信息、能量交流，促使系统焕发生机。教学系统的开放包括学习环境、思维、教学内容和过程、学习方式等的开放。常规习题教学由于受已知条件限定，学生的思维常被题目中的各种模型、理想状态所框定，开放度较小；而原始问题与前者相比，生态性和探索性大大增强，促使相应的教学系统更加开放。

2.创设复杂情景，引发认知混沌。耗散结构只有在开放系统的非平衡条件下才能形成，即“非平衡是有序之源”。原始问题所呈现的是一个信息庞杂、客观真实的情景，学生很难找到某种可现成效仿的原型，原有的认知结构平衡被打破，引发了认知混沌，刺激学生的思维走向复杂性而远离平衡态。正是在认知矛盾冲突中，学生的思维在非平衡——平衡、无序——有序、稳定——不稳定的矛盾相互转换中，通过同化、顺应，上升到了更高水平的新平衡态。

3.教学系统各元素间非线性相互作用，产生自组织演进。这是形成耗散结构的另一条件。课堂教学系统中的教师、学生、教材、环境、教学资源等各元素间是一种复杂的非线性关系。由于原始问题属于结构不良问题，问题的初始状态、中间状态和目的状态至少有一个是未知的，仅凭常规方法和简单直线思维难以解决，需要学生调动原有的知识经验，依靠教学系统中各要素间互动协同作用产生相干效应，经历“顿悟”的思维突变，使教学系统在自组织中从低级向高级演进。

（二）促进自主学习，有效掌握知识

如前所述，原始问题比常规习题更富有挑战性和趣味性，故更易激发学生学习的热情、引发深度学习，进而提高学习的质量。原始问题解决过程既是对学生阅读审题、观察分析、信息素养等能力培养的途径，同时学生又有很多参与讨论、师生互动合作探究的机会，促进了自主学习，有利于更好地理解和建构知识，有效掌握知识。

（三）培养创新思维，提高解决实际问题的能力

原始问题的非常规性、复杂性、开放性和已知条件的隐蔽性等特点，决定了其解决过程必然要在探索和发现中完成。从对问题呈现现象的数据假设、简化和抽象，得到一个物理抽象模型，到运用相关物理知识解决问题，学生的思维一直处于与信息、知识多向流通和不断碰撞的非线性动态演进中，思维触角得以延展，思维系统从量变并被逐级放大，最终引起质变达到新的有序，直觉思维、发散思维得到了发展。同时，也发展了学生的科学探究能力，积累了问题解决的策略和经验，进而提升学生解决实际问题的能力。

三、如何开展原始物理问题教学

课堂教学是一个复杂系统，是由大量相互联系和作用的要素构成的网络，是具有特定功能的有机整体。人的大脑是复杂的、认知过程也具有复杂性。仅靠单一思维训练方式、用常规习题搞题海战术，难以达到培养学生创新思维和灵活运用知识解决复杂问题能力的目的。基于以上分析，认为要提高问题解决教学的质量，需要打破“习题一统天下”的格局，关注原始问题素材并适切地运用于教学中，倡导传统习题教学与原始问题教学的有机结合。

（一）以习题教学为基础，原始问题教学为提升

习题教学与原始物理问题教学各有所长，应发挥其综合效能。强调原始问题的教学功能，并非否定习题教学的重要作用，而是倡导既要发挥传统习题（特别是变式练习）教学的优势、并把其作为问题解决教学的基本途径，又要注意在教学中酌情选择适量的原始物理问题，进行创新思维训练以弥补习题教学的不足，达到掌握知识与培养能力并进的目的。例如，在一定数量的常规习题训练基础上，引入原始问题“刀具用钝后，经磨砺，切割东西就变得容易了，分析其原理。”既可训练学生灵活应用力学知识解决实际问题，又可突破“理解合力与分力间夹角关系”这一教学难点。

（二）习题与原始问题相互转换

从原始问题转换到习题，旨在培养学生的建模能力；从习题转换到原始问题，旨在培养学生对现实生活现象的观察力和问题意识。例如，在学习了动量定理，从习题训练切换到探索 “飞鸟与飞机相撞的危害？”、“运动员摔跤后在地面翻滚的作用？”等原始问题，可深化学生对冲力与作用时间关系的理解，感悟物理就在身边、蕴含于生活现象中。

（三）选择适切的原始问题素材，增强教学的针对性。

原始问题来源于我们身边的客观现象。我们既不能视而不见，漠然对待，同时也要避免任何问题都原始化，引用泛化，关键是运用要适切。为此，教师应思考何时需要引入原始问题、目的何在？自然现象、体育竞技、生产、日常生活、新闻媒体、科技领域乃至文学作品中，不乏大量的原始物理问题素材，要根据教学的需要有选择地引用。例如：体育竞技中的缓冲、踢球和投掷技巧、运动姿态等现象中的原始物理问题，适合引入到运动学和动力学知识的学习中，可达到使抽象的物理知识形象具体化、启发学生学以致用的目的；列举并分析“挂在壁墙上的石英钟，当电池的电能耗尽而停止走动时，其秒针往往停在刻度盘上‘9’的位置。”旨在帮助学生理解力矩、增强观察意识。类似的例子不胜枚举。

原始物理问题既保持了真实世界的“原汁原味”，又是隐含深刻物理学规律的知识链。把它作为习题教学的一种补充、提升和问题解决教学的重要切入点，更能体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念，符合科学教育的培养目标。它将拓展教育工作者的教育视野，引起人们思维方式的转变。

云南省“十一五”教育科研规划课题《教学模式改革与物理学科教学思想创新研究》编号：GG09003

环 敏/云南大理学院工程学院 杨雄珍/广西贺州学院物理与电子信息工程系

（责任编辑：刘 明）