原始问题教学：物理思维方法教育的新途径—以自动称米机为例

熊小青 邢红军 乔 通

原始问题教学：物理思维方法教育的新途径—以自动称米机为例

熊小青 邢红军 乔 通

一、科学方法中的思维方法

在物理教学中进行科学方法教育，需要明确科学方法的分类。研究表明，科学方法可以分为物理方法和思维方法。物理方法是与专业知识密切相关的方法。如比值定义法、实验归纳法等。由于其具有可操作性，因此可以通过传授使学生掌握；思维方法则是人们解决问题的一般策略和方法，由于思维是人脑的功能，因此需要训练才能使学生掌握。在中学物理教学中进行科学方法教育，通常研究的主要内容集中在物理方法上，思维方法的研究较少涉及。我们分析了相关文献，认为目前思维方法教育存在一些不足：(1)思维方法教育的内容不全面，大多数文献仅选取一种或几种思维方法进行研究；(2)思维方法教育途径研究缺乏理论性，大多数文献仅是经验的总结。鉴于此，我们概括了中学物理教学中思维方法的内容，并且提出了运用原始物理问题训练学生思维方法的观点，并进行了初步的理论探讨。

在物理科学方法教育中，涉及的主要思维方法有：分析综合、抽象概括、判断推理、比较分类等。

所谓分析，就是人们在思维过程中把研究对象由整体分解为若干组成部分、层次或要素，然后对它的各个部分、层次或要素分别进行研究，揭示它们的属性和本质，并研究这些部分、层次或要素之间的相互作用及其在整体对象中的地位，考察它们对研究对象的状态及发展变化的影响。综合，是指把研究对象的各个部分，各个方面和各种因素的特点、性质联系起来考察，从整体上去认识和把握研究对象的一种思维方法。综合是按照对象各个部分间的有机联系，从整体上把握事物，并且把各种因素联结成有机整体，再现事物的本来面目。

抽象，是指在认识事物的过程中，综合应用分析、综合、比较等方法，撇开问题中个别的、非本质的因素，抽出主要的、本质的因素加以研究的思维方法。概括，是指在认识事物属性的过程中，把所研究各部分事物得到的一般的、本质的属性联系起来，整理推广到同类的全体事物，从而形成这类事物的普遍概念。思维最显著的特点就是概括性。思维之所以揭示事物的本质和内在规律性，主要来自抽象的概括过程。

判断，是肯定或否定某事物具有某种属性的一种方法，任何判断都是我们对事物的认识，是对客观事物之间联系的反映。推理是从已知的判断推断出新判断的思维过程。推理最主要的形式有两种：归纳推理和演绎推理。所谓归纳推理，是指从特殊事例到一般原理的推理。演绎推理是从一般到个别，从普通到特殊的推理方式。

比较，是确定事物之间差异点和共同点的抽象思维方法。其过程是先对有关的事物进行分析，区分每个事物各方面的特征，然后再鉴别这些事物间的异同.分类，是在比较的基础上，根据研究对象的共同点和差异点，把事物分门别类的思维方法。根据研究或学习需要，可以某种同一性作标准，将研究对象归并为一类。分类有助于我们系统地认识事物，更有助于形成合理的认知结构。

由思维方法内容的界定，可知思维方法是认知客观事物的本质属性，内在规律以及事物间的联系和相互关系的方法。例如：力的概念教学，只有通过思维方法的参与，学生才能从推、压、挤、拉等不同现象抽象出本质属性建立力的概念。因此，在物理科学方法教育中除了重视物理方法教育外，还应重视思维方法教育。以下通过比较习题和原始问题训练思维方法的优缺点，以期为中学物理思维方法教育探索出一条有效途径。

二、运用习题训练思维方法的不足

目前，在物理科学方法教育中，一般认为运用习题就能有效训练学生的物理思维。如：普通高中《物理课程标准》指出：“一个好的习题，就是一个科学问题。在设计练习和习题时，应多选择有实际科技背景或以真实物理现象为依据的问题，既训练学生的科学思维能力，又联系科学、生产和生活的实际，因而具有生命力。切忌那种脱离实际的纯‘思辨游戏’式的题目。”事实上，习题是把物理现象进行抽象，概括，简化，分解，经人为加工出来的练习作业。虽然从形式上联系了生活实际，但却给出了解决习题所需的物理量，提供了解题的思路，即学生思维的一部分已经被习题编制人员“越俎代庖”也完成了，学生只要按部就班地对题目进行推演，无需过多的思维便能成功解答。

典型的自动称米机习题：自动称米机(如图1所示)已被许多粮店广泛应用。买者认为因为米流到容器时有向下的冲力而不划算；卖者认为当预定米的数量满足时，自动装置即刻切断米流，此刻尚有一些米仍在空中，这些米是多给买者的。请利用已知来解答下面问题。已知：当关闭阀门切断米流的瞬间，落入盘中的米的质量为M，正在下落的米的质量为m，正在冲击秤盘的一小部分米的质量为Δm，米下落到秤盘的速度为v，冲击时间为Δt。(1)求单位时间内米的流量Q(用两种结果表示)；(2)求冲击秤盘的一小部分米对盘的冲力F；(3)称米机的示数M示是多少；(4)求最终落入盘中的米的质量M实时多少，称米机称的米准确吗？

图1

解答过程如下：

(2)依据牛顿第三定律：F=F支

依据动量定理：(F支-Δmg)•Δt= Δm• v

∴ F=mg+ Δmg

∴称米机称量准确，买卖双方交易公平

(4)M实=M+m+Δm M示=M实

上述习题以生活中真实问题为原型，很好地体现了生活实际，但习题编制人员将买卖双方盈亏的真实问题抽象成称米机秤盘示数和落入盘中的米的质量是否相等的习题，见(3)(4)，使其中蕴含的思维训练成分大打折扣；通过抽象将真实的问题情境转化为封闭的习题情境，提供学生解决习题的关键思路，替代了学生对问题进行思考的机会；不仅如此，称米机习题将连续下落的米流，拆分成相对独立的三部分M，m，Δm进行研究，并给出了抽象后的图像，研究这些对象所需的物理量也全部设置了，学生只要稍加分析，并按照习题解决的步骤，就可求得答案。

称米机是典型的物理习题，其解题过程反映了习题解决的普遍特点。事实上，大部分习题主要用于巩固学生所学的物理知识，很难有效训练学生的思维，以至于许多学生只知道解题，面对实际问题时常常束手无策。

三、运用原始问题训练学生思维方法的优点

综上所述，习题不能有效训练学生的思维，原因在于，由物理现象变为习题过程中蕴含的思维方法学生无法接触和体会。由此，我们提出运用原始物理问题训练学生思维方法的观点。

所谓原始问题，是指自然界及社会生活、生产中客观存在，能够反映科学概念、规律本质且未被加工的典型科学现象和事实。原始物理问题仅是对现象的描述，没有任何程度的抽象，因此提供给学生一个真实开放的认知情境，使学生大脑充分开放，打破学生思维的平衡状态，刺激学生积极思维。原始问题解决除了推导、演算外，还包括应用分析、综合、抽象、概括等思维方法对原始物理问题进行抽象。因此在原始问题教学中蕴含着丰富的思维方法。

称米机习题可以还原成原始物理问题：自动称米机已被许多粮店广泛应用，买者认为因为米流撞到秤上有向下的冲力因而使给的米少了；卖者认为自动装置切断米流时，尚有一些米仍在空中，这些米是多给买者的。两种说法听起来都有道理，从理论上证实哪种观点正确。

由此可见，还原后的称米机问题只是对现象的描述，没有任何程度的抽象，没有提供已知条件，不经过思维方法的参与，学生很难找到解决办法。

依据自组织表征理论，原始物理问题解决的过程包括7个层次：定向表征、抽象表征、图像表征、赋值表征、物理表征、方法表征、数学表征。前4个表征为原始问题解决特有的表征层次，后3个表征是习题和原始物理问题解决共有的。我们以称米机为例，仅对前4个表征中蕴含的思维方法进行分析。

定向表征是判断原始问题是一个什么问题的表征层次。称米机原始问题的定向表征为：第一，阅读题目，理解题意，分析买卖双方关注焦点，买方关注秤显示的米的质量，卖方关注最终落入秤盘的米的质量。因此，判断这是一个比较米的质量多少的问题，并将问题概括为秤盘上显示的米的质量和最终落入秤盘的米的质量是否相等的问题。第二，分析米下的落过程，判断推理得出，由于米对秤盘的冲击，所以秤盘示数大于静止在秤上米的质量。第三，将运动、质量、力三者联系起来顿悟出这是一个冲量的问题。在这个表征中除了运用一般的思维方法外，还运用了形象思维和直觉思维，对原始问题产生了适应性和启发性的领悟。

抽象表征是原始问题解决中决定舍弃什么和保留什么的过程，是抓住主要因素，忽略次要因素，把原型转变为模型的过程。这个表征中主要用到了抽象的思维方法，抽象在物理思维形成过程中是极其重要的，称米机原始问题的抽象表征过程为：分析秤盘示数，由于有一部分米在冲击秤盘，所以示数偏大，关闭阀门，空中还有一部分米在流到秤盘，秤盘中的米最接近交易量，因此，我们将研究对象抽象成3部分：盘中的米、空中下落的米、冲击秤盘的一小部分米。在切断米流的瞬间，将它们近似看成相对独立的研究对象。

图像表征：图像表征是学生解决问题过程中画出草图的过程，是抽象思维的升华。抽象思维和形象思维相结合，画出能反映事物本质特征的理想化图像。“称米机”原始问题的图像表征过程如图1所示。它将抽象后相对独立的研究对象形象地展示在图像上，利于问题的解决。

赋值表征：赋值表征指根据解决问题的要求，设置所需要的物理量，包括常量和变量，有时甚至需要设置一些中间变量。赋值表征是对问题进行抽象分解后，运用假设法对各个抽象出的物理量进行赋值，体现了思维的高度监控。称米机原始问题的赋值表征过程为：依据题目需要，设出相关的物理量。(1)设置已经抽象出的研究对象盘中的米为M、空中米流质量为m，冲击盘的一小部分米的质量为Δm。(2)这些研究对象通过运动相互联系，因此设置常量重力加速度为g，冲击初速度为v，冲击时间为Δt。(3)设置对盘的冲力为F，单位时间内米的流量为Q。此步骤以后，原始问题变为习题，学生可以根据已知和物理理论很容易求解。

分析习题和原始问题解决的过程，可以发现原始问题更能训练学生的思维能力。主要表现在：(1)原始问题只是对物理现象和事实的描述，只有通过思维方法参与，才能将这些现象和事实与物理规律联系起来。这里不仅运用了一般的思维方法(如：分析、综合、概括、判断等)，还运用了形象思维和直觉思维。习题则是有明确的已知条件和解题目标，根据条件和目标的暗示，学生便能顺利找出解题所需的物理规律。(2)原始问题没有明确的已知条件，只能通过对物理现象和过程的分析，抓住其中主要因素，舍去次要因素，抽象出原始问题研究的对象，将原型转化为模型才能解决。事实上，抽象在物理学习中具有重要作用，抽象是物理思维的基础。而习题则是对物理现象抽象后的练习作业，因此，在解决习题过程中不需要抽象思维的参与。

因此，原始问题更能训练学生的思维能力。在物理教学中应以习题为基础巩固学生的物理知识，以原始问题为升华训练学生的思维能力。在原始问题教学中，教师应有意识地展现原始问题解决的步骤，有意识地对学生进行思维方法训练，从而促进学生的思维发展。

[1] 王瑞旦，宋善炎.物理方法论[M].湖南：中南大学出版社，2002

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熊小青，在读硕士研究生。邢红军，博士，教授，博士生导师。乔通，在读硕士研究生。

首都师范大学。

本文系北京市“十一五”规划教育科学重点课题“高中物理科学方法教育内容显化的理论与实践研究”成果(编号：ABA08010)。