基于原始物理问题建构理想化模型

任虎虎

摘 要：物理教学离不开质点、匀强电场、自由落体等理想化模型，然而学生对理想化模型的掌握并不理想。究其原因，主要是学生没有真正参与到从实际情景到物理模型演变的过程中。原始物理问题是自然界及社會生活、生产中客观存在且未被加工的物理问题，原始物理问题是连接学生生活与物理模型的桥梁，借助原始物理问题能很好地帮助学生实现理想化模型的自我建构，提升建模、归纳能力。本文从“是什么”“为什么”“怎么做”三个维度进行探讨，并给出促进理想化模型自我建构的原始物理问题编制、教学策略及案例分析。

关键词：原始物理问题；理想化模型；自我建构；编制

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）2-0041-3

1 什么是原始物理问题

原始物理问题是邢红军教授提出的教学理论，起源于杨振宁教授的物理教育思想。[1]杨振宁教授在一次接受记者采访时，曾将他取得成功的奥秘归结为：“要站在问题开始的地方，面对原始的问题，而不要淹没在文献的海洋里”。物理教学同样不能淹没在结论和题目的海洋里，而应将活生生的物理现象和物理过程，反璞归真地呈现出来，让学生面对原汁原味的物理问题，引导他们去亲历物理模型、物理概念的形成过程，物理规律的发现过程，以及物理问题的解决过程。

典型的原始物理问题：“一些人认为婴儿由成人抱着坐在汽车里很安全。现在请你估计一下，在一次发生在很短时间的撞车中，需要多大的力才能抱住婴儿。” [2]

原始物理问题是基于实际情景，是自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理问题，具有生态性和开放性的特点。原始物理问题的呈现形式是对物理情景的描述，没有已知量、未知量，需要学生自己去抽象，自己去设置。因此，原始物理问题不同于物理习题，它们之间的关系如图1所示。

2 为什么原始物理问题能促进理想化模型的建立

物理教学离不开理想化模型，理想化模型是为了便于研究而建立的一种高度抽象的绝对理想的形态或客体，它只能在抽象的科学思维中存在，在现实世界中并不真实存在。在教学实践中，发现学生在学习理想化模型时往往存在思维障碍，具体表现为：不理解为什么要忽略一些次要因素，不能将习得的物理模型用到实际情境中等。借助原始物理问题，可以很好地帮助学生解决这些问题。

原始物理问题基于物理现象，具有客观真实性，学生在运用原始物理问题进行学习的过程中，通过与实际问题的“对话”，可以获得大量的感性认识，为理性认识打好基础。在将实际问题转化为抽象问题的过程中，学生必然会对实际情景进行加工，梳理哪些是主要因素、哪些是次要因素、哪些因素可以忽略，从而实现了实际情景向理想模型的过渡，相应地也实现了形象思维向抽象思维的过渡。因此，通过对原始物理问题进行梳理和加工，可以帮助学生实现理想化模型的建立，建模能力和抽象思维能力的提升。[3]

3 怎样利用原始物理问题实现理想化模型的自我建构

理想化模型可以分为三类：（1）对象模型：是对实物的一种理想简化，如质点、点电荷、单摆等；（2）条件模型：是对相关环境的一种理想简化，如光滑表面、匀强电场、匀强磁场等；（3）过程模型：是对干扰因素的一种简化，如自由落体运动、等温过程、绝热过程等。[4]

下面就如何利用原始物理问题实现这三类理想化模型的自我建构，提出笔者的一点拙见，并进行相应的案例分析。

3.1 促进对象模型自我建构的原始问题编制、教学策略及案例分析

对象模型是用来代替研究对象实体的理想化模型，这类模型的原始物理问题教学策略为：首先，选取有关考虑研究对象长度或形状的实际情景，编制原始物理问题；其次，在解决原始物理问题后，设置问题及时追问；最后，让学生进行分析归纳，建立理想模型。

案例：“质点”是高中阶段学习的第一个理想化模型，它的建构思想和方法对其他模型的建立有重要的指导意义。学习时可编制如下原始物理问题：

从上海到北京的高铁需要经过南京大胜关长江大桥，请估算一下高铁列车通过大桥需要多长时间。

学生抽象出物理过程后，了解南京大胜关长江大桥的长度，列车的长度以及速度后，可以得出结果。教师继续追问：“同样的列车经过杭州湾跨海大桥需要多长时间？”“在后一个问题中列车的长度对结果影响大吗？”接下来让学生讨论是否可以将一个具体物体看作一个点。经过这样的分析和对比，让学生形成一分为二看待问题的意识，在实际情景上建立起质点的概念。

3.2 促进条件模型自我建构的原始问题编制、教学策略及案例分析

条件模型是把研究对象所处的外部条件理想化建立的模型，这类模型的原始物理问题教学策略为：首先，选取有关考虑研究对象所处外部条件的实际情景，编制原始物理问题；其次，改变外部条件，分析对研究对象的影响；最后，让学生对外部条件进行简化，归纳并建立理想模型。[5]

案例：“匀强电场”模型是电场中的一个重要概念，它对于匀强磁场的学习有很大地促进作用，学习时可编制如下原始物理问题：

静电喷涂时，喷枪喷出的涂料微粒在静电力作用下向被喷工件运动，最后吸附在其表面，请分析涂料微粒在靠近工件过程中的运动情况以及运动时间。

根据问题的描述，学生可以分析出涂料和工件带异种电荷。带电涂料在工件的电场中运动，刚开始离工件较远，电场强度较弱，靠近工件的过程中，电场强度越来越大，因此涂料做加速度增大的加速运动，但是时间没法算。教师及时追问：“为了计算时间的方便，可以将工件附近的电场进行怎样的简化？”在学生的认知结构中有匀变速直线运动的概念，因此，将工件附近的电场理想化为大小和方向都是恒定的。在实际情景上建立起理想化模型——匀强电场。

3.3 促进过程模型自我建构的原始问题编制、教学策略及案例分析

实际的物理过程都是诸多因素共同作用的结果，忽略次要因素的影响，只考虑主要因素引起的变化过程的模型，称为过程模型。这类模型的原始物理问题教学策略为：首先，选取有关考虑物理过程的实际情景，编制原始物理问题；其次，在分析原始物理问题时，改变影响因素，此时需要进行演示实验；最后，让学生进行分析归纳，建立理想模型。

案例：“自由落体运动”是过程模型的典例，它的建构思想方法对抛体运动等过程模型的学习很有帮助。学习时可编制如下原始物理问题：

秋天了，一个熟透的苹果和树叶从同一枝条上脱落，请问哪一个先落到地面上？说说为什么？

学生知道是苹果先落地，但一部分学生认为是苹果的质量比树叶大的缘故。此时，教师设置演示实验：相同的两张A4纸，一张揉成纸团，另一张不作处理，将其平放和纸团从同一高度释放，让学生观察，随后讨论：物体下落的快慢与哪些因素有关？苹果下落过程中，哪些是主要因素？哪些是次要因素？再提出问题：“次要因素可以忽略吗？”“在不考虑空气阻力时（真空），苹果和树叶谁下落得更快呢？”然后，借助牛顿管进行演示实验，让学生归纳并得出结论：在只考虑重力的情况下，所有物体下落得一样快。这种理想化的运动，称为自由落体运动。

其实，原始物理问题教学不仅能帮助学生基于实际情景建构理想化模型，物理概念和规律也只有在原始物理问题中才有生命力，才能显示其内涵和外延，学生习得的概念和规律才能真正活起来，才能激发和唤醒学生的学习兴趣。原始物理问题教学不仅能帮助学生掌握知识、技能和思想方法，而且还能很好地培养学生的能力，提升科学素养。

參考文献：

[1]邢红军.物理教学论[M].北京：北京大学出版社，2015.

[2]王晶莹，张跃，张阳.中学物理教师对科学模型教育认识的实证研究[J].全球教育展望，2016，45（2）：93-105.

[3]吴加澍.对物理教学的哲学思考[J].课程·教材·教法，2005（7）：64-69.

[4]邢红军.原始问题教学：物理教育改革的新视域[J].课程·教材·教法，2007（5）：51-57.

[5]邢红军，陈清梅.原始物理问题测量工具：编制与研究[J].课程·教材·教法，2008（11）：59-63.

（栏目编辑 罗琬华）