初中生解决原始物理问题的思维障碍及改善策略

□侯新杰 李冬青

（河南师范大学物理学院，河南新乡 453007）

传统的物理习题是由物理情景经过改编进化而来，是高度抽象化的问题，学生无需进行建模、赋值，只需根据已知条件直接求解，不能体会到物理问题背后的现象及意义.相比之下，原始物理问题是指自然界及社会生活、生产中未被抽象加工的典型现象[1].它描述的是现实的物理情景，没有完整的问题结构，没有明确的已知、未知条件，对此类问题的解答不能按照常规的方式计算.这类问题要求学生不仅仅掌握学科知识，还要有多种思维形式、科学方法的综合参与.而这些过程正是发展学生物理学科思维的载体，提高学生物理核心素养的有效途径.

为了深入了解初中生在解决原始物理问题过程中存在的困难，本文编制了原始物理问题测量工具.本文从自组织表征理论的六个表征层次入手，制定测试卷的评分标准；采用文本分析的研究方法，通过分析学生在解决原始物理问题过程中表现的关键行为，判断学生可能存在的思维障碍；针对相应的思维障碍，提出提高学生解决原始物理问题能力的教学策略.

一、自组织表征理论下表征表现评价指标

问题表征是解题者根据问题提供的情境，结合已有知识水平，发现问题结构，构建问题空间的过程，也就是让问题的研究对象、研究过程显现出来，使问题明朗化.问题表征贯穿解题的整个过程.基于对原始物理问题的深入研究，邢红军教授提出解决原始物理问题的自组织表征理论.自组织表征理论认为问题的解决者对于问题的表征状态包含解题的六个表征层次，分别是抽象表征、赋值表征、图像表征、物理表征、数学表征、方法表征[2].表征层次的内涵简要概括如表1所示.

表1

在自组织表征理论下，每一个表征层次对应一个思维形式，而思维形式的考察依赖于解题过程的操作表现.基于此，我们形成了解决原始物理问题的评价指标，如表2所示.

表2

由表可知，学生的思维活动贯穿于解决原始物理问题的整个过程.

二、原始物理问题测试卷的编制

本文以原始物理问题编制原则及自组织表征理论为依据，经过筛选比较，改编四道初中生原始物理问题测试题，如表3所示.

表3

原始物理问题属于主观性试题，评分标准存在模糊性，信度较低，因此我们通过对解决原始物理问题的六个表征层次进行赋分，由分数间接反映学生的思维现状.基于此，拟定了原始物理问题测试题的评分标准.每完整的表达完成一个表征层次可得2 分；若未能完整答，即理论正确但表述不规范的得1 分；若忽略某一步表征或表征错误，则这一表征不得分.解答一道完整的原始物理问题，满分为12分，共4道原始物理问题，总分为48分.

三、初中生解决原始物理问题过程分析

通过对上述研究得到的数据进行统计，分析结果如下.

本次测验满分48分，最高分为43分，最低分为7分，整体平均得分21.43分.为深入分析初中生在表征原始物理问题的过程中的存在的障碍，分别统计四道测试题的得分结果，如图1所示.

图1

结果显示，对不同的问题，学生表征水平显示出不同的差异，但总体表现出的各表征层次水平基本保持一致.

结合学生的解答过程，得到研究结论如下:

（1）在抽象表征层次上，学生无法从题目描述的物理现象中抽象出理想模型.抽象思维的缺失会让学生无法将头脑中已有的物理概念、规律等与新接触的原始物理问题产生联系.

（2）在赋值表征层次上，学生表征水平较高，能够有意识地根据问题解决的需要设置物理量，但中间变量的设置还存在欠缺.出现的问题在于物理量赋值的不完整或完全没有.

（3）在图像表征层次上，学生不能熟练地运用画图的方式辅助解题，出现不画图或画出的图像对解决问题无实际意义.原因在于学生在平时做传统物理习题时，出题者已把需要的图像画出，学生只需要在原图的基础上进行加工即可，对原始图像问题的图示练习较少，因此无法顺利完成解决原始物理问题的图像表征过程.

（4）在方法表征层次上，学生对问题整体把握的能力还不足，只注意到某个关键词，使得选择的研究对象和研究方法不正确.

（5）在物理表征层次上，学生对物理规律的理解还过于表面，孤立物理规律之间的联系，缺乏物理规律的应用意识.

（6）在数学表征层次上，学生对简单直接的公式计算可以完成，但涉及公式变形以及二次代入时还存在较多困难.

四、改善策略

教师的教学方法与教学内容直接影响学生的学习观念和思维方式，继而影响学生解决原始物理问题的能力.针对前面分析发现初中生解决原始问题的思维障碍,结合自组织表征理论，下面提出提高初中生原始物理问题解决能力的教学策略.

1.注重生活素材教学，体会由原型到模型建构的过程

原始物理问题描述的是真实的物理情境，教师应注重由生活素材向物理模型转化的教学.

例1两人一前一后抬一个质量均匀的木箱上楼，请问前面的人费力还是后面的人费力？

分析：这道题的关键在于建立正确的杠杆模型，能够将描述对象简化、抽象.

首先要把两人抬木箱上楼的情景转化为简易杠杆模型进行分析.抬木箱上楼，说明杠杆是斜向上而不是水平的；木箱质量均匀，所以木箱的几何中心便是杠杆的支点；两人一前一后抬箱上楼，说明作用在箱子上的力都在两端.由此便得到杠杆的模型，如图2所示.其次在模型图上标记出杠杆五要素，通过杠杆平衡条件F1l1=F2l2，结合图像得到l1>l2，所以F1＜F2，也就是后面的人更费力.

通过在教学中运用生活化素材帮助学生建立正确的物理模型，当学生碰到类似事例的时候，自动联系到相关的物理模型，形成模型的建构.

2.加强作图训练，突破思维局限

初中生对物理问题的理解习惯从自己的生活经验出发，对一些问题和现象形成思维定势，这种定势往往会造成学生出现“想当然”的情况[4].

例2人向前走路时，脚受到地面的摩擦力是怎样的？

学生会产生人相对地面往前走，那产生阻碍相对运动的摩擦力就应该向后的思维定势.但通过作图我们发现，人向前走路时，脚通过向后蹬地面而产生运动，地面为阻碍脚向后蹬而产生一个向前的摩擦力，如图3所示.

图像简单明了，一看就懂.因此解决原始物理问题过程通过画图来辅助思考，将表象更直观、形象化，有助于学生对原始物理问题的顺利解决.

3.恰当选择研究对象，简化分析物理现象

问题中研究对象是解题者需要着力考查的、已知量和待求量集中指向的物体[5].若研究对象选取不当或不明确，会增加解题难度甚至无法解决.

图2

图3

例3压力锅的工作原理是利用橡皮圈密封锅盖增加锅内压力，达到锅内水温升高的目的.锅盖中间有一个小孔，在小孔上套一个金属压力锤.当锅内气压升高到一定大小时，锅内蒸汽就会顶起压力锤排放蒸汽，使锅内气压稳定在一定范围.请推导一个压力锅内气压大小的表达式.

分析：这道题的关键在于找出研究对象，通过受力分析实现物理量间的转化.

压力锅内的气压达到一定大小时，锅内蒸汽会通过排气孔顶起锅外压力锤排放蒸汽，使得锅内气压稳定在一定范围.也就是在这段时间内，忽略压力锤的上下振动和转动，近似可以认为它处于力学平衡状态，即锅内向上排放蒸汽的压力等于锅外压力锤的重力以及向下的大气压力之和：pS=p0S+mg，如图4所示.

图4

通过这个例子可见在解决原始物理问题的过程中，恰当选择研究对象，并把研究对象中的要素提取出来，建立物理量之间的联系，给成功解决问题提供有效的思路.

4.结合实际情境，注重物理规律应用

学生在学习物理规律时，往往对物理规律的理解不够深入、透彻，导致无法正确使用物理规律解决原始物理问题.

例4现有一个自制的简易密度计，它是在一根木棒一端缠绕一些铜丝做成的，将其放入不同液体的烧杯中，它就会竖直立起.观察发现液体中的木棒靠上竖直，一个木棒靠下竖直，那么哪个烧杯中的液体密度大？

分析：通过读题会发现，自制密度计的关键在于它可以在液体中竖直立起.竖直立起的状态也就是悬浮在液体内，自然就会想：什么条件下物体可以悬浮呢？当重力等于浮力的时候.由于同一根密度计重力一样，浮力也就一样，再根据液体中浮力的计算——阿基米德原理，就可以推算得到木棒靠上的液体密度大.

在教学中通过将物理规律与生活情境结合,注意物理规律在生活中的实际应用，让学生建立起原始物理问题与物理规律之间的联系，解决相关原始物理问题.

5.重视数理结合，解决原始物理问题

物理问题往往可以用物理和数学相结合的方法巧妙而快捷地求解[6].但初中生对于用数学知识解决原始物理问题的意识不足，能力不够.

例5请你用一块平面镜和一把卷尺配合测出一棵大树的高度.（推导大树高度的表达式）

分析：问题求树的高度，我们暂且忽略树的形状，把它看做有高度的细杆.测量高度用到平面镜，首先应该想到平面镜成像的原理是光的反射，因此这是一道与光路图有关的问题.由光的性质:光在同种均匀介质中沿直线传播，据此我们将平面镜放在人眼刚好能看到树顶的地面上，此时光的两条路径分别是树顶到平面镜的直线距离以及人眼到平面镜的直线距离，根据光的反射定律：入射角等于反射角，因此两条光线与地面的夹角也是相等的，这样树、人、光线就组成两个相似三角形，如图5所示.

图5

图6

在这里我们把树顶到地面的距离设为AB=H，人眼到地面的距离设为CD=h，树到平面镜的垂直距离为BO=a，人到平面镜的距离DO=b.借助相似三角形的比例关系，可得出树的高度

这道题也可以将平面镜放在人的前面刚好可以看到树顶的地方，也可以利用相似三角形求解，如图6所示.

本题从物理角度看是关于光的反射定理的应用，在求解过程中，利用光在均匀介质中沿直线传播以及平面镜对光的反射作用，恰好构成一对相似三角形.将物理状态转化为几何图形，使问题答案清晰明了.用数理结合的方式分析物理问题，从数学角度看物理问题，改变学生固有的思维方式，解决原始物理问题变得容易了.