基于核心素养的初中原始物理问题教学探讨①

沈希克

(福建省诏安县边城中学，福建 漳州 363500)

原始物理问题作为一种真实、自然情境下的问题，与传统的物理习题有着显著的区别，具有真实性、情境性、生成性、应用性、综合性、创新性等特点，与发展学生物理学科核心素养有着高度的适切性。把原始物理问题引入初中物理教学，必将促进核心素养培养目标的有效达成。

1 原始物理问题的内涵及特征

原始物理问题是指在自然界以及生产生活中客观存在的、未被分解、简化、抽象的，能够直接反映最真实的物理生活情境的现象或问题，其特点是：

(1) 它是对客观现象的描述，没有对现象作加工处理；

(2) 通常都是文字描述，没有给出已知条件，其中隐含的变量、常量等均需要学生自己去设置；

(3) 没有示意图，解决问题所需的图需要学生自己画出；

(4) 来自真实的生活情境；

(5) 具有趣味性，能引起学生的思考，并向学生提出智力挑战；

(6) 不一定有唯一的答案，各种不同水平的学生都可以由浅入深地作答；

(7) 需个人或小组合作解决它。[1]

原始物理问题与普通习题的关系如图1所示，笔者通过典型的习题与原始物理问题加以对比说明。

图1

习题1：有一成人系着安全带坐在一辆以80km/h行驶的汽车上，怀里抱着一个6kg的婴儿。在一次时长为0.1s的撞车事故时,成人需要用多大的力才能抱住这个婴儿?

原始问题1：有人认为婴儿由成人抱着坐在汽车里是很安全的，只要成人系好安全带就行了。请分析在发生撞车事故中，成人能抱住婴儿可能性。

习题以真实的情境为背景，提供了各物理量的具体数据，学生只需将数据代入公式即可求解；原始物理问题仅描述了真实情境，对相关物理量未作具体描述。两者的问题解决方式、方法等都不同，在考查学生的问题解决能力和核心素养方面有着显著的差异。

2 原始物理问题教学与学生核心素养培养的适切性

2.1 原始问题教学可以促进物理观念的形成

物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等方面的基本认识，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。原始物理问题未经命题者精细的加工，保持着现实生活中物理情境的“原汁原味”。学生能否从物理学的立场审视这些真实情境，并抽象、概括出相应的物理模型，取决于其头脑中是否具备相关的物理概念和规律，是否根植了科学、合理的物理观念。

2.2 原始问题教学可以促进学生科学探究能力的提升

《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出：“要引导学生发现和提出问题，根据问题的需要，收集和选择有用的信息，基于证据和逻辑对问题作出合理解释。”[2]通常习题是经过命题者充分、完整的模型设计与参数设置，学生在解题过程中仅需应用相关的规律及公式，进行演算推导即可得出正确的结论。学生对纯化的物理问题的训练机会较多，而在“收集和选择有用的信息”“基于证据和逻辑对问题作出合理解释”等重要环节锻炼的机会就少了。当学生遇到真实问题、原始问题时会束手无策，无从下手。

习题2：某同学体重为500N，跳绳时平均起跳的高度约为10cm，每分钟能跳75次，则该同学在跳绳过程中克服身体重力做功的功率是多少？

原始问题2：请你估测跳绳时的功率。

从科学探究的角度来看，需要设计测量方案：(1) 学生先要把实际的情境与所学的物理知识相联系，对跳绳过程进行模型建构，认识到跳绳的过程为克服人体自身重力做功的过程；(2) 要测定出跳绳时克服重力做的功W和时间t；(3) 测量跳起的平均高度h是一个技术问题，学生利用各种方法进行了测量。如有同学先用记号笔在墙壁上标出了刻度线，跳绳时请另外一位同学蹲在旁边仔细观察跳起的大致高度。有同学利用智能手机拍下跳绳过程的视频，再利用“慢速回放”功能，能较清楚地看出跳起时能达到的刻度线。学生运用多种方法、通过大量的测量比较，发现：跳绳较快的同学一般跳起的高度都比较低，大约在10cm左右，他们每分钟大约能跳100多次。而跳得慢的同学，跳起的高度较高，一般可达20～30cm，每分钟大约跳六十次；(4) 计算出功和功率，跳绳的平均功率在几十瓦左右。

学生在解决这个原始物理问题的过程中，经历了建构模型—抽象概括—应用知识—测定数据—进行计算—得出结论—评估交流等环节，探究能力在整个活动过程中得到了有效提升。

教师应引导学生运用所学知识对原始物理问题进行探究，培养学生的科学探究能力。如估测学生站立(行走)时对地面的压强、估测在游泳时受到的浮力、估测在单杆上做引体向上时克服身体重力做功的功率、估测家用空调工作时的功率等，让学生在发现、解决问题的过程中，经历科学探究过程，体验科学探究的乐趣。经历科学论证、质疑创新等过程，提升学生的思维品质与核心素养。

2.3 原始问题教学可以促进学生科学思维能力的发展

《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出：科学思维由模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素所构成，[2]原始问题的解决需要学生根据面临的情境，通过假设、抽象、概括等获得必要的数据，合理建构物理模型，经历科学推理及科学论证的过程，最终解决实际问题。一般习题的命制采用“掐头、掐尾、留中段”的模式，通常侧重于演算和推导等中间环节，对学生思维能力的培养是片面的、狭窄的。学生会通过套用模型和公式解题，而在实际问题面前往往会不知所措。

在学习了“杠杆”知识后，可设计原始问题：估测做俯卧撑时的功率，让学生进行实践操作。“俯卧撑”实质上也是一个克服自身重力做功的过程，但地面对手臂向上的举力与身体的重力并没有在同一直线上，两者不是一对平衡力，大小并不相等。测量时要求学生具备转换、建模的思维能力，将人体抽象成一个以脚尖为支点转动的杠杆模型(图2)，根据杠杆的平衡条件F举L1=GL2，可求出举力的大小。对于举力通过的距离，学生通过观察之后发现：该距离大约等于人上手臂的长度h，因此克服自身重力所做的功为W=F举h。测出1分钟内完成的俯卧撑总次数，求出总功，再除以时间，即可得出平均功率。

图2

从“跳绳”到“俯卧撑”的原始问题解决过程来看，学生在合理建构克服重力做功、杠杆等物理模型的基础上，可以应用功、功率、杠杆平衡条件等相关物理概念与规律测算出功率的大小。

初中生由于年龄的原因，思考问题的方式往往会停留在“想当然”之上，而模型建构的过程必须经历“比较—分解—简化—抽象—理解—概括”等环节。学生思维能力的培养并不是一蹴而就的，而是必须经历一个由表及里、不断深入的过程，原始物理问题教学正是加快了这一进程。[3]

2.4 原始问题教学可促进科学态度与责任感的养成

原始问题教学可以在“科学态度与责任”的养成过程中起到一定的作用，学生从物理学的视角观察并发现自然界及生产生活中的相关问题，可促进学生养成严谨认真、实事求是的科学态度，在问题解决的过程中也养成了他们的社会责任感。

笔者所在学校门口有一个地下过街通道，很多学生反映在经过过街通道时，感到里面的空气不流通、很闷。在学习了“流体压强”之后，可引导学生去观察、思考，解决原始物理问题：如何应用所学物理知识，改变地下过街通道空气不流通的现状？

学生通过合作学习的方式，应用学过的物理知识进行分析，因为过街通道两边与路面连通的引道中空气流速基本相同，几乎不存在大气压强差，故新鲜空气无法灌进过街通道。

如何使两边引道的空气流速不同呢？学生提出了不同的方案，其中比较可行的是：可以在其中一边引道的墙壁上设计一个凸形的浮雕(图3)，让空气流过这一边引道时流速加快，大气压强会减小。这样便使两边引道的空气由于流速不同而产生了压强差，故而使空气流通、穿过地下通道。同学们根据此方案整理成了一份调查报告和建议信，递交给有关市政管理部门，得到了重视与落实，使学生获得了参与市政建设的成就感。

图3

3 结语

物理教学要从原始物理问题出发，以现象为导向，以模型为载体，培养学生提炼模型、分析问题、总结规律的能力。[4]在原始物理问题的解决过程中，学生没有现成的模型可用，也没有相关题型经验可借鉴，需要经过综合分析，建构物理模型，设定和估计解题所需的物理量，再根据相关的物理概念、规律等进行推理演算，得出结论。原始问题教学对于学生物理观念的形成、科学探究以及思维能力的培养、科学态度与责任的养成有着重要的促进作用。