基于自组织表征理论的高考物理试题解析①——以2021年全国乙卷第24题为例

康贤明

(福建省泉州市城东中学，福建 泉州 362000)

1 原始问题转化为有“原始味道”的试题

邢红军认为原始问题是自然界及社会生活、生产中未被抽象加工的典型现象。[1]原始问题的主要特点是来源于真实生活情境，只描述现象，没有给出已知条件，不能靠简单模仿来解决。

文献[1]中举了一个典型的原始问题：“一些人认为婴儿由成人抱着坐在汽车里是很安全的，现在请你估计一下，在一切发生在很短时间的撞车中，需要多大的力才能抱住婴儿？”实践证明，这样的问题“过于原始”，无法用于标准化考试的测量与评价。为了便于评价，需将原始物理问题转化为物理试题。近年的高考试题中，出现了大量由原始问题转化而成的试题，2021年高考物理全国乙卷第24题就是源于运动员拍球的真实生活情境。试题描述了“篮球自由下落弹起”和“篮球下落同时拍球后弹起”两个现象，没有画出示意图，试题虽然给出了少量条件，学生通过简单模仿无法解决这个富有原始问题味道的试题。

试题呈现：一篮球质量为m=0.60 kg，一运动员使其从距地面高度为h1=1.8 m处由静止落下，反弹高度为h2=1.2 m。若使篮球从距地面h3=1.5 m的高度由静止下落，并在下落的同时向下拍球，球落地后反弹的高度也为1.5 m。假设运动员拍球时对球的作用力为恒力，作用时间为t=0.20 s；该篮球每次与地面碰撞前后的动能比值不变。重力加速度大小取g=10 m/s2，不计空气阻力。求：

(1) 运动员拍球过程中对篮球所做的功；

(2) 运动员拍球时对篮球的作用力的大小。

2 运用自组织表征理论指导解题

为了指导原始物理问题的深度解答，邢红军提出了解决原始物理问题的“自组织表征”理论，[2]该理论认为：学生解决原始问题时，需经历7个表征层次，即定向表征、抽象表征、图像表征、赋值表征、方法表征、物理表征以及数学表征。那么，解决富有原始问题“味道”的试题时，学生也需经历以上7个表征层次。

2.1 定向表征——定性判断

通过阅读文本，感知、想象文本所描述的现象，在脑子中勾勒出问题的情境，从而定性判断原始问题是什么方面的问题。面对该试题，学生需在头脑中想象出打篮球的情境，然后运用运动和相互作用观念思考：篮球下落做什么运动？反弹做什么运动？篮球为什么会下落？为求解拍球时对篮球做的功，学生还需定性判断，为了解决问题，还需要运用能量观念。

2.2 抽象表征——模型构建

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。试题中篮球的大小和形状不需要考虑，也不要研究篮球的旋转，所以可以把篮球视为质点。篮球由静止下落，因为不计空气阻力，篮球只受重力，其下落过程可视为自由落体运动，同理，篮球反弹上升过程可视为竖直上抛运动。在人拍球的过程中，篮球同时受到重力和人对球的作用力，假设运动员拍球时对球的作用力为恒力，所以人拍球时球的运动可视为初速为零的匀加速直线运动。

2.3 图像表征——画示意图

图像表征就是用图来描述过程，解答该试题时需画出篮球下落的过程、篮球上升的过程草图和篮球的受力示意图等。画过程图，不只是把过程情境画出来，还要在图中标注相关的物理量，这就需要同时进行赋值表征(图1)。

图1

2.4 赋值表征——分离变量

赋值表征过程即根据解决问题的要求，设置所需要的物理量，包括已知量、待求量和中间量，赋值的物理量应在示意图中表示出来。该试题的图像表征和赋值表征的结果如图1所示，在图1中，有的物理量是已知量，如最高点的速度为0，高度为h，重力为mg等；有的物理量是待求量，如力F；有的物理量是中间量，如速度v1、v2，拍球下落高度s等。在赋值表征过程中，学生需结合所学的物理知识和构建的物理模型，根据解题的需要进行赋值。

2.5 物理表征——选择规律

物理表征是确定解决问题需要使用的物理概念和规律并加以运用。在篮球自由下落的过程中，篮球做自由落体运动，可以选择自由落体运动的规律，也可以选择动能定理或机械能守恒定律；在篮球上升的过程中，篮球做竖直上抛运动，可以选择竖直上抛运动规律，也可以选择动能定理或机械能守恒定律。在拍球的过程中，因为给定了时间，可以选择牛顿第二定律、运动学公式，也可以选择动量定理。物理表征的过程，是学生将具体的问题与所学的概念和规律取得关联的过程。

2.6 方法表征——科学思维

方法表征是确定解决问题时需要运用的科学思维方法。篮球的运动经历多个过程，从图1可以看出，如果将篮球运动的过程按照时间发展顺序细分，篮球经历的子过程有5个；篮球自由下落、篮球上升、拍着篮球下落、篮球匀加速下落、篮球上升。供选择的过程不只是5个，因为还可以将两个过程合起来作为一个过程进行研究，这就需要科学的思维决策，根据需要选择合适的过程进行研究，而且过程与过程之间是有关联的。在该试题中，还要将不同的过程或状态进行比较，如将篮球下落的过程与上升的过程进行比较，将篮球落地前瞬间与反弹离开地面瞬间进行比较，将篮球两次与地面碰撞之间进行比较等。对于这些比较过程，不仅要求学生能分析清楚过程及过程的关联，还要求学生运用综合的思维方法，能从整体上把握不同过程之间的关联。

2.7 数学表征——表述规律

数学表征过程是展示解题思维成果的过程。可以说大多数的试题解析都是展示解题的思维成果，而非思维的过程。

3 结语

2019年教育部发布的《中国高考评价体系》指出：“情境是实现‘四层’考查内容和‘四翼’考查要求的载体，对考查和培养学生的物理学科素养具有关键作用”。[3]这里的“情境”与本文所述的“原始物理问题”有异曲同工之妙。各地高考物理试题中，出现了大量与生产实践、体育运动、科技前沿等方面紧密联系的真实情境，旨在考查学生灵活运用所学物理知识解决真实问题的能力，引导学生注重学以致用，这些试题设计巧妙，富有原始物理问题的味道。在高三物理复习备考中，教师应深入挖掘原始物理问题，以自组织表现理论为指导，引导学生按照正确的思维流程解决原始物理问题，以提升学生的物理学科核心素养。