从“物理现象”入手提高学生解决实际问题的能力一例

物理学是一门研究物质、能量及其相互作用的科学，它注重对物质世界普遍而基本的规律的探索，与生活实际、实验有很密切地联系。同时，物理学科又是比较抽象的，它的许多基本概念、基本规律是理想化的、理论性非常强的。使学生具备应用物理知识解释生活中的现象、解决生产和生活中的实际问题的能力，是中学物理教学和高考所要考察的重要目标之一。
　　
　　一般认为，“物理问题”是从“物理现象”抽象、归纳出来。所谓物理现象是指自然界及生活、生产、科研中客观存在的，未被加工的实际问题。而物理问题是指从实际问题中分解、简化、抽象，经过加工出来的共性问题；在学生阶段，它就相当于“物理习题”。传统的物理教学，物理知识的运用主要是解答物理习题，即只注重要求学生对知识本身的掌握和应用。虽有些题目在不同程度上考查学生对物理知识实际应用的掌握，但往往也是直接给出简化后的研究对象或物理场景，以至于学生习惯了较为复杂地运用系统的理论推导去处理那些已被抽象成、分解成一定数学模型的理想问题。这类题目都没有要求学生通过实际的情景自己把问题找出来，得出解决问题的方法，这就导致了学生在理论联系实际的能力方面的缺陷。一旦，面对实际一点的过程和不甚复杂的实际问题时就不知所措，无从入手，实际上这是一种能力素质发展的不平衡现象。
　　
　　究其原因，主要是学生缺乏对物理现象和物理场景作理想化处理的方法和能力，难以将实际情景与相应的物理模型建立联系。下面是运用一道原始物理问题对学生测试的结果。
　　
　　题目：《乒乓世界》1984年第2期上《球拍触球时间的记录》一文公布了关于乒乓球触拍时间的一个实验资料，发现在重打和轻打两种情况下，球拍(无论木拍或海绵拍)触球时间相同。请给出解释。
　　
　　测试对象为河南省南阳市重点中学某班物理成绩排在前十名、已经学完振动知识的高三学生。学习振动这部分知识时，教师特地补充了弹簧振子的周期公式。测试结果却令人吃惊，这十名能熟练解决物理习题的同学，面对这么一个实际问题，竟不知用什么物理知识做出合理的解释。五名同学用到动量定理的知识，另四名同学分别用到牛顿第二定律、匀变速直线运动位移公式、自由落体公式、动能定理，只有一位同学从题目描述的现象中抽象出了简谐振动的模型，尽管表述不够简练，对木拍和海绵拍触球过程的差别没有提到，但还是对重打和轻打球触拍时间相同做出了较为合理的解释。为了排除学生没有掌握相关知识造成的干扰，接着又通过下面两道和其知识点平行的物理习题对学生实施测试。
　　
　　【例1】如图1，一劲度系数为k的轻质弹簧固定于左侧的墙壁上，一质量为m可视作质点的小球在光滑的水平面上以一定的速度向左运动。小球和弹簧正好在一条直线上，两者将会发生碰撞。求小球从接触弹簧到与其分离所需的时间。
　　

　　【例2】如图2，一劲度系数为k的轻质弹簧和一质量为m可视作质点的小球固定在一起，现以一定的速度在光滑的水平面上向左运动，途中将和左侧的墙壁碰撞。求小球一弹簧系统从接触墙壁到与其分离所需的时间。
　　
　　从这两道习题的作答情况看，学生还是有较强的解题能力。九名同学能够把图l的情形对应到弹簧振子模型，得出所需时间正好为半个周期。图2的情形由于和弹簧振子模型外形差别较大，只有六名同学正确做出。
　　
　　学生解答原始物理题目和后两道习题的能力相差悬殊，说明学生已经习惯了理想化的物理模型，一旦让他们面对实际问题就乱了方寸，不知如何下手。解答原题目，关键是从题中描述的现象中抽象出弹簧振子的模型：球触拍的时间正好为简谐振动的半个周期；重打和轻打，相当于振子在平衡位置时速度不同；球和球拍一定的情况下，周期一定，重打和轻打触拍时间也应相同。海绵拍(拍的形变是主要因素)的触球过程相当于图1的情形，木拍触球(球的形变是主要因素)的过程相当于图2的情形。
　　
　　解答本文中的原始物理题目，必须有一定的实际知识，才知道题目涉及的物理知识；其次是能够想象出题目所描述的情景，找出与其相应的物理模型；再就是通过分析，找出所需要解决的问题与所学过的物理知识的联系，用恰当的知识来解题。否则，即使是简单的联系实际的问题，对学生来说也是难题。问题与什么物理知识有联系，应该应用什么物理概念和规律，采用什么物理模型解决问题，并不一目了然，需要解题主体对问题条件及其相互关系进行综合考虑，深化、活化对物理概念、规律的理解，进行概括和抽象，推理和联想，并将已经掌握的知识和方法进行有效迁移，才能解决问题。
　　
　　瑞士心理学家皮亚杰认为：智力发展是一个主体的自我建构过程，即认知图式的进化过程。该过程具有两个方面，即同化和顺应，同化是指主体将其所遇到的外界信息直接纳入自己现有的认知结构的过程；顺应是指主体通过调节自己的认知结构，以使其与外界信息相适应的过程。即内化建构和外化建构，两者合称双向建构。双向建构理论对物理教学的启示是，教学不仅是促使学生“同化于己”的认识内化建构的过程，而且也是促使学生运用所学的知识去解决实际问题的“顺化于物”的认识外化建构过程。只有二者协调发展，才能够更好地提高教学质量，促进学生的全面发展。在我国现阶段高中物理教学中，无论是知识的讲授，还是巩固，其实质都是认识的内化建构过程。目前的物理教育都是围绕着内化建构而展开的，对于外化建构基本上被忽视了。如何寻找出更好的方法来改变这种现状，从物理现象是物理学的根源这一原理出发，物理教学应该以物理现象为依托，寻找有效途经，培养学生解决实际问题的能力。而原始物理问题即实际问题又是物理现象的良好载体，为此如何有效地将原始物理问题引入教学，使我国的中学物理教学效率得到大幅度的提高，是一件值得思考和探索的事情。