巧用原始物理问题 优化习题教育

沈远帆

摘   要：阐述传统“习题教育”中存在的弊端，表明了“原始物理问题”对培养学生解决实际问题能力的重要性。并以“求高压锅气压”的习题教学为例，探索如何以原始物理问题为引，优化习题教育。

关键词：习题教育;物理习题;压力锅压力;原始物理问题

前言

2019年6月10号，一条“两车擦碰，73岁老人用物理推算自证无责！”的新闻挂上了热搜，新闻中讲述73岁的退休大学教授，5月31日駕车途经南京将军大道天元西路路口时，与另一辆车同时拐弯，双方在拐弯过程中有了轻微的擦碰。6月10号该教授找到当地民警，运用物理知识进行推算，自证无责，民警表示看不懂推算，但是监控显示教授确实是无责的。看到这条新闻，笔者开始反思，为什么经过初高中以及大学物理专业四年的学习，若我处于老教授当时的情境中，我依然无法像教授一样运用物理知识去解决实际的物理问题呢？虽然无法像教授一样能熟练运用所学知识去解决遇到的实际问题，但是对于教授的物理推导过程，看懂又是不费吹灰之力的。这其中的奥秘在于教授在进行物理推导之前先对“两车擦碰”这一原始物理现象经过模型建构，再进行抽象，设置物理量，使之从原本的客观物理现象描述转化为初高中课堂上常见的“物理习题”，而这种“物理习题”在高中课堂上已经演练了无数次。

1   “习题教育”的衍生及其弊端

“习题教育”是初高中课堂上以“物理习题”的分析和讲解为主的一种教育方式。有关该教育方式的衍生，首先从我国的教育现状说起。高考制度恢复之后，通过选拔性考试来选拔人才，以考试的成绩作为选拔人才的唯一指标。一分之差也许就决定着你能上重点大学还是一般本科或者是专科院校，由此便导致了“题海战术”的教育观念。甚至于高三会花将近一年的时间来进行以习题训练为主的总复习。其次从物理的学科特点讲起，物理的学科知识本身具有累积性、逻辑性和经验性。（1）学科知识的累积性：物理学的发展史太过于庞大，这庞大的发展史累积了数以万计的物理科学家智慧的结晶，而短暂的课堂教学不可能让学生处处去重历这个过程来累积知识点，因此通过“习题教育”这条捷径让学生消化物理学家几百年以来智慧的结晶，也就是基础的物理理论与物理知识。（2）学科知识的逻辑性：物理学科的知识体系建立在缜密的逻辑联系之上，而逻辑是学生无法用平常感官去体会的，它是特殊的心理活动过程，通过这个过程学生才能将新知识和旧经验联系起来。（3）学科知识的经验性：物理知识的经验性又是对物理教育的一大挑战。物理学科的学习强调亲身体验，强调在“做中学”。同样又是因为课时的限制，物理教育没有足够的时间留给学生对学科知识体系的构建进行深入详尽的“探究”。“因此，作为一种简约化的科学教育活动，物理教育要求学生进行必要的练习，于是，习题——一种练习形式便运应而生[ 1 ]。”

这种“习题教育”当中所选的习题以选拔性考试为主要目的，而选拔性考试的考题要统一标准、统一答案，由此针对考试的类型题——“物理习题”，当然也是同一个模式。而这种模式化教学、机械式训练，“缺乏科学思想的分析，太重视程序与计算、熟练与技巧 [ 2 ]。”与之不同的原始物理问题则是对物理现象最客观的描述，没有已知条件。解决问题的关键在于所需要的物理量需要学生自己从物理现象的描述中去提炼、设置，所要解决问题的模型也要自己建构。最终才是选用已学物理理论与物理知识进行推理和演算。原始物理问题具有生态性特点，物理现象以最原始的形式呈现，能够考查学生在自然、真实的条件下解决实际物理问题的能力;原始物理问题还具有探索性特点，原始物理问题的解决没有可套用的模板，“学生只能通过独立的思考、不断的试误来对问题进行探索，从而使学生踏上解决物理问题的探索之旅[ 3 ]。”;原始物理问题更具有趣味性特点，原始物理问题的原始性更加贴近学生生活、更加生动有趣，这就使得原始物理问题能够凭借问题本身来引起学生的兴趣，而学生在充分体验成功解决问题的喜悦后，便能将暂时性兴趣化为持久性兴趣，从而进一步增强学生的自我效能感。由此，才能最大限度地培养学生解决实际问题的能力。原始物理问题的解决过程最为重要的步骤就是对原始物理问题进行抽象，设置物理量，转化为适当的物理模型，物理习题则是由出题者代劳了这关键步骤，最终留给学生的只剩最后的套用模型进行演算，具体关系图可见图1。少了学生对物理模型建构的思维能力的培养，这一步就成为将来学生无法独立解决实际问题的鸿沟。就像前文所举例子中教授的推导过程最关键的一步便是对两车速度、地面摩擦系数、人的反应时间等等进行赋值，建构两车的运动模型，这也是使“两车擦碰”这个原始物理问题最终转化为初高中学生接触的普通习题的关键性步骤，而这一步骤正是传统“习题教育”所缺失的部分。如此培养出来的“解题高手”是解答“物理习题”的高手，而不是解决实际物理问题的人才。

2  例谈巧用原始物理问题优化习题教育

既然“习题教育”达不到最大限度地培养学生解决实际问题的能力，为什么还一直在“习题教育”的路上乐此不疲呢？答案不言而喻，因为“习题教育”便携快捷。为让学生在短时间内掌握物理知识点，“物理习题”必不可少。因此，考虑缩短“物理习题”与“原始物理问题”之间的鸿沟，利用原始物理问题为蓝本来优化习题教学，让学生在进行习题锻炼的时候增加把原始物理问题建构成物理习题的思维能力训练。以下以初中物理习题“求高压锅气压”为例进行阐述。

例：压力锅锅盖面积450 cm2，限压阀出气孔的横截面只为0.05 cm2，当锅内蒸汽达到2个标准大气压时，蒸汽对锅盖的压力是多大？当锅内蒸汽达到2.5个标准大气压时，锅内蒸汽刚好能顶开限压阀自动放气，则该压力锅限压阀的质量是多大？（g=10 N/kg，大气压为1.01×105 Pa）”

传统“习题教育”：讲解题目时让学生阐述题目考查的知识点。例题考查：①气压越高，沸点越高;②受力分析;③压强公式的变形式F=P×S;④G=mg的变形式m=G/g 。讲解完题目所考查的知识点后，找题目当中的已知量带入进行推导计算即可。

以原始物理问题为蓝本优化习题教育：（1）以2022年开年电视剧《开端》为引——“同学们，最近有没有听过电视剧《开端》，都说艺术源于生活，这《开端》也不例外，剧中的主角‘高压锅可不就是我们家庭常见厨具”（用当前热门电视剧引起学生兴趣，让学生参与到话题讨论中来）。（2）原始物理问题——在电视剧《开端》中“端锅大妈”利用普通家用高压锅自制炸弹炸毁了一辆公交车。而高压锅炸弹也并不是電视剧杜撰出来的剧情，早在2013年的波士顿马拉松爆炸案就是由高压锅引起的。而在《开端》播出后豆瓣上迅速集结了“高压锅爆炸”小组，共有5万名“炸友”，用惊心动魄的炸厨房故事讲述了被高压锅支配的恐惧。可见高压锅爆炸在现实生活中屡见不鲜（从学生感兴趣的电视剧慢慢过度到现实生活案例，描述客观物理现象的同时渗透“物理源于生活”的理念）。（3）引导学生提出问题——针对该物理现象，同学们有没有什么疑惑和不解的地方。例：初三总复习时的学生表示：“高压锅是厨房必不可少的帮手之一，它真的这么危险么？它的威力会相当于一个炸弹吗？”（学生提出的问题有可能千奇百怪，甚至有可能与物理不沾边，有限的课堂时间里只能选择其中较为有用的问题进行引导）。（4）教师引导：“要知道高压锅是否真的那么危险，那首先要知道高压锅的工作原理，知己知彼方能百战不殆”（引导学生从所学物理知识中提取有关知识用于解决问题，从易到难，高压锅的工作原理：“气压越高，沸点越高”）。教师引导：“高压锅运用‘气压越高沸点越高的原理来工作，在工作过程中，当锅盖面积一定时，随着锅内水的沸腾时间越来越长，水上方聚集的水蒸气也越来越多，锅内气压就越高，对锅盖产生的压力也就越大。因此当锅内气压大到一定程度时，把锅盖掀开也不是不可能的，所以确实存在一定的危险性。但是我们日常使用过程中只要注意火候问题是较少出现锅盖被揭开的情况，同学们可回想高压锅使用过程，思考为什么？”（让学生联系实际，回想生活中高压锅工作过程，自行引入限压阀的作用）。（5）让学生为解决问题罗列需要的已知条件——例如针对以上习题的问题“蒸汽对锅盖的压力是多大？”，教师从原始物理问题引导到物理习题问题后，再让学生思考要解决这个物理习题问题需要什么条件。经过上述引导，学生利用学过的物理知识，根据F=P×S不难得出：要求锅内蒸汽对锅盖的压力，需要知道锅内压强和锅盖的受力面积。此时教师再给出：“锅内蒸汽达到2个标准大气压”和“压力锅锅盖面积450 cm2”两个学生想要的已知条件让学生进行推导计算，即可解决问题。以此类推，要求限压阀的质量，则必须先求出锅内蒸汽达到2.5个标准大气压时对限压阀的压力，再依据二力平衡知识求出限压阀的重。

总结以上“以原始物理问题为蓝本优化习题教育”的过程可归纳为以下几个步骤。（1）根据“物理习题”以相应的“原始物理问题”为引。（2）引导学生对“原始物理问题”或是“原始物理现象”提出问题。（3）引导学生将提出的问题转化为“物理习题问题”。（4）让学生罗列解决“物理习题问题”所需要的条件。（5）最后给出学生想要的条件或是让学生根据生活常识假设所需条件，带入以往学习过的物理理论或是物理知识进行解答。在此过程中教师循序渐进的引导，相当于带着学生从原始物理问题一步步走向物理习题，解答物理习题的过程中同时也解决了原始物理问题。

3  结语

开始这种以原始物理问题为引的“改良版习题教育”方式会比传统的“习题教育”耗费时间更多，许多教师为了“应试”的目的还是更愿意选择传统的习题教学。针对这个问题给出三个“改良版习题教学法”的优点。（1）前文中也有说明了练习是必要的，但“以原始物理问题为引，优化习题教育”本质上并没有舍弃练习。只是让学生参与“原始物理问题”转化为“物理习题”的过程。虽教学时间更长，但是学生历经了上文图1中从“原始物理问题”到“物理习题”的过程，相当于学生就是出题者，既然学生是出题者，出题者还能不会做自己出的习题么？且不仅是一道题，就是该题的类型题、变形题，对参与这个过程的学生来说都不成问题，这样就达到讲解一道题相当于讲解一类题的效果了。（2）“以原始物理问题为引，优化习题教育”的模式一旦让学生养成习惯，学生便会以这种模式去应对每一道习题，在学习上达到事半功倍的效果。（3）利用原始物体问题为蓝本的习题教学法有着更为长远的目标——培养学生解决实际问题的能力。原始物理问题本身就是描述客观物理现象或是实际物理问题，只有让学生在学习过程中逐渐接触实际物理问题，学生在今后遇到实际物理问题才能有解决的突破口。“我们不能再惟考施教，应着眼于学生的能力发展，走出课堂，联系社会。因此，在教学中适时穿插一些物理原始问题对切实提高学生解决实际问题的能力显得尤为重要” [ 4 ]

参考文献

[1] 邢红军，陈清梅.对原始问题教学的思考 [J].中国教育学刊，2006（8）：67-69.

[2] 邢红军.中国基础教育课程改革：方向迷失的危险之旅 [J].教育科学研究，2011（4）：5-21.

[3] 邢红军.初中原始问题教学研究[M].北京：中国科学技术出版社，2016：21.

[4] 鲁植全.基于原始物理问题的初中物理教学初探 [J].物理通报，2019（10）：42.