論原始物理問題的教育價值及其啟示

1、論原始物理問題的教育價值及其啟示摘要：物理學的根源是物理現(xiàn)象，從這一根本觀點出發(fā)，深化分析目前我國物理教育中存在的問題，根據(jù)杜威的經(jīng)歷組織原那么、皮亞杰的建構主義理論和生態(tài)學運動的要求，提出以原始物理問題教學作為整個物理教育思想和教育方法改革打破口的理論觀點。在物理教育中，與演算對應的物理教育方式是物理習題教學，而與物理現(xiàn)象對應的物理教育方式那么是原始物理問題教學，原始物理問題具有特有的教育價值。這不僅深化了對于物理教育理論與理論的認識，也在一定程度上對物理教育改革具有很好的啟示作用。關鍵詞：物理現(xiàn)象；原始物理問題；物理演算；物理習題一、問題的提出自物理學進入我國一個多世紀以來，我國在物理學的

2、教育和研究中獲得了世人矚目的成就。但是，我們又存在明顯的缺乏。其中之一，建國五十多年來，我國還沒有諾貝爾獎獲得者，這是一件令人非常遺憾的事情。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，筆者認為，除了歷史根源與經(jīng)濟根底的差距以外，還有一個重要的原因，這就是物理教育思想和物理教育方法的落后。怎樣改變傳統(tǒng)的物理教育方法？楊振寧先生認為：“這涉及整個社會風氣，因此是件困難的事。這件事假如做成功，也是一種革命。這是個比在一門學問里面創(chuàng)造新的學問還要難得多的事。1(469)楊先生高屋建瓴地指出了物理教育思想和物理教育方法改革的重要價值和意義。有鑒于此，本文從物理學的根源是物理現(xiàn)象的根本觀點出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)代認知心理學已有的成果

3、并結合物理教育的特征，提出了以原始物理問題教學作為整個物理教育思想和物理教育方法改革打破口的理論觀點，希冀對我國當前的物理教育改革以有益的啟示。二、原始物理問題的理論淵源我國物理教育的有效性如何？楊振寧認為：“中國過去幾十年念物理的養(yǎng)成了念死書的習慣。整個社會環(huán)境、家長的態(tài)度、報紙的宣傳都一貫向這個方向引導。其結果是培養(yǎng)了許多非常努力，訓練得很好，知識非常扎實的學生，可是他們的知識是片面的，而且傾向于向死的方向走。這是很有害的。2(8)為什么中國學物理的學生都養(yǎng)成了念死書的習慣？楊振寧分別從教學方法和學習方法兩個方面進展了深化分析。對于我國的物理教學方法，楊振寧指出：“中國如今的教學方法，同我

4、在西南聯(lián)大時仍是一樣的，要求學生樣樣學，而且教的很多、很細，是一種填鴨式的教學方法。這種方法教出來的學生，到美國去，考試時一比擬，馬上就能讓美國學生輸?shù)靡凰?。但是，這種教學方法的最大弊病在于，它把一個年輕人維持在小孩子的狀態(tài)，老師要他怎么學，他就怎么學。1(839)對于我國學生學習物理的方法，楊振寧同樣提出了鋒利的批評：“美國學物理的方法與中國學物理的方法不一樣。中國學物理的方法是演繹法，先有許多定理，然后進展推演；美國對物理的理解是從現(xiàn)象出發(fā)，倒過來的，物理定理是從現(xiàn)象歸納出來的，是歸納法。演繹法是學考試的人用的方法，歸納法是做學問用的方法。1(467)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因何在？楊振寧認為

5、：“很多學生在物理學習中形成一種印象，以為物理學就是一些演算。演算是物理學的一局部，但不是最重要的局部，物理學最重要的局部是與現(xiàn)象有關的。絕大局部物理學是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學的根源。一個人不與現(xiàn)象接觸不一定不能做重要的工作，但是他容易誤入形式主義的歧途；他對物理學的理解不會是切中要害的。2(9)楊振寧關于“現(xiàn)象是物理學根源的觀點可謂單刀直入，切中要害。他以自己深沉的物理學養(yǎng)，啟人心智，指點迷津。然而，把這種抽象的物理教育思想轉變?yōu)榭刹僮鞯奈锢斫逃绞揭膊⒎鞘且患唵蔚氖虑?，還需要創(chuàng)造性的工作。從楊振寧的根本思想出發(fā)，我們認為，在物理教育中，與演算對應的具有可操作性的物理教育方式是物理習題

6、教學，而與物理現(xiàn)象對應的具有可操作性的物理教育方式那么應當是原始物理問題教學。簡言之，解決我國物理教育低效能的根本措施就是要在物理教育中打破習題教學一統(tǒng)天下的傳統(tǒng)場面，通過引進原始物理問題來逐步取代物理習題，從而到達進步物理教育效能的目的。所謂原始物理問題，是指自然界及社會生活、消費中客觀存在且未被加工的物理問題；而物理習題那么是指從實際問題中經(jīng)人為加工出來的物理問題。兩者的關系如圖1所示。3值得注意的是，長期以來，我國的物理教育根本上局限在圖1所示的虛線框內(nèi)。因此，傳統(tǒng)的物理教學就在原始物理問題與物理習題之間形成了一條鴻溝，致使很多學生只知道根據(jù)條件去解題，遇到實際問題那么常常束手無策。其實

7、，早在1983年，趙凱華先生就已發(fā)覺這個問題。他指出：“在我們的教學中，同一問題，既可以把原始的物理問題提交給學生，也可以由老師把物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學模型后再提交給學生。習慣于解后一類問題的學生，在遇到前一類問題時，往往會不知所措。4應當說，明確提出原始物理問題與物理習題之間的區(qū)別是有重要的理論意義和現(xiàn)實意義的。遺憾的是，這種物理教育思想并未徹底貫徹下去。對于如何教誨學生學好物理學，趙凱華認為：“我們反對題海戰(zhàn)術，反對針對某類考試或題庫的應試教育。但是做題畢竟是學生學習過程中比擬主動的環(huán)節(jié)，學習物理，不做習題是不行的。但做習題不在于多，而在于精。5顯然，這又回到傳統(tǒng)物理教育的道路上了

8、。物理習題形式不僅影響著物理教學，而且也反映在物理高考的命題指導思想上。比方，物理高考命題委員會就認為：“我們主張要做題，但并不贊成搞題海戰(zhàn)。因為題海戰(zhàn)盲目追求解題的數(shù)量，不重視解題的質(zhì)量，使學生根本來不及對習題以及與習題有關的問題進展考慮。6(258)由此可見，在我國物理教育飛速開展的今天，反思和改革我國物理教育理論與理論中存在的問題，已為時不早。三、原始物理問題的理論建構在物理教育中開展學生的才能，始終是物理教育理論和理論的一個重要問題。如何正確地認識和處理這個問題，越來越引起人們的關注，并把它置于物理教育教學改革的核心地位。然而，在開展學生的才能問題上，仍然還有一個根本問題至今未能得到很

9、好解決，這就是知識傳授與才能培養(yǎng)之間的矛盾。這個問題對于才能的培養(yǎng)具有重要的作用，因此，在一定程度上影響了教學的開展。最早提出這個問題的是美國教育家杜威。杜威一向反對將專家編就的以完好邏輯體系為表現(xiàn)形式的教材作為教育的起點，認為必須以學生個人的直接經(jīng)歷為起點。因此，他主張以“教材心理化來解決此問題。這就需要把各門學科的教材和知識恢復到原來的經(jīng)歷，恢復到它所被抽象出來的原來的經(jīng)歷。這種心理化就是把間接經(jīng)歷轉化為直接經(jīng)歷，即直接經(jīng)歷化，這個過程實際上就是杜威反復強調(diào)的經(jīng)歷組織原那么。7我們認為，杜威關于“把知識恢復到它所被抽象出來的原來經(jīng)歷的觀點有著重要的理論價值，它啟示我們：完全由經(jīng)過抽象的系統(tǒng)

10、間接經(jīng)歷所構成的傳統(tǒng)課程和教材對于學生獲取知識是有效的，但對于學生才能的培養(yǎng)卻常常不令人滿意。然而，完全采用直接經(jīng)歷來進展教學亦會產(chǎn)生新的弊端。也就是說，經(jīng)歷的恢復是必要的，但需要應用于恰當?shù)臅r機和場合。在這一問題上，皮亞杰的建構主義理論可以給我們以新的啟示。皮亞杰認為，認知開展是一個主體的自我建構過程，皮亞杰所謂的“建構，即構造圖式建造之意。而這種建造的本質(zhì)即歸結為主客體之間的互相作用。按照這一理論，皮亞杰把認知的內(nèi)向開展稱為內(nèi)化建構而把外向開展稱為外化建構，兩者合稱雙重建構。8內(nèi)化建構是把知識構造從外部層次、外部平面投射到主體的內(nèi)部層次、內(nèi)部平面上去，如實物運算內(nèi)化為概念運算。外化建構那么

11、是把主體內(nèi)部的圖式投射到外部層次、外部平面上去，如運用所學知識進展因果解釋，并將根據(jù)這種因果解釋作出的技術設計外化為實際的技術創(chuàng)造等。從皮亞杰的雙重建構理論出發(fā)，我們認為，在實際的物理教育中，老師向學生傳授大量經(jīng)過抽象的系統(tǒng)間接經(jīng)歷過程，本質(zhì)上是一個認知的內(nèi)化建構過程。而我們目前的物理教育，已經(jīng)在相當程度上對內(nèi)化建構給予了足夠的重視。因此，“我國的老師都習慣于把知識組織得井井有條，對課程內(nèi)容的每個細節(jié)作詳盡的講解，對學生可能發(fā)生的誤解一一予以告誡。把所教內(nèi)容都講深講透，不給學生課后留下疑難。9學生的聽課、做題、考試等環(huán)節(jié)都是圍繞著內(nèi)化建構而展開的，而外化建構卻根本上被無視了。外化建構是學生把在

12、課堂上所學知識用來解決物理問題的過程。應當明確指出，學生解答物理習題的過程并不是認知的外化建構過程，而是認知的內(nèi)化建構過程。對此，楊振寧指出：“僅僅讀很多的書，從老師那里學到很多知識，做很多習題，只能說是訓練獨立考慮才能的一半。而另一半的方法是復雜的，不是每個學生都能采納同樣的建議或勸告，這個方法要靠自己去探究。10顯然，楊振寧所說的前者是指認知的內(nèi)化建構，而后者即指認知的外化建構。我國教育缺乏對學生認知外化建構的重視是歷史上一直存在的問題，而尤為嚴重的是，這樣造成的問題，在中小學教育完成后的一段時間內(nèi)還不能顯現(xiàn)出來。到研究生期間，創(chuàng)造性才能問題才明顯暴露出來。對此，美國華盛頓大學的饒毅教授從

13、中西方比擬教育的角度評價道：“到國外留學的研究生，很多在創(chuàng)新才能方面有明顯缺乏，常常是只能在別人指導下做研究而不能獨立工作或指導一個實驗室創(chuàng)始自己的方向和領域。也就是說，由中國中小學教育提倡、培養(yǎng)和選拔出來的好學生的心態(tài)、思維習慣和行為形式到進入科學研究前沿時，就暴露出很大問題。11因此，在物理教育中加強學生認知的外化建構訓練，其意義是深遠的。在物理教育中提出原始物理問題理論建構的理由還在于，20世紀80年代西方學術界興起的生態(tài)學運動elgialveent對于物理教育產(chǎn)生了不可無視的影響。生態(tài)學是19世紀末在生物科學中成長起來的一門科學，它的研究對象是生物個體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)。其研究任務

14、是探究有機體與環(huán)境之間互相作用的規(guī)律及機理，研究生物的生存條件以及生物與其生存環(huán)境之間的互相關系。在研究方法上，生態(tài)學家一般采用描繪性分析方法，即先對現(xiàn)象進展描繪，而后再作分析。12在物理教育中強調(diào)生態(tài)性，乃是源于物理習題教學形式固有的局限性。我們知道，物理習題教學形式具有許多明顯優(yōu)點。然而，隨著物理教育研究的深化，物理習題教學形式固有的缺陷即人為性日益暴露出來。由于物理習題情景是人為設置且條件控制嚴格，因此使物理教育情景的真實性受到破壞，使學生在解決物理習題時的認知心理及行為表現(xiàn)與解決實際物理問題時的認知心理及行為表現(xiàn)相去甚遠。這樣，就削弱了物理教育特有的教育價值并最終導致了物理教育的低效能

15、。總之，原始物理問題教學使物理教育從純粹的知識傳授形式中走出來，進入物理知識傳授與應用相結合的新階段，這使得物理教育更加符合其培養(yǎng)目的。它拓展了人們的物理教育視野，拓寬了物理教育的范疇，進一步增進了人們對于物理教育本質(zhì)的理解與認識，從而有助于真正實現(xiàn)物理教育的目的。轉貼于論文聯(lián)盟.ll.四、原始物理問題的教育價值在物理教育中運用原始物理問題進展教學，具有以下教育價值。一契合學生的直接經(jīng)歷和間接經(jīng)歷現(xiàn)代教學論認為，教學過程中必須處理好學生獲取直接經(jīng)歷與獲取間接經(jīng)歷的關系，防止出現(xiàn)無視系統(tǒng)知識傳授或無視直接經(jīng)歷積累的傾向。而在傳統(tǒng)的物理教學過程中，往往只強調(diào)了圖1中所示的虛線局部，這確實促進了學生

16、間接經(jīng)歷的積累，但卻略去了由實際問題到抽象問題的過程，而該過程對于學生直接經(jīng)歷的獲取，恰恰是至關重要的。因為原始物理問題與物理習題的最大區(qū)別在于：原始物理問題的呈現(xiàn)形式是對物理情景的描繪，沒有物理習題中常常有的量、未知量，需要學生自己去抽象，自己去設置。因此，從本質(zhì)上說，物理習題教學是學生運用間接經(jīng)歷知識解決間接經(jīng)歷問題，而原始物理問題教學那么是學生運用間接經(jīng)歷知識解決直接經(jīng)歷問題。比方，在有日光燈的房間里開、關電風扇時，其扇葉看起來有時是靜止的，有時是正向轉動或反向轉動的。如何來解釋這一現(xiàn)象？原來，由于日光燈是一個頻閃光源，當其通以頻率為50赫茲的交流電時，每秒亮100次，暗100次。對于普

17、通的三扇葉電扇，在光亮的瞬間我們看到扇葉位于某一位置，等到下次光再亮時，假如扇葉恰好轉過120或其整數(shù)倍，由于三片扇葉的外觀一樣，那么我們看到的位置也就和上次光亮時一樣，所以看起來扇葉靜止。假如在兩次連續(xù)光亮的時間內(nèi)扇葉所轉過的角度比120稍小或稍大，就會看到扇葉反向或順向轉動。顯然，這樣的原始物理問題就較好地表達了契合學生的直接經(jīng)歷和間接經(jīng)歷的作用。二促進科學方法教育近年來物理教育開展的一個重要取向是，強調(diào)科學方法在學生學習物理中的作用。比方，物理課程標準就把“過程與方法作為課程的目的之一，使其和“知識與技能、“情感、態(tài)度與價值觀并列，13這進一步表達了人們的物理教育理念有了新的開展?？茖W方

18、法與科學知識在本質(zhì)上是統(tǒng)一的。但嚴格說來，兩者又有不同的特點?？茖W方法與科學知識不同，它所涉及的不是物質(zhì)世界本身，而是人類認識物質(zhì)世界的途徑與方式，是高度抽象的?？茖W方法也不直接由學科的知識內(nèi)容來表達，而是有它自己獨特的表達方式，它往往隱藏在知識的背后，支配著知識的獲取和應用。正是因為科學方法的這些特點，使得科學方法既不易學習，又不易掌握。而原始物理問題那么恰好為科學方法教育搭建了一個理想的“平臺。由于原始物理問題貼近現(xiàn)實生活，客觀而真實地反映了我們這個日新月異的時代，因此，在原始物理問題教學中，學生就可以在老師的指導下，首先運用分析、綜合、抽象、概括等科學方法將原始物理問題轉化為物理習題，然

19、后再運用假設、類比、等效模型、近似等科學方法去進一步解決問題。比方，高中物理教材“共振一節(jié)有這樣一段闡述：“輪船航行時，假如所受波浪沖擊力的頻率接近輪船搖擺的固有頻率，可能使輪船傾覆。這時可以改變輪船的航向和速度，以使波浪沖擊力的頻率遠離輪船搖擺的固有頻率。14事實上，現(xiàn)實生活中就有這樣的原始物理問題。?中國青年報?1990年12月25日報道了我國前往南極的科學考察船“極地號上發(fā)來的專電“極地號啟動減搖裝置慢速航行。報道稱：“隨著西風帶的離去，船體擺動愈發(fā)劇烈，船體橫搖已達15，最高達27為了減小船體搖動，船上已采取了新的減搖措施，為此航速已減至10節(jié)。怎樣來解決這樣一個原始物理問題？按照由特

20、殊到一般的認識規(guī)律，先來看兩種特殊情況。a船的速度方向和波浪傳播的方向在同一直線上；b船的速度方向和波浪傳播的方向垂直。a設船的速度為u，波浪的速度為v，那么波浪相對船的速度v=v-u，式中u正方向與v一樣。波長相對運動著的船不變，故=，波浪相對船的頻率b此時波浪相對船的速度v=v,波速是波的傳播速度，在垂直其傳播方向上觀察，觀察者的運動不影響結果，故=，波浪相對船的頻率任意方向的速度總可以分解成a和b兩種情況，由此可以得到一般結果。當船以速度u與波浪傳播方向成角航行時，輪船受到波浪沖擊力的頻率為輪船在海里航行時，要盡量防止f與輪船搖擺的固有頻率接近，以免發(fā)生共振。而后者一般是確定的，因此，人

21、們往往通過改變輪船的航向和速度以到達使兩者遠離的目的。研究一下上述原始物理問題的解決過程，我們不難發(fā)現(xiàn)其中運用了物理模型的方法。而在物理模型建立中，又使用了歸納推理的科學方法。所以，通過對原始物理問題的不斷理解、積累和熟悉，就能使學生形成一種借助于科學方法獲取科學知識的心理定勢。這樣，學生就可以以快捷的速度去獲取知識，進而通過在頭腦中形成認知構造，深化地領會和掌握知識，結實地記住知識。還可以使學消費生一種對問題的敏感性，并可以用科學方法迅速地抓住問題的要害，找出解決問題的途徑。三培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維傳統(tǒng)的物理習題教學，往往與物理現(xiàn)象相脫離，使學生處在模型和模塊的包圍之中，滿腦子的小球、輕桿、木

22、塊、斜面，卻往往不問其生活源頭，感受不到物理現(xiàn)象真實與鮮活的一面，久而久之便桎梏了創(chuàng)造性思維的開展。而原始物理問題由于具有生態(tài)性和開放性等特點，就決定了原始物理問題的解決過程必然是探究和創(chuàng)造的過程。面對一個信息龐雜、客觀真實的原始物理問題，學生找不到可以拿來仿效的原型，也沒有既成的經(jīng)歷可以作為指導，只能通過獨立考慮，不斷嘗試，對問題進展探究。當學生遠離他們熟悉的物理習題后，他們的思維將脫離線性的平衡狀態(tài)而進入非線性的耗散構造狀態(tài)。例如，當學生學習了牛頓第三定律和動量定理之后，可以給學生提出這樣一個原始物理問題。日常生活中打雞蛋時，假如左手握住一只雞蛋不動，右手拿一只雞蛋去撞它兩只雞蛋都是一樣的

23、堅硬，并且是用同一局部互相碰撞，哪一只雞蛋更容易被撞破？是被撞的那一只呢，還是去撞的那一只？或者兩只被撞破的幾率一樣？這是一個看似簡單其實并不容易解釋的問題，因此可以很好地訓練學生的創(chuàng)造性思維。研究撞蛋問題很有現(xiàn)實意義。因為在交通事故中人腦的損傷狀態(tài)與那只“運動著的蛋頗為相似。假設將人的頭顱比做雞蛋，那么顱骨就像蛋殼，腦漿就像蛋清，腦髓就像蛋黃。一旦頭部受到強烈撞擊，腦髓就要撞擊顱骨內(nèi)側，因此很容易引起腦震蕩或腦血腫；即使顱骨不破裂，腦髓也會受到損傷。根據(jù)“耗散構造理論，非平衡是有序之源。我們的思維之所以不斷深化，是因為在大腦的認知過程中，原來圖式構造的平衡狀態(tài)被外來的刺激所打破，發(fā)生了“同化

24、或更深化的“順應作用，使原來的圖式得到充實或改革，到達新的程度和新的平衡。物理習題和原始物理問題的區(qū)別就在于，前者很難打破學生思維中的平衡狀態(tài)，而后者那么刺激學生的思維，使之遠離平衡狀態(tài)，從而到達培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的目的。四推進物理高考的改革我們目前的物理高考，采用的仍然是物理習題考察方式。對于這種考察方式，物理高考命題委員會認為，由于高考的規(guī)模、形式及社會、經(jīng)濟等等因素的影響，目前的高考無法有效地考察學生所應具備的全部才能，其中有些對測定和評價學生的根本素質(zhì)和將來開展?jié)撡|(zhì)是相當重要的。6(90)為了理解學生在這些方面的才能程度，物理高考命題委員會曾于20世紀90年代，在重慶市和山東省的16所

25、生源較好的中學進展過物理高考科研知識與才能程度測試。這些測試包括用文字對物理問題進展論證和解釋等形式。結果，考試的得分率很低平均只有0.29，且測試結果與平時成績的相關幾乎為零-0.06。由于平時成績與高考是親密相關的，這也在一定程度上說明，目前的高考確實沒有將學生在這些方面的才能更有效地考察出來。6(91)物理高考命題委員會認為：“測試的這一結果恰好揭露了高考命題中的一個矛盾。假如希望將學生的真正才能程度考出來，到達較好地區(qū)分學生的目的，應該多用一些考核才能很有效的題目。但用這樣的題目考試的結果，會使平均成績下降。這會對中學物理教學的現(xiàn)狀造成沖擊。影響如何，值得研究。6(92)這反映了物理高考命題委員會投鼠忌器的兩難心理。我們認為，物理高考改革的方向就是要逐漸用原始物理問題來取代物理習題對學生進展考察。這不僅能將學生的真正才能程度考察出來，從而區(qū)分不同才能程度的學生，而且真正能發(fā)揮高考對中學物理教學的引導作用。這是因為，物理概念和規(guī)律只有在原始物理問題中才有生命力，才能顯示出其內(nèi)涵、色彩、風格，才能顯示出其內(nèi)在的理由、作用和功能，學生學習過的物理概念和規(guī)律才能真正活起來，這樣才能進步學生學習的效率。通過一定數(shù)量的原始物理問題訓練，當學生在解決實際物理問題時，各種各樣解決問題的策略就可以迅速地檢索而無需搜腸刮肚地對照做過的題型，才有可能在處理前一個步驟時就能在大腦中