中学物理问题教学的生态化研究是物理教学研究的新趋势,它要求在真实、自然的物理问题情境中研究原始的物理问题,所谓原始的物理问题,是指自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理现象和事实。而现行的中学物理问题编制与问题教学中,为了降低难度,常常把物理现象中的一些次要的细节、非本质的因素舍去,其情境是人为设置且条件控制严格,因而使物理教学情境的真实性受到破坏,使学生解答问题的认知心理与行为表现与解决具体实际问题的认知心理与行为表现相去甚远,直接导致物理教学的低能效,即常说的高分低能。
在问题编制与问题教学中出现生态化缺失现象主要有以下几种情况:一、问题情境消弭。二、问题情境虚伪。三、问题数据错位。这些现象在2010年的全国各地的物理高考卷中频频出现。
一、问题情境消弭。经过简化抽象,直接以理想化的模型代替物体实际的运动过程及状态;把物理过程的分析与物理模型的建构略去不谈,把物理问题解决过程转化为利用物理规律进行数学演算的过程。这样,显然不能培养学生解决实际物理问题的能力。
例1、(2010年安徽高考理科综合能力测试卷22题)质量为的物体在水平推力的作用下沿水平面作直线运动,一段时间后撤去,其运动的图像如图所示。取,求:
(1)物体与水平面间的运动摩擦系数;
(2)水平推力的大小;
(3)内物体运动位移的大小。
本题几乎没有具体的物理情景,也没有物理模型建构的分析过程,以图像向我们描绘了物体先做匀加速直线运动后做匀减速直线运动的理想化过程,接着要做的是对这两个过程应用匀变速运动规律与牛顿第二定律列方程解方程就可以了。
二、问题情境虚伪。描述的问题情境与物理实际的问题情境不符。命题人对物理问题的情境进行简化处理,以便使之与中学物理知识结构及学生的认知结构衔接,在简化处理过程中,由于命题人知识结构的缺失,或存在知识盲区,再加之其他主客观原因,造成了物理问题情境背离了问题本质。
例2、(2010年北京高考理科综合能力测试卷24题)雨滴(大云滴——笔者注以下同)在穿过云层的过程中,不断与漂浮在云层中的小水珠(小云滴——笔者注以下同)相遇并结合为一体,其质量逐渐增大。现将上述过程简化为沿竖直方向的一系列碰撞。已知雨滴的初始质量为m0,初速度为v0,下降距离l后与静止的小水珠碰撞且合并,质量变为m1。此后每经过同样的距离l后,雨滴均与静止的小水珠碰撞且合并,质量依次变为m2、m3……mn……(设各质量为已知量)。不计空气阻力。
(1)若不计重力,求第n次碰撞后雨滴的速度vn′;
(2)若考虑重力的影响,a.求第1次碰撞前、后雨滴的速度v1和v1′;b.求第n次碰撞后雨滴的动能vn′2。
本题物理问题情境的设置新颖、视角独到。但题中描述的雨滴形成过程与雨滴实际形成过程有较大的偏离:下面的小水珠(小云滴)是静止不动的么?
我们先谈谈雨滴是如何形成的?雨滴是由云“变”来的。雨滴的体积是云滴体积的100万倍。也就是说,要100万个云滴才能构成一个雨滴。在湿空气中,因冷却而凝结出云滴。对于云体温度高于0℃的暖云来说,云中存在大小不同的云滴,大云滴下降速度快,上升速度慢;小云滴下降速度慢,上升速度快。于是,由于大小云滴相对速度的差异,使得大云滴有机会与小云滴相撞,结果小云滴就合并到大云滴中去了。这样,大云滴不断地增大,又因为上升气流分布不均匀,大云滴可以在云中多次上下运动,再加上云内的湍流作用,大云滴增大的机会就增加,于是大云滴越来越大,直到上升气流托不住它,掉下来成为雨滴。
显然,下面的小水珠(小云滴)不是静止不动的,而是以较大的速度上升。
三、问题数据错位。人为设置的问题情境与待构建的物理模型之间数据关系勉强。主要表现在物理现象描述或编制的数据不能有效地促进学生分析物理问题,构建恰当的物理模型来解决问题。
例3、 (2010年江苏高考物理卷14题)在游乐节目中,选手需要借助悬挂在高处的绳飞越到水面的浮台上,小明和小阳观看后对此进行了讨论。如图所示,他们将选手简化为质量m=60kg的指点, 选手抓住绳由静止开始摆动,此事绳与竖直方向夹角=530,绳的悬挂点O距水面的高度为H=3m.不考虑空气阻力和绳的质量,浮台露出水面的高度不计,水足够深。取中重力速度, ,
求选手摆到最低点时对绳拉力的大小F;
若绳长l=2m, 选手摆到最高点时松手落入手中。设水对选手的平均浮力,平均阻力,求选手落入水中的深度;
若选手摆到最低点时松手, 小明认为绳越长,在浮台上的落点距岸边越远;小阳认为绳越短,落点距岸边越远,请通过推算说明你的观点。
本题问题情境有明显的缺陷有两处:
其一,绳长2米,选手身高1.7米左右,悬点到重心距离不可忽略,怎么能把人当做质点?人作为刚体,其较大的转动动能不可忽略。如果把问题情境改为科考队员去野外探险,绳长改为10米,题中不作任何提示,学生也能通过比较分析得出研究对象为质点,也就不存在本题所产生的不妥问题。
其二,题中已设定人在岸上,如果悬点位置不变,改变绳长,则开始时绳与竖直方向的夹角将变大;如果在保持绳开始时与竖直方向的夹角不变情况下改变绳长,则需把悬点上移,从而也改变了悬点离水面的高度,这两种情况都不利于本题第三小题的深入分析与讨论。
在高考试题中出现生态化缺失现象,说明物理问题教学生态化没有受到足够的重视,其缺失的危害性更没有引起大家足够的警觉。这是因为大多数人对物理学习存在陈旧老套的认识:认为学习物理就是应用已给的物理模型套公式,做题目,题目做多了,分数上去了。考试分数虽然上去了,但解决实际物理问题的能力却得不到提高。如果没有分析研究具体的物理问题,没有学会在纷繁复杂的物理现象中构建具体的物理模型,并在模型的基础上形成解决物理问题的方法。如此下去,又怎能谈得上提高解决物理问题能力呢?