原始物理问题

“国培计划”2013——示范性远程培训项目原始物理问题教学首都师范大学邢红军博士教授博士生导师2013．4．一.概况二.已做的工作三.表征理论四.测验工具五.双峰分布六.最新的进展七.原始物理问题解决的案例八.解决原始问题的思维过程研究一．概况2003年以来，我们认识到原始物理问题的重要价值与意义，发展出一个新的物理教育研究领域——原始物理问题教学理论。•一个值得所有物理教师深思的问题•我们培养的学生到底是什么样的学生？•我们是否要反思我们的物理教学？69•来自台湾的清华大学工程物理系教授程曜有感于在清华大学讲课的体会，在《新华每日电讯》上发表文章：这些清华的大学生，像是只会考试的文盲，除了考试，他们不会推理，不敢提问，不愿动手。课本里没有的他们不会，他们不会将上课的知识应用到日常生活中，因为这些知识只是用来考试的。68他呼吁：全社会都来救救这些孩子，把他们的思想紧箍咒拿掉，让他们开始思考。杨振宁：我国物理教育的有效性如何？杨振宁教授认为，“中国过去几十年念物理的养成了念死书的习惯。整个社会环境，家长的态度，报纸的宣传都一贯向这个方向引导。其结果是培养了许多非常努力，训练得很好，知识非常扎实的学生，可是他们的知识是片面的，而且倾向于向死的方向走。这是很有害的。”67•为什么中国学物理的学生都养成了念死书的习惯？杨振宁教授分别从教学方法和学习方法两个方面进行了深入分析。对于我国的物理教学方法，杨振宁教授指出，“中国现在的教学方法，同我在西南联大时仍是一样的，要求学生样样学，而且教的很多、很细，是一种‘填鸭式’的教学方法。这种方法教出来的学生，到美国去，考试时一比较，马上就能让美国学生输的一塌糊涂。但是，这种教学方法的最大弊病在于，它把一个年轻人维持在小孩子的状态，老师要他怎么学，他就怎么学。”66•对于我国学生学习物理的方法，杨振宁教授同样提出了尖锐的批评。“美国学物理的方法与中国学物理的方法不一样。中国学物理的方法是演绎法，先有许多定理，然后进行推演，美国对物理的了解是从现象出发，倒过来的，物理定理是从现象归纳出来的，是归纳法。演绎法是学考试的人用的方法，归纳法是做学问用的办法。”65•出现这种现象的原因何在？杨振宁教授认为，“很多学生在物理学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的。绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源。一个人不与现象接触不一定不能做重要的工作，但是他容易误入形式主义的歧途；他对物理学的了解不会是切中要害的。”可谓单刀直入，切中要害。64•从杨振宁教授的基本思想出发，我们认为：在物理教育中，与演算对应的具有可操作性的物理教育方式是物理习题教学，而与物理现象对应的具有可操作性的物理教育方式则应当是原始物理问题教学。简言之，解决我国物理教育低效能的根本措施就是要在物理教育中打破习题教学一统天下的传统局面，通过引进原始物理问题来逐步与物理习题相结合，从而达到提高物理教育效能的目的。63•赵凯华认为：在我们的教学中，同一问题，既可以把原始的物理问题提交给学生，也可以由教师把物理问题分解或抽象成一定的数学模型后再提交给学生。习惯于解后一类问题的学生，在遇到前一类问题时，往往会不知所措。62•赵凯华还说：学习物理，不做习题是不行的。但做习题不在于多，而在于精。62物理教育的现状：着眼于推演，落脚于习题，物理教育与物理现象相脱离，物理教育效能不高。基于物理教育的现状，我们发展出了一个有效改变物理教育低效能的理论：—原始物理问题教学理论61原始物理问题的定义定义：原始物理问题是对物理现象的描述。指自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的典型物理现象和事实。物理习题的定义定义：物理习题是对物理现象的抽象。指自然界及社会生活、生产中客观存在且已被加工的典型物理现象和事实。一个基本观点原始物理问题属于问题（没有已知条件）物理习题属于习题（有已知条件）二者具有原则性的区别《物理课程标准》说，一个好的习题就是一个科学的问题。？•杨振宁的观点：物理学的根源是物理现象•爱因斯坦科学思维过程理论：科学思维的开始和终结都是超逻辑（直觉）思维，只有中间过程是逻辑思维•教育生态学：强调在真实、自然情境中研究教育规律以及学生的心理活动规律，强调提高教育活动的可应用性和普遍适用性，建立合理的教育生态环境，提高教育的效益，促进人才迅速成长和发展。理论基础60•爱因斯坦的科学思维过程理论认为，科学思维的开始和终结都是超逻辑（直觉）思维，只有中间过程是逻辑思维。我们认为，习题教学“掐头去尾烧中段”，没有给学生提供真实的问题情境，只侧重了演算环节和推导环节，缺少了问题的始末两个环节，直接导致了科学思维开始和终结直觉思维的缺失。57教育生态学：•习题的人为性这一固有缺陷，削弱了科学教育特有的教育价值，难以揭示真实、自然条件下的科学教育规律，所以在科学教育中强调生态性是有必要的。我们主张，应该把习题固有的严格性移植到自然、真实的科学环境中采用原始问题的形式，使科学教学既能够强调推导、演算而不降低知识传授效率，又能够在真实情景中进行探究而提高学生能力，从而将科学教育的内部效度和外部效度很好的结合起来。56典型的原始问题：有人认为婴儿有成人抱着坐在汽车里很安全，现在请你估计一下，在很短时间的撞车中，需要多大的力才能抱住婴儿？典型的习题：婴儿由成人抱着坐在汽车里也是很不安全的。请计算：在一切发生在0.1秒的撞车中，若撞车前车速为60千米/时，需要多大的力才能抱住一个10千克的婴儿？原始物理问题与习题的区别（1）物理现象原始问题物理习题解决对物理现象进行描述抽象、设置物理量演算、推导（2）（3）图2原始物理问题自行车转弯人在骑自行车转弯时，需要倾斜一定的角度。问：满足什么条件才能使人在骑自行车转弯时既不翻倒，又能顺利转弯？GmgfNOθ设自行车和人的重力为mg，合重心到地面的距离为l，支持力为N，摩擦力为f，转弯时速度为v，转弯半径为R，则有：NmgRvmf2sincosNhFl以G点为转轴：Rgv2cot1）是对现象的描述，没有对现象作任何程度的抽象；2）基本是文字的描述，通常没有任何己知条件，其中隐含的变量、常量等需要学生自己去设置；3）没有任何示意图，解决问题所需要的图像需要学生自己画出；4）对学生来说不是常规的，不能靠简单的模仿来解决；5）来自真实生活情境；6）具有趣味和魅力，能引起学生的思考和向学生提出智力挑战；7）不一定有唯一的答案，各种不同水平的学生都可以由浅入深地作出回答；8）解决它需伴以个人或小组的活动。原始物理问题的特点习题的特点1）不是对现象的描述，而是对现象高度的抽象；2）虽然也是文字的描述，但所有己知条件都已经给出，不需要学生自己去设置；3）凡是解题所需要的图像都已经画出，不需要学生自己画出；4）对学生来说是常规的，靠简单的模仿即可解决；5）少部分来自真实生活情境，大部分没有真实生活情境；6）缺乏趣味和魅力，主要用来训练学生掌握知识；7）有唯一的答案；8）个人解决，不需要小组活动。我们对原始物理问题的看法：•我们认为，原始物理问题既是一种新的物理教育思想、一种新的物理教育理念，一种新的物理教育方式，又是一种新的物理学习方式、一种新的物理教育资源、一种新的物理教育评价。因此，原始物理问题教学是一种创新的物理教育理论。•不应当把原始物理问题理解为仅仅是问题解决理论，它贯穿了物理教育的全过程．我们工作的创新：•１．把原始物理问题与物理现象结合起来．•由于“物理学的根源是物理现象”，这就把物理教育的起点置于物理学的根源之上．•２．把原始物理问题与生态学理论结合起来．•由于原始物理问题是真实的物理问题，这就使物理教育成为生态化的教育．•３．把原始物理问题与协同学理论结合起来．•由于原始物理问题解决涉及内外信息的相互作用，这就使学生的认知过程成为一个从被组织到自组织的转变过程．我们工作的创新：•4．提出了原始物理问题的表征理论•５．运用协同学的主方程进行了原始物理问题表征的定量研究，发现了双峰分布与转移现象•６．运用AMOS4.01软件进行了原始物理问题表征影响因素的结构方程模型研究，得到了原始物理问题表征影响因素．二．已做的工作•１．论原始物理问题的教育价值及启示《课程·教材·教法》，2005-1；•２．从习题到原始问题：科学教育方式的重要变革《课程·教材·教法》，2006-1；•３．对原始物理问题教学的思考《中国教育学刊》，2006-8；我们在cssci期刊上发表了系列论文，奠定了原始物理问题研究的基础．４．原始问题教学：物理教育改革的新视域《课程·教材·教法》，2007-5；５．论高考物理能力理论与命题导向《课程·教材·教法》，2007-11；６．原始物理问题测量工具：编制与研究《课程·教材·教法》，2008-11；cssci系列论文•７．自组织表征理论：一种物理问题解决的新理论《课程·教材·教法》，2009-04•８．从数据驱动到概念驱动：物理问题解决方式的重要转变《课程·教材·教法》，2010-03•９．物理教育的生态化及其对物理课程改革的启示《教育科学研究》2010-110.物理问题解决的影响因素研究《课程·教材·教法》，2012-06•我指导的10名研究生的硕士论文围绕原始物理问题进行了深入研究。•我指导的研究生在《物理教师》、《物理教学》、《中学物理》《中学物理教学参考》、《物理教学探讨》、《物理通报》等刊物上发表10余篇有关原始物理问题教学的论文。三．表征理论依据协同学理论，我们提出了物理问题解决的自组织表征理论(Self—OrganizationRepresentativeTheory)，简称SORT。SORT认为：问题解决是一个连续与突变相结合、独立与关联相结合、控制与自发相结合、协同与竞争相结合、必然与偶然相结合的过程。包括以下几个方面。依据SORT的理论内涵，我们进一步提出了SORT的表征层次，分别是：定向表征、抽象表征、图象表征、赋值表征、物理表征、方法表征和数学表征。1.定向表征•定向表征是判断原始问题是一个什么方面问题的表征层次。学生需要根据问题对物理现象的描述和已知理论，凭借不严密、不连续、不完整的逻辑或非逻辑方法对原始问题形成适应性、启发性的领悟，这种表征就带有大幅度跳跃式提取信息和加工信息的特点。由于原始问题呈现的不明确性，这一表征通常表现出突变性。即学生对问题的定向是突然产生的。2.抽象表征•抽象表征是原始问题解决中决定舍弃什么，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。在这一过程中，理想化方法是普遍使用的方法。从物理现象中抽象出理想客体并在思维中模拟、操作的过程，需要通过想象，运用直觉与逻辑思维，把客体运动过程简化、纯化使其升华为一种理想状态，使其能更本质、更生动地反映原始问题的性质。这一表征阶段往往表现出思维的协同与竞争。3.图象表征•图象表征是学生解决问题过程中画出草图的过程，往往需要形象思维的参与。图象表征是原始问题特有的表征，需要学生自己来完成。而习题解答则不需要学生来完成，因为在大多数情况下，习题已经把解答所需要的图象给出了。4.赋值表征•赋值表征指根据解决问题的要求，设置所需要的物理量，包括常量和变量，有时甚至需要设置一些中间变量，即在问题解决的中间过程出现，但在最后的结果中却不再出现。5.物理表征•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。物理表征往往表现出关联性，即需要把原始问题与先前学习的物理概念和规律联系起来。6.方法表征•方法表征是把解决问题时需要运用的科学方法（包括思维方法与物理方法）确定下来并运用之。方法表征同样往往表现出一定的关联性。7.数学表征•数学表征指在问题解决过程中进行推导时所运用的数学步骤，包括列方程，解方程，进行必要的数学变换。习题解答定向表征抽象表征图象表征赋值表征物理表征方法表征数学表征综上所述，原始问题解决的表征层次可以用图3概括。图3