对原始物理问题科学思维价值的思考
王磊 侯恕
摘 要：通过对一道初中物理习题的勘误，并对不同学习阶段、不同知识背景的学生进行访谈与测试，发现不同学生对解决问题的推理与论证角度不同，物理习题所带来的应试思维阻碍了学生对问题的质疑。原始物理问题的客观真实性、生态性、隐蔽性、迁移性和开放性体现了其具有模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新的科学思维价值。
关键词：原始物理问题;物理习题;习题勘误;科学思维
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2022）4-0017-3
培养问题解决能力是中学物理教学的目标之一。问题解决的过程就是学生思维发展的过程。思维的发展又反过来促进了学生问题解决能力的提升。以物理习题为主的纸笔测试是检验学生物理学习水平的手段之一。物理习题是将物理现象进行抽象、简化、分解，经人为加工出来的练习作业[1]。所谓“原始问题”是指自然界及生活、生产、科研中客观存在的、未被加工的物理问题，也可以称作实际问题[2]。原始物理问题具有契合学生直接经验和间接经验、促进科学方法教育、培养学生创造性思维、推进物理高考改革的教育价值[3]。现有的物理习题大多只体现结果，很少体现思维过程。同时，学生对“标准答案”权威的迷信，使得寻求“正确答案”成为学生解决问题的唯一目标。
笔者从一道物理习题测试出发，分析不同学习阶段、不同学科知识背景学生的思考过程，并探讨原始物理问题的科学思维价值。
1 习题评析
在2019年某市初中物理测试卷中，有这样一道关于声现象的习题：
放学了，小明站在路边等小军，小军在后面追了上来并大喊了一声“我来也”（图1）。如果声音在空气中的速度变为0.1 m/s，则小明听到的声音應该是“ ”（选填“我来也”“我也来”“也来我”）。
以下是命题人给出的“标准答案”：
因为声速在空气中变为0.1 m/s后，人跑的速度就比声速要快，所以，“也”字离小明最近，“来”字次之，“我”字离小明最远，最先到达小明耳朵的是“也”，则小明听到的声音应该是“也来我”。
这是一道封闭式物理习题，命题人给出三个选项供学生选择。学生选出正确答案并不困难。标准答案将“我来也”三个字分别看作三个速度相同但起点不同的运动物体，分析声音到达人耳的顺序。该习题表面上在考查生活中的声现象，但实际上给出解决问题的思路和分析物体的机械运动并无差别。
2 测试与访谈
笔者将题目中的图片、选项隐去，使本题看上去不像一个物理习题，而是一个物理问题，再分别对不同学习阶段、不同学科知识背景的学生进行测试并访谈。
文科硕士生X：“小明会听到一个‘也字。我当时还真看了一下题目的条件，但是只给了速度，并没有给两个人之间的距离，但我认为肯定是有距离的，三个字会听不太完全，能听到几个字我也不知道，所以我回答听到最后一个字最保险。”
理科博士生Z：“我认为是‘也来我。这道题将声速降到这么低，小军向前跑一定比声音快，最后一个字肯定比第一个字先到耳朵里，有一点像战斗机的音爆现象。做这道题主要依据生活经验，更多可能是做题经验吧。”
本科生M：“这让我想到了多普勒效应，或许答案应该是‘也来我？我说出来都不太相信。我最先看到题目认为既有人的移动，又伴随着声音的传播，所以最先联想到课本里的多普勒效应，题目中假定了声音的速度变化，从这个条件来看，答案应该是‘也来我，但是这个答案挺奇怪的。”
初中学生G：“答案是‘也来我，这有什么好解释的。其实我觉得没什么好分析的，当时第一反应是把这三个字看作接力赛跑的三个人，‘也是最靠近终点的人，它们速度还一样，所以‘也先到终点，依次排列是‘也来我。”
3 答案勘误
笔者认为，本题情境与现实中音频倒放等效，再联系网络上倒放的视频发现：如果将一段正常对话的音频倒放，我们听到的对话并非逐个文字的倒序，而是一段混乱的杂音。这是因为人接收声音时是以单个音节为单位，音节经过人脑听觉中枢处理后形成我们认知的语言表达，正常情况下人听到的“我来也”拼音为“wolaiye”，倒序并非“yelaiwo”而应为“eyialow”。单个元音字母无论正放还是倒放都不会变化。在此过程中，我们还需要将音调进行相应变换，一声和三声不变，二声、四声互换。笔者录制一段“我来也”音频（图2）并将其倒放，发现新音频并非“也来我”（图3）。笔者将“eyialow”这串拼音拼读正好符合倒放的音频（图4）。
4 访谈结果分析
4.1 人为假设情境导致物理模型建构错误
在该习题的情境中，命题人假设了一个不可能在现实生活中出现的条件：“声速变为0.1 m/s”。命题人想创设一个声源移动速度大于声速的“音爆”情境，同时为了贴合生活，所以假定声速很小。但这样的条件是不会在现实生活中出现的，本题在一开始就给学生一个“虚假情境”的印象。学生只好将题目中的虚假情境关联以前学过的知识，并转化为熟知的机械运动模型。但是，学生熟知的物理模型未必契合问题情境。在此过程中，学生利用间接经验解决间接经验问题，这也导致了在解答问题时并不会进一步对问题展开思考并尝试其他办法验证结论。
4.2 学生解决物理问题的科学推理过程并不唯一
传统问题解决研究倾向于信息加工理论，认为大脑是以算法为基础的编程计算机而运作，信息输入是序贯过程，对问题的解决是一个线性过程。综合访谈内容来看，解决物理问题的科学推理路径并不唯一，过程也并非完全线性。测试对象在解决问题时都不同程度上进行了类比推理，物理知识背景深厚的学生更多将问题情境类比所学物理知识，物理知识背景略浅的学生更多将问题情境类比生活现象。伴随学习的不断深入，学生科学推理水平也呈现出从定性到定量的变化。
4.3 学生解决物理问题的科学论证角度并不唯一
综合访谈内容，笔者认为解决物理问题的科学论证依据包括：物理知识经验、生活经验、技术经验。
物理知识经验：具有物理学相关知识背景的博士生及本科生分别联想到与自身学科相关的“音爆”“多普勒效应”。文科硕士生长期不接触物理相关知识，对于这样一个情境信息较少的物理问题，第一反应是无法作答，但通过理性分析也得出部分答案。
生活经验：初中生刚接触物理学不久，还不太会利用物理思维分析问题，不擅长用数学的手段处理问题，更多的是从生活实际展开联系，寻找可以类比的生活现象进行作答。
技术经验：笔者认为，既然问题情境符合音频倒放的逻辑，便可以利用音频处理软件的技术手段来得出答案，并验证其真伪。
4.4 应试思维限制了学生的质疑创新能力
笔者将题干中的选填内容再度添加之后呈现给学生，学生不约而同地选择“也来我”作为本题答案，同时部分学生认为既然已经得出“正确答案”就意味着这个问题得到了解决。这说明，学生面对物理习题时习惯以应试的思维去寻求答案，并认为答案是唯一且正确的。“做题经验”“回答最后一个字最保险”等话语无不体现学生应试思维的根深蒂固。笔者向受访者分享了关于本题音频倒放的手段后，受访者表示标准答案确实有误，但对于一道习题不必细究，做出“正确答案”就好。经由题海战术训练出来的学生，往往呈现出一种思维定式，即学生用既定条件求解命题人所期望的标准答案。学生抱着解决物理习题的心态是不能很好地解决物理问题的。这也正是很多学生可以又快又好地解出一道习题却不能处理一个实际问题的原因之一。
5 审视原始物理问题的科学思维价值
对于一道物理习题，脱离现实场景的题目条件可能导致答案同样脱离现实，预设的选项导致学生思维受限。原始物理问题具有客观真实性、生态性、隐蔽性、迁移性和开放性等特点[4]，因此，也具有模型建构、科学推理、科学论证、質疑创新的科学思维价值。
5.1 原始物理问题具有模型建构的价值
原始物理问题的客观真实性、生态性与隐蔽性的特点决定了其具有培养学生模型建构的科学思维价值。原始物理问题教学与物理学科关键能力培养都指向素养的真实学习[5]。真实学习要求物理问题符合真实情境。原始物理问题是对物理现象进行描述所形成的问题，充分符合真实情境，而传统的物理习题更多注重演算和推导。原始物理问题与哪些物理概念及规律相关，要选用何种物理模型都是相对隐蔽的。学生解决原始物理问题第一步就是从物理现象、物理实例出发，表征问题并建模分析。
5.2 原始物理问题具有科学推理和科学论证的价值
原始物理问题具有知识运用的迁移性的特点决定了其具有科学推理和科学论证的价值。学生将原始物理问题通过模型建构为物理问题后，需要通过知识和方法的有效迁移对问题进行科学推理。原始物理问题不仅需要学生运用归纳、演绎、类比等推理逻辑解释生活现象，更需要学生运用多种科学推理手段找出规律解决物理问题，这是对物理知识到实际问题的迁移运用。学生还可以亲身体验，亲自动手，设计实验，甚至可以利用技术软件，通过实践来验证结果的准确性。学生应当学会如何科学地检验结论、评价现象。学生在解决原始物理问题的过程中，其科学推理能力和科学论证也将得到锻炼。
5.3 原始物理问题具有质疑创新的价值
按照问题的组织程度可以把问题分为结构不良问题和结构良好问题[6]。原始物理问题具有不明确的目标、条件和解答，是一类结构不良的开放性问题。学生构建模型并进行推理论证的过程也是一个不断质疑创新的过程。这有利于学生跳出习题解决的思维定式，促进学生问题解决能力和质疑创新能力的发展。
参考文献：
[1]邢红军.原始问题教学：物理教育改革的新视域[J].课程·教材·教法，2007，27（5）：51-57.
[2]于克明.谈“原始问题”与能力培养[J].大学物理，1997，16（5）：44-46，27.
[3]邢红军，陈清梅.论原始物理问题的教育价值及其启示[J].课程·教材·教法，2005，25（1）：56-61.
[4]王静，邢红军.论原始物理问题的特性及其教育功能[J].物理教师，2004，25（8）：39-42.
[5]陈彬.原始物理问题教学与学科关键能力培养统整推进的价值探寻[J].中学物理，2021，39（14）：5-8.
[6]赵莹.基于问题解决的科学思维培育策略[J].物理教师，2020，41（1）：23-26.
（栏目编辑 赵保钢）
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