林 军

（合肥市包河区教育体育局教学研究室，安徽合肥 230051）

1 问题的提出

2021年7月24日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》，简称“双减”政策.“双减”文件要求各级教育主管部门要采取有效措施减轻学生的学业负担，提高学生的学习兴趣，使学生德、智、体、美、劳全面发展.其实，自从2001年新课程改革实施以来，反复强调要为学生减负，但是现实情况是学生的学业负担却越来越重，严重危害了学生的身心健康.这种注重“育分”“刷题”的教育“内卷”现象与坚持落实立德树人，发展学生核心素养严重相违背.要打通“育分”到“育人”的任督二脉，可以在教学过程中突出物理原始问题的教学并设法将“知识问题化、问题情境化、学习实践化”，努力提高教学质量与效率，助推“双减”政策的有效落地落实.

2 原始物理问题的模型建构法解决策略

原始物理问题是自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的典型物理现象和事实，是物理学知识的本源，是未被分解、简化、抽象的，能够直接反映最真实的物理生活情境的现象或问题.［1］物理原始问题是习题的上位概念，是文字描述性的物理现象中的问题，其作用主要体现在依靠学生发现问题的本质，对问题进行抽象分析和处理，建构科学的物理模型，有步骤地培养学生解决实际问题的科学思维能力，其两者关系如图1所示.下面就近几年安徽省初中学业水平考试物理学科试题中的原始物理问题进行模型建构教学分析，以便大家交流讨论.

图1 原始问题与模型建构的关系

3 模型建构在解决原始物理问题中的应用举例

3.1 科学探究“铅球是铅制成的吗”培养学生模型建构的能力

问题1：上体育课时，同学们在投掷铅球时，讨论铅球到底是什么材料制成.小明说：“铅球就是用铅制成的，要不然为什么叫它铅球呢？”小强说：“不对，我仔细看过体育课使用的铅球，它的表面很硬，像是用铁制成的，如果是用铅制成的会比较软”.他们两位谁说得对呢？请你设计实验进行探究，来鉴别铅球的组成材料.

绝大多数学生第一反应就是想办法测量铅球的密度，然后将测得的密度值与密度表中铅密度进行比较即可.教师追问，所需的测量工具是什么？如何进行测量？

大多数学生首先想到的是利用实验室里的托盘天平和量筒，分别测铅球的质量与体积.教师再追问实验室中的托盘天平和量筒的量程分别是多大？学生们略加思索有所顿悟，很快否定了这种测量方案.

接着经过师生的交流讨论，一致认为需要增加生活中的一些器具来完成实验测量.例如可以利用超市里常用的电子台秤（磅秤）来测铅球的质量.但是针对铅球的体积测量学生们提出较多的想法与思路，基本上都是采用间接测量法，例如采用塑料桶、刻度尺等.教师将学生的设计方法进行分类，总结为以下两类模型建构.

（1）用塑料桶和量筒配合测量体积；（2）将刻度尺和细线配合测量体积.

师生再对这两种方案进行评估和分析其中的误差大小的预判，最后进行甄选，发现：其中模型（1）是一个合适的方法，实现知识的结构化.物理实验的过程设计，实质上就是模型建构的过程，模型建构是科学思维的重要特征.

接下来，师生共同参与，通过密度的测量来对铅球的组成材料进行鉴别.

（1）测量铅球的体积.

请同学们从图2中选出测量工具和器材来进行实验，并追问学生用细线和刻度尺进行测量，有什么不妥吗？是否用量筒直接测出铅球的体积，如果不能，又有什么好的办法？

图2 测量铅球密度的工具和器材

教师设置如下的“问题串”：可以选取塑料桶、量筒（量程为1000 mL）和水等器材，间接测出铅球的体积吗？可以直接把铅球放入装满水的塑料桶里，可以测出溢出水的体积？怎样才能减小实验误差？具体的实验操作步骤又是什么？通过一系列问题引领，任务驱动引导学生有步骤地开展实验探究来测量铅球的体积.

（2）测量铅球的质量.

选取量程较大的电子台秤，正确测量出铅球的质量.

（3）计算出铅球的密度.

根据密度的定义式ρ＝算出学生铅球的密度，与教材中密度表上的数值进行对比，密度明显小于铅的密度，说明学生铅球不是铅制作的.

正如杨振宁教授所说：物理学最重要的部分一定是与现象有关的，绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源.而原始物理问题恰是一种与物理现象对应的具备可操作性的物理教育方式.由原始问题开始，逐步找出其中的物理本质，建构模型后对相应的物理量进行赋值，计算和推理得出结论，让学生尝试原始问题的解决路径，培养学生的学科素养.［2］

3.2 实测“家用电器实际功率的大小”，强化学生物理建模思想和意识

问题2：“在家庭照明电路里，为什么在傍晚用电高峰时段打开电灯，电灯通常会显得较暗，而深夜时打开同一盏电灯，为何又显得很亮呢？”

这是一道典型的只有文字描述的物理原始问题，要想引导学生正确解答.只有从试题阅读中找到教材中的关联知识，抽丝剥茧出已知量和未知量之间的联系，从问题的本质中创设问题情境，在情境中建构家庭电路物理模型，通过实验探究，表格模型等一系列分析，得出结论和反思评价.

针对这类型题目，本质上是考查用电器的“实际功率”的相关问题，这里面没有家庭电路模型，更没有用电器的铭牌参数和相关数值，用简单的语言描述把其中的物理道理阐述清楚是比较困难的.因此，我首先想到引导学生在分步拆解问题中抽象出物理量并建立物理模型展开交流讨论，为此设置了如下的教学问题和教学思路.

（1）你会建立家庭电路模型吗？（家庭电路电压是220 V，超过人体的安全电压，对学生人身安全有危险，而且不宜在实验室里分组实验，可以用小灯泡的电路模型来代替）

（2）在输送电压不变的情况下，用电高峰期和低谷期灯泡亮度不一样的原因是什么？（主要原因是输电导线本身存在电阻，用电高峰和低谷时输电导线上流过的电流不同，输电导线上所分的电压大小也不同，导致家用电器（灯泡）实际电压发生变化造成的）

（3）同一盏灯泡的亮暗，其实际电压与实际功率有何关系？（用电器实际电压越低，实际功率越小，灯泡越暗，反之亦然，说明傍晚用电高峰期家庭电路中实际电压应该低于深夜时的实际电压，这是导致出现这种现象的根本原因）

（4）如何去赋值、推导和演算？（用学生电源、灯泡、电流表、电压表等模拟家庭电路，建构表格模型，计算实际功率后推演，得出结论并反思评价）

基于以上的教学思路，教师引导学生选择实验器材，然后连接实物电路，开展实验探究活动.

学生们经过交流讨论，很快大多数学生就选择了电流表测实际电流、电压表测实际电压、若干个标有“2.5 V、0.3 A”的小灯泡、若干根导线、学生电源和滑动变阻器进行实验探究.

教师首先展示“家庭电路模型”的实物电路图（如图3所示），并利用学生电源（电压6 V）来模拟家庭电路的进户线；利用串联在干路上的定值电阻R线（用滑动变阻器代替，接入电路部分阻值约5Ω）来模拟长途输电线；利用6 只小灯泡且由开关各自控制的并联电路模拟家庭电路中的用电器.

图3 家庭电路实物模型

接着，教师引导学生画出“家庭电路”实物模型的电路图［如图4（甲）所示］，并利用等效法进行点拨：将6个同型号的小灯泡并联电路看成一个整体，等效成一个电阻为R总.那么，整个模拟电路可以看成长途输电线R线和家庭总负载R总相串联的简单电路［如图4（乙）所示］.

图4 家庭电路实物模型的电路图

在一切准备就绪的情况下，师生共同开展实验探究，依次改变电路中测量用电器连接数目的多少，通过记录数据，计算出每一盏灯泡的实际功率的变化，得出正确的实验结论.

（1）只闭合开关S，电流表示数为0，电压表示数为6 V，再依次闭合S1、S2、…S6，分别读出各自对应的电流表和对应的电压表示数（如表1所示）.（2）根据数据，并根据公式R＝计算出各自对应“家庭电路”中所有用电器的总电阻R总，再利用P＝UI算出各种情况下电路中对应的每一盏灯泡的实际功率P实.

表1 依次闭合开关时电流表和电压表的示数以及电阻和实际功率数据

至此，我们可以得出结论并分析评估，由于并联导体（小灯泡）的电阻随着并联导体数目的增加其电阻会越小的道理，发现家庭电路内部的总电阻随着工作的用电器数目的增加而减小，家庭电路内部的实际电压是减小的，每一盏灯泡上的电流也是减小的（忽略灯泡电阻随温度的变化而变化因素），家庭电路总电流在增大.当6只灯泡同时接通时，长途输电线的电压由U＝IR得出，输电线上分得电压是最大的，家庭电路内部分得电压最小.

由迁移理论可知，在实际生活中，当傍晚时分，通常家庭电路中用电器都处于工作状态，每家每户的进户线电流达到最大值，长途输电线上的电流也是迅速增大，而变压器输出总电压不变，输电线分得电压会剧增，导致家庭电路的电压明显低于额定电压220 V，家用电器实际功率低于额定功率也就不足为奇；反之，深夜时刻，家用电器使用数量锐减，家用电器上的实际电压偏高，家用电器实际功率高于额定功率.我们在具体的情境设置中巧妙构建适当模型进行深入分析，终于弄懂“傍晚时灯泡较暗，深夜时灯泡较亮”的物理道理.可能有人会说用定值电阻来模拟家庭电路，笔者感觉不妥，用小灯泡来实验就是方便学生在探究过程中能“可视化”灯泡亮度变化的整个过程，实验效果直观，现象明显且有很强的视觉冲击力.通过实例进一步说明了物理模型建构的过程就是在研究物理问题的时候要突出研究对象的主要因素，忽略次要因素的高阶思维过程，也是培养学生科学思维能力的重要路径.［3］

3.3 应用“杠杆的平衡条件解决实际问题”，促进学生物理建模能力的提升

问题3：（1）如图5（甲）所示，一质量分布均匀的细直杠杆（忽略厚度和宽度，长度不可忽略）用细线将其从中点悬起，能在水平位置平衡.将它绕悬点在竖直面内缓慢转过一定角度后放手［如图5（乙）］，请作出该杠杆支点两边所受动力和阻力并作出其力臂，且利用杠杆平衡条件推导证明在该位置杠杆仍能平衡.

（2）如图5（丙）所示，一质量分布均匀的长方形木板（忽略厚度，长度和宽度都不可忽略）仍然从木板的中点悬挂起来，按照（1）中的要求缓慢转过一定角度［如图5（丁）］放手后，长方形木板还能在该位置平衡吗？写出判断的依据.

图5

这是一道典型的原始物理问题，整个过程中只有描述物理现象的语言，物理原理和物理量相关内容只字未提，该题是在抽象出杠杆平衡条件的基础上重点考查学生的杠杆模型建构能力，要求学生能够整合关联知识，应用物理原理进行赋值推演，得出结论，来解决实际问题.学生分析可得第（1）题中忽略杠杆的厚度和宽度次要因素，只考虑杠杆的长度因素，由于其质量均匀，我们从支点处将杠杆分为等长的两部分，两部分重心到支点的长度相等，重力方向与水平杠杆垂直，两边的力臂就等于重心到支点的长度，图5（甲）中有OA＝OA′，再根据杠杆平衡条件得G·OA＝G·OA′，杠杆满足平衡条件；再将杠杆缓慢转过一定角度后，在图5（乙）中分别画出杠杆左右部分受到的重力的示意图和力臂的大小，由图5（乙）知在AOB和A′OB′中，因为OA＝OA′，∠AOB＝∠A′OB′，AB⊥OB，A′B′⊥OB′，由三角形全等条件可以得出△AOB≌△A′OB′，则有OB＝OB′.这时也有G·OB＝G·OB′，因此此时杠杆仍然可以保持平衡.

在第（2）题中忽略厚度，但长度和宽度都不可忽略，我们可以建立平面杠杆模型.由于长方形木板是对称图形，对于图5（丙）图中有L1＝L2，则根据杠杆平衡条件有G·L1＝G·L2；将杠杆缓慢转过一定角度后，此时杠杆两边重力的力臂发生了变化［如图5（丁）所示］，杠杆左边的力臂为OB一定小于木板中心O′到左边部分重力作用点A的距离O′A，即OB＜O′A；同理发现，在直角三角形OO′A′中，木板中心O′到其右边部分杠杆重力的作用点A′的距离O′A′小于杠杆右边部分重力的力臂OB′，即O′A′＜OB′，又有O′A＝O′A′，即OB＜OB′，则有G·OB＜G·OB′.此时，放手后的杠杆不能保持平衡，故仍会回转到放手前的水平位置才能保持平衡状态.

当然，第（2）题也可以运用二力平衡模型进行推理判断，由于质量均匀的木板的重心在其几何重心O′（长方形对角线的交点），显然在水平位置时木板受到的重力和绳子向上的拉力满足二力平衡条件，木板能保持水平平衡.当用力使木板缓慢转过一定角度后，木板受到的绳子拉力和重力的作用线“不共线”了［如图5（戊）］，不满足二力平衡条件而成为一对非平衡力，故木板一定会发生转动而不能保持平衡状态.同理，第（1）题中的杠杆忽略了厚度和宽度而只考虑其长度，所以无论杠杆是否绕支点发生转动，其重心始终位于支点的正下方，杠杆仍然受到竖直向上的绳子拉力和竖直向下的重力作用，二力始终“共线”且满足二力平衡的条件，故杠杆仍能保持平衡状态.

4 结语

国家实施“双减”政策，实际上是为了重建良好的教育生态，回归学校教育应有的状态与功能，也是对过去“知识核心时代”以纸笔式传统习题低档次、重复式、机械性训练行为的一种纠偏.在聚焦“核心素养”时代的原始物理问题教学过程中，要注重将“物理知识问题化、物理问题情境化、问题情境生活化”；要凸显培养物理模型建构的能力；要树立正确的学业评价质量观；要注重从自然现象中抽象出物理原始问题并对其进行分析推理论证，发现物理问题的隐性本质.