摘要：物理学的根源是物理现象，从这一基本观点出发，深入分析目前我国物理教育中存在的问题，依据杜威的经验组织原则、皮亚杰的建构主义理论和生态学运动的要求，提出以原始物理问题教学作为整个物理教育思想和教育方法改革突破口的理论观点。在物理教育中，与演算对应的物理教育方式是物理习题教学，而与物理现象对应的物理教育方式则是原始物理问题教学，原始物理问题具有特有的教育价值。这不仅深化了对于物理教育理论与实践的认识，也在一定程度上对物理教育改革具有很好的启示作用。

关键词：物理现象；原始物理问题；物理演算；物理习题

一、问题的提出

自物理学进入我国一个多世纪以来，我国在物理学的教育和研究中取得了世人瞩目的成就。但是，我们又存在明显的不足。其中之一，建国五十多年来，我国还没有诺贝尔奖获得者，这是一件令人十分遗憾的事情。分析产生这种现象的原因，笔者认为，除了历史根源与经济基础的差距以外，还有一个重要的原因，这就是物理教育思想和物理教育方法的落后。

怎样改变传统的物理教育方法？杨振宁先生认为：“这涉及整个社会风气，因而是件困难的事。这件事如果做成功，也是一种革命。这是个比在一门学问里面创造新的学问还要难得多的事。”^[1](469)杨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价值和意义。

有鉴于此，本文从物理学的根源是物理现象的基本观点出发，依据现代认知心理学已有的成果并结合物理教育的特征，提出了以原始物理问题教学作为整个物理教育思想和物理教育方法改革突破口的理论观点，希冀对我国当前的物理教育改革以有益的启示。

二、原始物理问题的理论渊源

我国物理教育的有效性如何？杨振宁认为：“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。”^[2](8)

为什么中国学物理的学生都养成了念死书的习惯？杨振宁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得一塌糊涂。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。”^[1](839)

对于我国学生学习物理的方法，杨振宁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。”^[1](467)

出现这种现象的原因何在？杨振宁认为：“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。”^[2](9)

杨振宁关于“现象是物理学根源”的观点可谓单刀直入，切中要害。他以自己深厚的物理学养，启人心智，指点迷津。然而，把这种抽象的物理教育思想转变为可操作的物理教育方式也并非是一件简单的事情，还需要创造性的工作。

从杨振宁的基本思想出发，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取代物理习题，从而达到提高物理教育效能的目的。

所谓原始物理问题，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问题；而物理习题则是指从实际问题中经人为加工出来的物理问题。两者的关系如图1所示。^[3]

值得注意的是，长期以来，我国的物理教育基本上局限在图1所示的虚线框内。因此，传统的物理教学就在原始物理问题与物理习题之间形成了一条鸿沟，致使很多学生只知道根据已知条件去解题，遇到实际问题则常常束手无策。

其实，早在1983年，赵凯华先生就已察觉这个问题。他指出：“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。”^[4]应当说，明确提出原始物理问题与物理习题之间的区别是有重要的理论意义和现实意义的。

遗憾的是，这种物理教育思想并未彻底贯彻下去。对于如何教导学生学好物理学，赵凯华认为：“我们反对‘题海战术’，反对针对某类考试或题库的应试教育。但是做题毕竟是学生学习过程中比较主动的环节，学习物理，不做习题是不行的。但做习题不在于多，而在于精。”^[5]显然，这又回到传统物理教育的道路上了。

物理习题模式不仅影响着物理教学，而且也反映在物理高考的命题指导思想上。比如，物理高考命题委员会就认为：“我们主张要做题，但并不赞成搞题海战。因为题海战盲目追求解题的数量，不重视解题的质量，使学生根本来不及对习题以及与习题有关的问题进行思考。”^[6](258)

由此可见，在我国物理教育飞速发展的今天，反思和改革我国物理教育理论与实践中存在的问题，已为时不早。

三、原始物理问题的理论建构

在物理教育中发展学生的能力，始终是物理教育理论和实践的一个重要问题。如何正确地认识和处理这个问题，越来越引起人们的关注，并把它置于物理教育教学改革的核心地位。

然而，在发展学生的能力问题上，仍然还有一个基本问题至今未能得到很好解决，这就是知识传授与能力培养之间的矛盾。这个问题对于能力的培养具有重要的作用，因此，在一定程度上影响了教学的发展。

最早提出这个问题的是美国教育家杜威。杜威一向反对将专家编就的以完整逻辑体系为表现形式的教材作为教育的起点，认为必须以学生个人的直接经验为起点。因此，他主张以“教材心理化”来解决此问题。这就需要把各门学科的教材和知识恢复到原来的经验，恢复到它所被抽象出来的原来的经验。这种心理化就是把间接经验转化为直接经验，即直接经验化，这个过程实际上就是杜威反复强调的经验组织原则。^[7]

我们认为，杜威关于“把知识恢复到它所被抽象出来的原来经验”的观点有着重要的理论价值，它启示我们：完全由经过抽象的系统间接经验所构成的传统课程和教材对于学生获取知识是有效的，但对于学生能力的培养却常常不令人满意。然而，完全采用直接经验来进行教学亦会产生新的弊端。也就是说，经验的恢复是必要的，但需要应用于恰当的时机和场合。在这一问题上，皮亚杰的建构主义理论可以给我们以新的启示。

皮亚杰认为，认知发展是一个主体的自我建构过程，皮亚杰所谓的“建构”，即结构（图式）建造之意。而这种建造的本质即归结为主客体之间的相互作用。按照这一理论，皮亚杰把认知的内向发展称为内化建构而把外向发展称为外化建构，两者合称双重建构。^[8]

内化建构是把知识结构从外部层次、外部平面投射到主体的内部层次、内部平面上去，如实物运算内化为概念运算。外化建构则是把主体内部的图式投射到外部层次、外部平面上去，如运用所学知识进行因果解释，并将根据这种因果解释作出的技术设计外化为实际的技术创造等。

从皮亚杰的双重建构理论出发，我们认为，在实际的物理教育中，教师向学生传授大量经过抽象的系统间接经验过程，本质上是一个认知的内化建构过程。而我们目前的物理教育，已经在相当程度上对内化建构给予了足够的重视。因此，“我国的教师都习惯于把知识组织得井井有条，对课程内容的每个细节作详尽的解说，对学生可能发生的误解一一予以告诫。把所教内容都‘讲深讲透’，不给学生课后留下疑难”。^[9]学生的听课、做题、考试等环节都是围绕着内化建构而展开的，而外化建构却基本上被忽视了。

外化建构是学生把在课堂上所学知识用来解决物理问题的过程。应当明确指出，学生解答物理习题的过程并不是认知的外化建构过程，而是认知的内化建构过程。对此，杨振宁指出：“仅仅读很多的书，从老师那里学到很多知识，做很多习题，只能说是训练独立思考能力的一半。而另一半的方法是复杂的，不是每个学生都能采纳同样的建议或劝告，这个方法要靠自己去摸索。”^[10]显然，杨振宁所说的前者是指认知的内化建构，而后者即指认知的外化建构。

我国教育缺乏对学生认知外化建构的重视是历史上一直存在的问题，而尤为严重的是，这样造成的问题，在中小学教育完成后的一段时间内还不能显现出来。到研究生期间，创造性能力问题才明显暴露出来。对此，美国华盛顿大学的饶毅教授从中西方比较教育的角度评价道：“到国外留学的研究生，很多在创新能力方面有明显不足，常常是只能在别人指导下做研究而不能独立工作或领导一个实验室开创自己的方向和领域。也就是说，由中国中小学教育提倡、培养和选拔出来的‘好学生’的心态、思维习惯和行为模式到进入科学研究前沿时，就暴露出很大问题。”^[11]因此，在物理教育中加强学生认知的外化建构训练，其意义是深远的。

在物理教育中提出原始物理问题理论建构的理由还在于，20世纪80年代西方学术界兴起的生态学运动（ecological movement）对于物理教育产生了不可忽视的影响。

生态学是19世纪末在生物科学中成长起来的一门科学，它的研究对象是生物个体、种群、群落和生态系统。其研究任务是探索有机体与环境之间相互作用的规律及机理，研究生物的生存条件以及生物与其生存环境之间的相互关系。在研究方法上，生态学家一般采用描述性分析方法，即先对现象进行描述，而后再作分析。^[12]

在物理教育中强调生态性，乃是源于物理习题教学模式固有的局限性。我们知道，物理习题教学模式具有许多明显优点。然而，随着物理教育研究的深入，物理习题教学模式固有的缺陷即人为性日益暴露出来。由于物理习题情景是人为设置且条件控制严格，因而使物理教育情景的真实性受到破坏，使学生在解决物理习题时的认知心理及行为表现与解决实际物理问题时的认知心理及行为表现相去甚远。这样，就削弱了物理教育特有的教育价值并最终导致了物理教育的低效能。

总之，原始物理问题教学使物理教育从纯粹的知识传授模式中走出来，进入物理知识传授与应用相结合的新阶段，这使得物理教育更加符合其培养目标。它拓展了人们的物理教育视野，拓宽了物理教育的范畴，进一步增进了人们对于物理教育本质的理解与认识，从而有助于真正实现物理教育的目的。

四、原始物理问题的教育价值

在物理教育中运用原始物理问题进行教学，具有以下教育价值。

（一）契合学生的直接经验和间接经验

现代教学论认为，教学过程中必须处理好学生获取直接经验与获取间接经验的关系，防止出现忽视系统知识传授或忽视直接经验积累的倾向。而在传统的物理教学过程中，往往只强调了图1中所示的虚线部分，这的确促进了学生间接经验的积累，但却略去了由实际问题到抽象问题的过程，而该过程对于学生直接经验的获取，恰恰是至关重要的。因为原始物理问题与物理习题的最大区别在于：原始物理问题的呈现形式是对物理情景的描述，没有物理习题中常常有的已知量、未知量，需要学生自己去抽象，自己去设置。因此，从本质上说，物理习题教学是学生运用间接经验知识解决间接经验问题，而原始物理问题教学则是学生运用间接经验知识解决直接经验问题。

比如，在有日光灯的房间里开、关电风扇时，其扇叶看起来有时是静止的，有时是正向转动或反向转动的。如何来解释这一现象？

原来，由于日光灯是一个频闪光源，当其通以频率为50赫兹的交流电时，每秒亮100次，暗100次。对于普通的三扇叶电扇，在光亮的瞬间我们看到扇叶位于某一位置，等到下次光再亮时，如果扇叶恰好转过120°或其整数倍，由于三片扇叶的外观一样，则我们看到的位置也就和上次光亮时一样，所以看起来扇叶静止。如果在两次连续光亮的时间内扇叶所转过的角度比120°稍小或稍大，就会看到扇叶反向或顺向转动。显然，这样的原始物理问题就较好地体现了契合学生的直接经验和间接经验的作用。

（二）促进科学方法教育

近年来物理教育发展的一个重要取向是，强调科学方法在学生学习物理中的作用。比如，物理课程标准就把“过程与方法”作为课程的目标之一，使其和“知识与技能”、“情感、态度与价值观”并列，^[13]这进一步体现了人们的物理教育理念有了新的发展。

科学方法与科学知识在本质上是统一的。但严格说来，两者又有不同的特点。科学方法与科学知识不同，它所涉及的不是物质世界本身，而是人类认识物质世界的途径与方式，是高度抽象的。科学方法也不直接由学科的知识内容来表达，而是有它自己独特的表达方式，它往往隐藏在知识的背后，支配着知识的获取和应用。正是因为科学方法的这些特点，使得科学方法既不易学习，又不易掌握。而原始物理问题则恰好为科学方法教育搭建了一个理想的“平台”。由于原始物理问题贴近现实生活，客观而真实地反映了我们这个日新月异的时代，因此，在原始物理问题教学中，学生就可以在教师的指导下，首先运用分析、综合、抽象、概括等科学方法将原始物理问题转化为物理习题，然后再运用假设、类比、等效模型、近似等科学方法去进一步解决问题。比如，高中物理教材“共振”一节有这样一段论述：“轮船航行时，如果所受波浪冲击力的频率接近轮船摇摆的固有频率，可能使轮船倾覆。这时可以改变轮船的航向和速度，以使波浪冲击力的频率远离轮船摇摆的固有频率。”^[14]事实上，现实生活中就有这样的原始物理问题。

《中国青年报》1990年12月25日报道了我国前往南极的科学考察船“极地号”上发来的专电──“极地号启动减摇装置慢速航行”。报道称：“随着西风带的离去，船体摆动愈发剧烈，船体横摇已达15°，最高达27°……为了减小船体摇动，船上已采取了新的减摇措施，为此航速已减至10节。”

怎样来解决这样一个原始物理问题？按照由特殊到一般的认识规律，先来看两种特殊情况。（a）船的速度方向和波浪传播的方向在同一直线上；（b）船的速度方向和波浪传播的方向垂直。

（a）设船的速度为u，波浪的速度为v，则波浪相对船的速度v′=v-u，式中u正方向与v相同。波长相对运动着的船不变，故λ′=λ，波浪相对船的频率

（b）此时波浪相对船的速度v′=v,波速是波的传播速度，在垂直其传播方向上观察，观察者的运动不影响结果，故λ′=λ，波浪相对船的频率

任意方向的速度总可以分解成a和b两种情况，由此可以得到一般结果。当船以速度u与波浪传播方向成θ角航行时，轮船受到波浪冲击力的频率为

轮船在海里航行时，要尽量避免f′与轮船摇摆的固有频率接近，以免发生共振。而后者一般是确定的，因此，人们往往通过改变轮船的航向和速度以达到使两者远离的目的。

研究一下上述原始物理问题的解决过程，我们不难发现其中运用了物理模型的方法。而在物理模型建立中，又使用了归纳推理的科学方法。所以，通过对原始物理问题的不断了解、积累和熟悉，就能使学生形成一种借助于科学方法获取科学知识的心理定势。这样，学生就能够以快捷的速度去获取知识，进而通过在头脑中形成认知结构，深刻地领会和掌握知识，牢固地记住知识。还可以使学生产生一种对问题的敏感性，并能够用科学方法迅速地抓住问题的要害，找出解决问题的途径。

（三）培养学生的创造性思维

传统的物理习题教学，往往与物理现象相脱离，使学生处在模型和模块的包围之中，满脑子的小球、轻杆、木块、斜面……，却往往不问其生活源头，感受不到物理现象真实与鲜活的一面，久而久之便桎梏了创造性思维的发展。

而原始物理问题由于具有生态性和开放性等特点，就决定了原始物理问题的解决过程必然是探索和创造的过程。面对一个信息庞杂、客观真实的原始物理问题，学生找不到可以拿来仿效的原型，也没有既成的经验可以作为指导，只能通过独立思考，不断尝试，对问题进行探索。当学生远离他们熟悉的物理习题后，他们的思维将脱离线性的平衡状态而进入非线性的耗散结构状态。

例如，当学生学习了牛顿第三定律和动量定理之后，可以给学生提出这样一个原始物理问题。日常生活中打鸡蛋时，如果左手握住一只鸡蛋不动，右手拿一只鸡蛋去撞它（两只鸡蛋都是一样的坚硬，并且是用同一部分互相碰撞），哪一只鸡蛋更容易被撞破？是被撞的那一只呢，还是去撞的那一只？或者两只被撞破的几率相同？这是一个看似简单其实并不容易解释的问题，因而能够很好地训练学生的创造性思维。

研究撞蛋问题很有现实意义。因为在交通事故中人脑的损伤状态与那只“运动着的蛋”颇为相似。若将人的头颅比做鸡蛋，则颅骨就像蛋壳，脑浆就像蛋清，脑髓就像蛋黄。一旦头部受到强烈撞击，脑髓就要撞击颅骨内侧，因此很容易引起脑震荡或脑血肿；即使颅骨不破裂，脑髓也会受到损伤。

根据“耗散结构”理论，非平衡是有序之源。我们的思维之所以不断深化，是因为在大脑的认知过程中，原来图式结构的平衡状态被外来的刺激所打破，发生了“同化”或更深刻的“顺应”作用，使原来的图式得到充实或改革，达到新的水平和新的平衡。物理习题和原始物理问题的区别就在于，前者很难打破学生思维中的平衡状态，而后者则刺激学生的思维，使之远离平衡状态，从而达到培养学生创造性思维的目的。

（四）推进物理高考的改革

我们目前的物理高考，采用的仍然是物理习题考查方式。对于这种考查方式，物理高考命题委员会认为，由于高考的规模、形式及社会、经济等等因素的影响，目前的高考无法有效地考查学生所应具备的全部能力，其中有些对测定和评价学生的基本素质和未来发展潜质是相当重要的。^[6](90)为了了解学生在这些方面的能力水平，物理高考命题委员会曾于20世纪90年代，在重庆市和山东省的16所生源较好的中学进行过物理高考科研知识与能力水平测试。这些测试包括用文字对物理问题进行论证和解释等形式。结果，考试的得分率很低（平均只有0.29），且测试结果与平时成绩的相关几乎为零（-0.06）。由于平时成绩与高考是密切相关的，这也在一定程度上说明，目前的高考确实没有将学生在这些方面的能力更有效地考查出来。^[6](91)

物理高考命题委员会认为：“测试的这一结果恰好揭露了高考命题中的一个矛盾。如果希望将学生的真正能力水平考出来，达到较好地区分学生的目的，应该多用一些考核能力很有效的题目。但用这样的题目考试的结果，会使平均成绩下降。这会对中学物理教学的现状造成冲击。影响如何，值得研究。”^[6](92)这反映了物理高考命题委员会投鼠忌器的两难心理。

我们认为，物理高考改革的方向就是要逐渐用原始物理问题来取代物理习题对学生进行考查。这不仅能将学生的真正能力水平考查出来，从而区分不同能力水平的学生，而且真正能发挥高考对中学物理教学的引导作用。

这是因为，物理概念和规律只有在原始物理问题中才有生命力，才能显示出其内涵、色彩、格调，才能显示出其内在的理由、作用和功能，学生学习过的物理概念和规律才能真正活起来，这样才能提高学生学习的效率。通过一定数量的原始物理问题训练，当学生在解决实际物理问题时，各种各样解决问题的策略就能够迅速地检索而无需搜肠刮肚地对照做过的题型，才有可能在处理前一个步骤时就能在大脑中预感下一个步骤，根本无需暗暗回忆各种题型再思量其意义。即使学生在进行创造性活动时，也能凭直觉而非经验去探索正确的解决途径。所以，在这个意义上，我们认为原始物理问题教学不仅能使学生学到物理知识、技能和科学方法，而且也能很好地培养学生的能力。

五、启示

我国的现代物理教育大部分是早年从西方直接或间接引进的。在西方，物理教育与物理现象的融合早已成为其优良的教育传统。对于我国物理教育的发展而言，采用跨文化的方式去深入了解西方物理教育发展的思路、特点与研究方法，不仅可以为我国物理教育改革提供借鉴、吸取宝贵经验，而且可以激励物理教育领域出现新颖的教育思想，有利于制定符合现代和未来中国社会发展要求的、行之有效的物理教育改革方案。原始物理问题的教育思想正是在这一背景下提出的。有理由相信，物理教育中只有物理习题而缺乏原始物理问题的状况，不久应该结束了。

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