王雪岚
（上海市七宝中学 上海 201101）
本文是上海市闵行区第12届教学小课题研究成果，课题编号：MXKT20204300
［内容提要］生活化物理问题是指自然界及社会生活、生产中客观存在能够反映物理概念、物理规律本质且未被加工的典型物理现象和物理事实。本文基于自组织表征理论内涵，根据七个表征层次进行生活化物理问题课堂教学设计，研究如何在教学细节中落实物理学科核心素养。
［关键词］生活化物理问题；自组织表征理论；物理学科核心素养
生活化物理问题，也称原始物理问题，是指自然界及社会生活、生产中客观存在能够反映物理概念、物理规律本质且未被加工的典型物理现象和物理事实。生活化物理问题通常采用文字叙述的方式呈现科学现象，没有对现象作任何程度的抽象，也没有现成的已知量、未知量或情境图。
.png)
如今，长期的物理习题教学传统模式使得学生在面对生活化物理问题时往往束手无策，感觉无从下手。物理习题往往已将物理现象进行了高度抽象和模型化，将物理知识的应用与实际生活化的物理现象割裂开来，以致学生解决实际物理问题能力得不到充分的锻炼，学生的物理知识储备与实际物理问题解决能力之间形成了一道难以跨越的鸿沟。生活化物理问题的解决需要学生具备较高水平的物理探究和应用能力，更需要物理观念、科学思维、科学探究等物理学科核心素养诸多要素的参与。由此，有效开展生活化物理问题教学是促进学生物理学科核心素养养成的良好契机。
如何在日常教学中培养学生解决生活化物理问题的能力，如何实质性推进物理学科核心素养的落实，这已成为亟待物理教师研究的重要课题。
一、自组织表征理论
自组织表征理论是首都师范大学邢红军教授提出的教学理论，该理论认为：教学过程是一个学生、教师、教材和环境相互协同的过程，是学生在教师引导下完成对教学内容掌握的同时其认知系统从被组织向自组织转变的过程。
依据自组织表征理论的内涵，提出了理论的七个表征层次：定向表征、抽象表征、图像表征、赋值表征、物理表征、方法表征以及数学表征。在解决生活化物理问题的过程中，虽然各个表征不一定依次出现，但是每个环节都具有承前启后的意义。在解决问题的过程中，七个表征层次之间进行相互协同和竞争，当学生的大脑进入从无序到有序的临界值时，关键表征量支配着学生的认知系统，最终实现学生的认知从无序变为有序。
基于自组织表征理论，笔者以“探测地下金属管线”为主题设计并实施了一节生活化物理问题课堂教学,从中获得一些感悟。
二、“探测地下金属管线”生活化物理问题课堂教学
本案例的生活化物理问题是：
地下各类管网是一个城市重要的基础设施，它具有规模大、范围广、管线种类繁多、空间分布复杂等特点，是城市赖以生存和发展的物质基础。将地下管线的管理信息化，让地下的安全性更加可靠，这件大事迫在眉睫。因此，在城市建设、生产施工中常常需要确定地下金属管线的位置、走向和埋藏深度。
现在，S城南部老街区的地下埋有一根长期荒废金属管线。你能否设计一个具体方案来探测这一金属管线？
设计意图：启发学生更好地认识科学· 技术· 社会· 环境的关系，知道保护环境、科学管理、促进可持续发展的重要意义，培养学生的科学态度与责任素养。
1、 生活化物理问题定向化 —— 定向表征
定向表征是判断生活化物理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生活化物理问题形成适应性、启发性的领悟。方向明确的定向表征判断需要良好的“物理观念”核心素养，教学设计时可用联系的观点引发学生的发散性思维，帮助其发现相关的物理核心概念。
提问1：是否需要把地面直接开挖进行搜寻？
.png)
学生：无需直接挖开地面覆土，应该可以利用磁场和电磁感应物理知识设计方案，方便、准确地进行地下金属管线的探测。
根据问题的描述可初步判断，探测地下金属管线的问题应属于电磁学领域。
提问2: 如何获得磁场？
学生：给地下金属管线通以信号电流，电流会在其周围产生磁场，磁感线环绕着直线电流分布，如图1所示。
2、生活化物理问题模型化 —— 抽象表征
抽象表征是生活化物理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，方法有简化、类化、等效、理想化等。物理模型建构也是“科学思维”核心素养的重要组成部分。
（1）建模处理：
（i）先研究最简单的模型，将地下金属管线理想化为直线形的；
（ii）将地下金属管线理想化为沿水平方向固定。
（2）构建模型：
已知某一区域的地下埋有一根与地表平行的外表绝缘的直线型金属管线，要求测定管线在地下的确切位置、具体走向和纵向深度。
设计意图：①考查学生是否具有将生活化物理问题的研究对象进行抽象表征的能力。
②考查学生是否具备基于经验事实建构物理模型的能力，是否能将分析、综合、推理等方法应用于实际问题，培养学生的“科学思维素养”。
3、 生活化物理问题逻辑化 ——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,即需要把生活化物理问题与先前学习的物理概念和规律联系起来。
提问3:如何设计我们的探究方案呢？
（课堂环节：设置问题链让学生们分组讨论，交流想法，质疑修正，最后集体分享方案。）
提问4: 应该给金属管线通直流电还是交流电？
学生：当长直导线中的电流变化时，周围的磁场也随之变化。如果在地面上把一个金属小线圈静置于变化的磁场中（如图2），根据法拉第电磁感应条件，只有穿过线圈平面的磁通量发生变化，金属小线圈中才会有感应电动势。所以应给地下金属管线通交流电。
让金属小线圈加装一个电压表，能实时显示所产生的感应电动势值（如图3）。
.png)
提问5: 在地面上的每个点放置小线圈都会产生感应电动势吗？
学生：发现有一个特殊情况，即当小线圈平面与圆形磁感线相切时，由于穿过线圈的总磁通量为零，线圈中就没有感应电动势。
提问6: 这些感应电动势为零的点有何意义？
学生：把闭合小线圈水平平行于地面进行测量时，只有当线圈处于地下通电直导线的正上方时，线圈平面与磁感线相切，测得电动势为零。若能测定两个或两个以上这样的零电动势点，就能确定地下金属管线一定在这些点连线的正下方，也就得到了管线的走向和大致位置。
物理表征概念和规律有：磁通量，感应电动势，右手螺旋定则、法拉第电磁感应定律
设计意图：①考查学生是否具有从生活化物理情境中联系和使用物理表征量的能力。
②考查学生是否已经具备“电与磁的物理观念”，内化电场和磁场的物质观，并形成电与磁的相互作用观念，培育学生的物质观和相互作用观。
③考查学生是否能够在提出问题的过程中，逐渐形成研究方案并获取证据、做出解释，培养学生的“科学探究素养”。
4、生活化物理问题定量化 —— 赋值表征、图像表征和数学表征
（1）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。
赋值表征的物理量有：①金属小线圈中的感应电动势E；②金属小线圈与水平地面的夹角θ；③管线离地表的深度为h。
（2）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。图象表征是生活化物理问题特有的表征，需要学生自己来完成。
（3）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。
提问7：如何进一步确定金属管线离地面的深度？
学生：ABCD恰好是地面上边长为L的正方形（如图4）
.png)
①当线圈平面平行地面测量时，假设在地面上A、C两处测得试探线圈中的电动势E为零，B、D两处线圈中的电动势E不为零；说明金属管线在AC连线的正下方某处。
②继续在B、D两点测量，假设当线圈平面与地面成θ=45°夹角时，测得试探线圈中的电动势E为零，说明此时线圈平面恰与磁感线相切， 画出该点磁感应强度B的方向（如图5）。
③根据数学几何知识分析，可判定地下管线在AC两点连线的正下方,管线离地表的深度为 。
设计意图：①考查学生是否具有赋值表征、数学表征和图像表征的能力。能否利用数学知识工具将生活化物理模型进行精细化分析与系统化综合的能力。
②培养学生的“科学思维和科学探究素养”。
通过给予学生一定的思维空间和挑战性任务，以学生为主体实施理想化处理、物理建模、知识选择、方案设计及数理推导等递进式步骤，最终成功完成了问题解决，同时也引导学生学会了解决生活化物理问题的一般思路。
5、生活化物理问题回归化
物理来源于生活，回归并服务于生活。本案例是以生活中的真实事件为原型经模型化后生成的简单版本，而实际工程中使用的地下管线探测仪的工作原理更为复杂，这可以成为学生进行继续深度学习的优良资源。
布置课后分组探究作业：查询资料和实地调研实际市政规划项目中使用的地下管线检测仪，比较研究探测仪设计原理与本研究方案的异同点。
设计意图：将物理学理论知识和思维方法从课堂迁移到生产、生活中，培养学生自主运用所学知识和方法解决实际问题的习惯和能力，引导学生具备尊重事实和证据的意识，有实事求是的实证理念和严谨的求知态度，培养“科学态度与责任素养”。
三、教学反思
为了更好地实现物理学科的育人价值，学科核心素养理念下的物理教学要求老师将丰富的生活资源融入到教学实践之中，依循自组织表征理论来设计有效的物理教学活动。通过对各种生活化物理现象的辨析，培养学生的物理观念，让学生真正地走进生活、融入社会，感觉学有所用；在基于生活化物理实例的模型建构中，锻炼学生的科学思维能力；在对生活化物理问题的探究过程中，养成科学严谨、实事求是的态度。在与生活化物理的思想碰撞中，提升学生尊重自然、尊重生命的责任感，使物理课真正成为培养学生物理学科核心素养的生态化教育平台。
参考文献：
［1］邢红军．自组织表征理论:一种物理问题解决的新理论[J]．课程．教材．教法,2009,029(004):60-64
[2]陆泽璇,林乐鑫．物理教学过程的自组织转变——以'电流与电压的关系'教学为例[J]．物理教师,2019,040(005):21-24
［3］王学文．数学知识在高中物理中的支持作用研究[D]．山东师范大学,2018
4