如何利用原始物理问题提高学生的学习兴趣

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［内容摘要］本文结合两个长度测量的原始物理问题的解决，介绍了在大学物理教学中进行素质拓展教学和兴趣教学的具体实践，指出原始物理问题对于提高学生学习物理的兴趣和必要性。

［关键词］物理原始问题；兴趣物理；长度测量；物理教学

杨振宁曾经指出：“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。”当前中学物理教学中的主要问题是只强调概念的定义及其运用，不重视物理概念形成过程的教学，即忽视了感知操作和表象等认知成分的丰富和巩固，导致概念与有关表象经常脱节，这导致学生对物理学习产生恐惧心理。

目前在很多大学中，都对全校学生开设素质拓展课程，尤其是文理专业之间，相互交叉进行选课。在我校面向非物理专业学生开设了《生活和兴趣物理》素质拓展课程，把一些常见和奇特的生活现象作为原始物理问题和物理知识联系起来，引起了学生的极大兴趣。在教学过程中通过“小题大做”，训练学生的思维方法和解决问题的能力。这里介绍一下我们在该课程中引入原始物理问题的教学实践，以供同行参考。

原始物理指基于对自然界及社会生活中客观存在的、未被加工的物理现象的观察，泛指社会生活中人类预期要达到某种目的，要得到的某种结果而需要如何应用物理规律的问题，属于实际应用性问题的范畴。大学物理教学中，实施素质教育可以避免中学物理教学应试教育的功利性。为了真正培养学生科学素养内的全面素质，原始物理问题教学更应该得到广泛而普遍的应用。

一、长度测量原始问题的提出及目的

在生活中，经常需要对一些物体的长度或者厚度进行估测。如果没有刻度尺，是不是就没有办法知道物体的长度或者厚度呢？尽管物理课堂教会了学生如何用千分尺测量极细微的物体，但对于这个问题，课堂所学的知识仍然显得无能为力。我们可以用肉眼估算一个大致长度，但结果因人而异，因物体的长短而异，这个简单的生活问题难倒了一大片学生。

课堂上，我们提出如何不使用刻度尺来测量400m标准跑道周长和一个长×宽为40mm×35mm长方形的边长问题。

分析这样一个问题，其根本是刻度尺的使用问题。什么是刻度尺呢？固有的观念就是在商店里面买到的带有刻度线的测量工具，测量范围从高精度的千分尺到可以测量几十米的卷尺。人们可以根据被测物体的大小，选择合适的刻度尺。除此之外，刻度尺真的仅仅是这些带有刻度线的有形的测量工具吗？有些物体有着标准的尺寸，它们自身可以作为刻度尺使用。刻度尺换一个词可以叫做规矩物，因为被一定的标准所束缚。

设置这样的问题初衷是让学生会使用生活中常见的一些规矩物来进行测量和估算。除了刻度尺这种标准的规矩物之外，日常生活中还有许多常见的物体可以作为规矩物。它们或者有标准的尺寸，如纸币、硬币、银行卡、打印纸和鞋子等都符合一定的标准；或者是具有大概的尺度范围，如人的身体密码包括手指的宽度、手掌大小、步长、臂长、身高以及地球的周长等。这些规矩物的尺度范围从小到大，可以很方便地测量长度。除了这些规矩物之外还有一些方法，经过简单计算可以得到长度的大小，如可以通过汽车的平均速度和运行时间估计两地之间的距离，通过落地时间估计物体抛出时的高度等等方法。

二、解决方法

拿到题目之后，同学们投入了很大的热情来进行测量，想出了许多很好的办法，测量过程充满了趣味性。

1.400米标准跑道长度的测量。在400米标准跑道的测量中，同学们想出了10余种很好的方法，测量结果与标准的400米相比误差很小。下面列出几种具有代表性的方法：

（1）步行法：步行法即走路。首先知道自己一步的长度，有个同学采用了非常科学的方法来测量自己一步的长度，他在标准100米跑道上连续走了4次，然后计算自己的步数――通过多次测量的方法确定自己的步长，然后绕着跑道走3圈，记下总步数，利用步数×步长/3得到了跑道的周长为401.5米，这位同学利用多次测量的方法来减小测量误差。之后总结经验，这位同学说最大的收获是知道自己一步有多长，以后不用尺子也能很有信心地量出一段距离的长度。这种方法也有缺点，在数字很大的时候，容易在受到干扰时发生计数错误。与这种方法相同的还有利用自行车轮子的周长，通过记录轮子滚动多少圈来计算跑道的长度。同样也可以多绕着跑道转几圈来减小测量的误差。

(2)分割法：有同学发现400米跑道是由两段100米的直线段和两个半圆组成的，于是测量了半圆的直径，通过计算得出圆的周长，加上200米之后就是跑道的长度。

（3）速度和时间组合方法：先在100米标准段上面散步或者跑步，记下所用的时间，然后绕着跑道散步或者跑步，计算总的时间，最后用速度×时间计算出跑道的长度。这种方法的优点是在锻炼的时候就可以完成测量，可以用于较长距离的估算并且可以避免产生错误计数。

（4）电子地图方法：这是一种经常用到的方法。在电子地图软件如Google earth中查到学校的体育场，然后用鼠标连线，可以直接得到连线的长度。

2. 40mm×35mm矩形长和宽的测量。在这个测量问题中，测量对象的尺度比较小，所以测量方法与跑道长度的测量方法不同，需要换用合适的规矩物。在这样的尺度范围内，身边常用物体的长度和身体密码等都是很合适的规矩物，还有一些物体虽然很大，但经过适当处理后同样可以用来测量这种尺度范围的长度。常见的物体有纸币、电话卡和银行卡等标准卡片；A4打印纸和书本开本信息以及手指的宽度、不同数目手指并拢时的宽度等。这些规矩物因人而异，但对每个人来说基本上是固定的，记住这些规矩物的大小在生活中会非常有用。

同学们在看到这个长方形之后，提出了许多可用的规矩物，可归纳为以下五种：

（1）纸币。纸币是最合适的规矩物，只要拿到的是同样的纸币，任何一张都具有相同的长和宽。如第五版人民币的规格（长×宽×对角线，单位：mm×mm×mm）：100元为155×77×173，50元为150×70×165.5，20元为145×70×161，10元为140×70×156.5，5元为135×63×149，1元为130×63×144.5。100元纸币、50元纸币、20元纸币、10元纸币和5元纸币长度从155mm依次递减5mm，可以很好地估测从130mm到155mm之间的长度，组合起来可以测量更大尺度物体的长度。1元硬币直径25mm，边厚1.85mm，五角硬币直径20.50mm，边厚1.65mm，利用硬币的厚度可以很好地估测几个毫米尺度物体的长度。

除了纸币之外，还有信封（一般信封背面注明尺寸）等标准物。GB/T1416-2003中国国家标准信封尺寸（mm×mm）B6号为176×125，DL号为220×110，ZL号为230×120，C5号为229×162，C4号为324×229。这些标准物提供了长度大小不同的标准尺寸，让我们可以进行估测。

(2)适当处理后可以用的规矩物。A4纸的规格为210mm×297mm（对角线长363.7mm，约364mm），将长度5等分后每一份为42mm，6等分后每一份为35mm，可以用作对图中长方形长和宽的测量。16开本书的规格为188mm×265mm（对角线长度324.9mm，约325mm），265/6≈44.2mm，265/7≈37.6mm亦可用于图中长方形长和宽的测量。大16开书的规格为210mm×297mm，与A4纸相同。利用这种方法，在尺度合适的情况下误差较小，一般不会有较大的误差。

(3)一些日用品的常用尺寸。如常用圆珠笔的长度、圆珠笔芯的长度、饮用水瓶盖、钥匙的宽度和长度，测量后记下来，需要的时候就可以用这些物体估测。

(4)利用身体密码。每个人的五个手指宽度和长度是不一样的，把它们都记在心里就是一组自己的身体密码，同样可以用来测量。

(5)利用计算机刻度象素对应长度。有的同学想到了利用计算机测量扫描图片象素的方法。把标准1cm画到图上，然后把图片和刻度线扫描成电子格式。量出1cm刻度线的长度，计算每个象素对应的长度，然后测出长方形长和宽对应的象素，简单计算即可得出长和宽。这种方法很值得推荐，将其扩展后对于比刻度尺精确度小的问题（如一般刻度尺精确到1mm）和刻度尺难以直接测量的问题都可以解决。

前四种方法可以应用到日常估测中，第五种方法则可以应用在科学测量上。在完成这两个测量之后，教师可以把学生使用的测量方法进行总结，使学生发现测量长度可以运用丰富的物理方法，从而产生学习兴趣。

总结

真正将原始问题应用于大学物理教学，需要教师认真仔细地体验和思考生活，与生活实践和生活现象相结合，在生活中挖掘物理知识、物理思维和操作方法。这种教学模式不仅可以提高学生学习物理的热情，在思维模式、创新能力培养和科学素质培养方面都能达到训练目的。

综观目前的物理教辅材料编排，一般是理论知识叙述+普通习题的模式，而从认识自然、解决遇到问题和解释现象的角度出发的编排体制，一般限于《十万个为什么》和科普读物的形式，这两者一种偏重学科系统，一种偏重读者兴趣。从综合教育学、心理学和学科系统知识的角度出发，原始物理问题不失为一个最佳的组织物理知识系统的教学平台之一。我们相信通过越来越多教师的实践，或将会在利用原始物理问题培养学生科学素质和创新能力方面探索出一条新路。

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