物理模型的建構(gòu)及其教學(xué)

程柱建

摘 要 物理模型是人們對(duì)物理研究對(duì)象和過(guò)程的結(jié)果表達(dá)與解釋，是一種理想化、有意義的物理表達(dá)。物理模型建構(gòu)能力是物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的一個(gè)重要方面，因此，物理模型的教學(xué)要給學(xué)生以方法的掌握、模型的存儲(chǔ)、應(yīng)用的體驗(yàn)和實(shí)踐的突破。

關(guān)鍵詞 物理模型 核心素養(yǎng) 高中教學(xué)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）》指出物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成。科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的一個(gè)方面，其主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。物理模型的建構(gòu)不僅能夠解釋物理現(xiàn)象與解決物理問(wèn)題，而且能夠有效地促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展，提升學(xué)生問(wèn)題解決的能力，為學(xué)生的終身發(fā)展奠基。

一、物理模型的分類

物理模型是人們對(duì)物理研究對(duì)象和過(guò)程的結(jié)果表達(dá)與解釋[1]，是一種理想化、有意義的物理表達(dá)。物理模型是由客觀物質(zhì)世界過(guò)渡到物理概念、物理規(guī)律、物理理論的中間環(huán)節(jié)，是物理概念和物理規(guī)律賴以建立的基礎(chǔ)[2]。例如，質(zhì)點(diǎn)是牛頓運(yùn)動(dòng)定律、萬(wàn)有引力定律等規(guī)律建立的基礎(chǔ)。

根據(jù)物理問(wèn)題解決過(guò)程中的要素，物理模型通常分為以下四類：1.對(duì)象模型：忽略研究對(duì)象（物體或系統(tǒng)）的次要因素，建構(gòu)反映對(duì)象本質(zhì)的理想模型。例如：質(zhì)點(diǎn)、輕繩、輕桿、輕彈簧、點(diǎn)電荷、電場(chǎng)線、純電阻、磁感線、彈簧振子、單擺等。2.狀態(tài)模型：表示研究對(duì)象的某種理想狀態(tài)。例如：物體的平衡狀態(tài)、理想氣體的狀態(tài)等。3.過(guò)程模型：研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理想化結(jié)果。例如：勻變速直線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、完全彈性碰撞等。4.條件模型：實(shí)際問(wèn)題的某些條件理想化以簡(jiǎn)化問(wèn)題而建立的模型。例如：光滑斜面、忽略空氣阻力、不計(jì)導(dǎo)軌電阻、理想電表、足夠長(zhǎng)的導(dǎo)軌、磁場(chǎng)區(qū)域足夠大等。

二、物理模型的建構(gòu)

1.物理模型建構(gòu)的三個(gè)階段

模型建構(gòu)是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過(guò)程，是基礎(chǔ)知識(shí)的高度概括和典型思維的概括。基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，“建構(gòu)”是物理模型的形成和建立的過(guò)程，也是學(xué)生認(rèn)識(shí)和能力“同化”和“順應(yīng)”的過(guò)程。

物理模型的建構(gòu)是抓住物理情境的主要因素，忽略次要因素，通過(guò)科學(xué)抽象去認(rèn)識(shí)其物理本質(zhì)的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)某一物理情境建構(gòu)物理模型需要經(jīng)歷三個(gè)階段：（1）科學(xué)抽象階段。對(duì)物理情境進(jìn)行思維加工，抽象出物理對(duì)象的本質(zhì)特征。（2）模型形成階段。將人們頭腦中存儲(chǔ)的相關(guān)物理模型和物理對(duì)象的本質(zhì)特征進(jìn)行比較，建構(gòu)出適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，同時(shí)進(jìn)一步表征物理對(duì)象。（3）模型確認(rèn)階段。根據(jù)建構(gòu)的物理模型尋找解決問(wèn)題的相關(guān)物理規(guī)律和解決問(wèn)題的路徑，并嘗試解決問(wèn)題。問(wèn)題的順利解決即意味著物理模型的成功建構(gòu)，否則需要重新建構(gòu)。

2.高中生模型建構(gòu)的五級(jí)水平

根據(jù)問(wèn)題情境的復(fù)雜程度、內(nèi)容的抽象程度、應(yīng)用的水平高低等，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）》給出了學(xué)業(yè)質(zhì)量的五級(jí)水平劃分，涉及模型建構(gòu)的水平劃分如下：

水平1：能說(shuō)出一些簡(jiǎn)單的物理模型。

水平2：能在熟悉的情境下應(yīng)用常見(jiàn)的物理模型。

水平3：能在較為熟悉的情境中根據(jù)需要選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⒂靡越鉀Q簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題，能判斷現(xiàn)實(shí)物體和理想模型的異同。

水平4：能根據(jù)解決問(wèn)題的需要建構(gòu)物理模型。

水平5：能根據(jù)解決問(wèn)題的需要建構(gòu)恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ汀?/p>

其中水平2是針對(duì)高中畢業(yè)的水平要求，水平4是針對(duì)進(jìn)入高校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到的水平要求。從以上五級(jí)水平的描述，高中物理模型教學(xué)大致可以分為這樣兩個(gè)層次：（1）合格層次：知道物理模型、應(yīng)用物理模型；（2）優(yōu)秀層次：選用物理模型、建構(gòu)物理模型。

三、物理模型的教學(xué)

1.物理學(xué)史幫助學(xué)生了解模型建構(gòu)的方法

物理學(xué)史就是一部物理模型史，伽利略的理想斜面，牛頓的萬(wàn)有引力理論模型，盧瑟福、玻爾的原子模型都是物理模型的典型范例。物理學(xué)史上的經(jīng)典物理模型建構(gòu)的過(guò)程，不僅能讓學(xué)生了解模型建構(gòu)的方法，而且是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)態(tài)度與責(zé)任教育的極佳素材。在解決物理問(wèn)題時(shí)，人們常常利用抽象法、理想化、類比法、歸納法、等效替代法等方法，根據(jù)研究對(duì)象的主要因素建構(gòu)反映事物本質(zhì)的理想模型，將被研究問(wèn)題的本質(zhì)特征反映出來(lái)。

例如，自由落體運(yùn)動(dòng)是一種過(guò)程模型。人教版高中物理必修1將“伽利略對(duì)自由落體的研究”單列一節(jié)，是因?yàn)橘だ栽谘芯孔杂陕潴w運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)用了科學(xué)方法和巧妙的實(shí)驗(yàn)。首先，伽利略用歸謬法對(duì)亞里士多德的“重物的下落速度比輕物大”落體學(xué)說(shuō)進(jìn)行了反駁，然后從“自由落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是簡(jiǎn)單的”認(rèn)識(shí)出發(fā)提出假設(shè)，猜想出v∞x和v∞t兩種可能性，接著通過(guò)推理排除了前者，并通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出檢驗(yàn)v∞t即是檢驗(yàn)v∞t2。在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，伽利略進(jìn)行了“沖淡重力”減緩下落運(yùn)動(dòng)的著名斜面實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了落體“所經(jīng)過(guò)的各種距離總是同所用時(shí)間的平方成比例”。為了把斜面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論推廣到豎直情況下的自由落體運(yùn)動(dòng)，他還提出了“等末速度假設(shè)”，即靜止物體不論是沿豎直方向還是沿不同斜面從同一高度下落，到達(dá)末端時(shí)具有相同的速度，并利用單擺實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了這個(gè)假設(shè)[3]。伽利略在研究中應(yīng)用了多種物理方法，思想豐富，值得學(xué)生細(xì)細(xì)學(xué)習(xí)和品味。

2.思維對(duì)話引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的過(guò)程

課堂是學(xué)生學(xué)習(xí)的場(chǎng)所，包括學(xué)習(xí)的主體—學(xué)生、客體—課程文本和組織者—教師。這三個(gè)課堂要素間的思維對(duì)話可以讓課堂靈動(dòng)起來(lái)。學(xué)生的頭腦中需要存儲(chǔ)一定量的物理模型，以便于在模型建構(gòu)的形成階段進(jìn)行物理對(duì)象和已有模式的比較。物理模型建構(gòu)的教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生更易、更準(zhǔn)確地提取已有的物理模型和形成新的物理模型。教學(xué)中教師要用好教材，引導(dǎo)學(xué)生和教材上的閱讀材料對(duì)話。如學(xué)生閱讀人教版必修2“宇宙航行”一節(jié)的“科學(xué)漫步：黑洞”，可以掌握黑洞的研究過(guò)程及產(chǎn)生原因，自主建構(gòu)出黑洞的模型。endprint

課堂上的思維對(duì)話更重要的應(yīng)該發(fā)生在師生、生生之間，正是因?yàn)橛腥说拇嬖?，課堂才顯得靈動(dòng)和精彩。課堂上，教師可以進(jìn)行知識(shí)的重演，讓學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的過(guò)程，提升學(xué)生遷移應(yīng)用的能力。

例如，電場(chǎng)線是為了直觀形象地描述電場(chǎng)分布，在電場(chǎng)中引入的一些假想的曲線。新課教學(xué)時(shí)，教師一般會(huì)直接給出電場(chǎng)線這一理想模型：在畫(huà)出一根電場(chǎng)線的基礎(chǔ)上，說(shuō)明電場(chǎng)線上每一點(diǎn)的切線方向和該點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的方向一致；然后讓學(xué)生觀察教材上的正點(diǎn)電荷或負(fù)點(diǎn)電荷周圍的電場(chǎng)線，得到電場(chǎng)線密集的區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)、電場(chǎng)線稀疏的區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)弱，即可用電場(chǎng)線的疏密表示電場(chǎng)強(qiáng)度大小的結(jié)論；最后用等量異種電荷和等量同種電荷的電場(chǎng)線分布圖鞏固習(xí)得的知識(shí)。然而，從學(xué)生模型建構(gòu)的水平來(lái)說(shuō)，這樣的教學(xué)僅僅是讓學(xué)生知道和應(yīng)用電場(chǎng)線這一模型，是低水平的層次。

法拉第是最先嘗試用“線”描述磁場(chǎng)和電場(chǎng)的科學(xué)家。為了具體地設(shè)想電荷之間的作用，他曾想象在它們之間的空間中充滿了能夠拉或推的“某種東西”。他談到了某種膠皮管之類的東西，它們?cè)趦蓚€(gè)相反的電荷之間張開(kāi)并把它們拉在一起；而當(dāng)電荷的符號(hào)相同時(shí)，這種類似膠皮管的東西就向各個(gè)方向伸出并把它們推開(kāi)。在電場(chǎng)的情況下，利用電極化可以探測(cè)到這些法拉第管的方向[4]。

教師可以讓學(xué)生“從特殊到一般”自主建構(gòu)電場(chǎng)線的模型。首先，教師可以讓學(xué)生自己畫(huà)出正點(diǎn)電荷周圍眾多點(diǎn)的電場(chǎng)方向，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，正電荷周圍各點(diǎn)的電場(chǎng)方向都是發(fā)散的，從而可以建構(gòu)出像太陽(yáng)光線一樣的電場(chǎng)線；在此基礎(chǔ)上，教師輔助學(xué)生觀察等量異種點(diǎn)電荷周圍一些對(duì)稱點(diǎn)的電場(chǎng)方向，建構(gòu)等量異種點(diǎn)電荷周圍的電場(chǎng)線；最后讓學(xué)生觀察并總結(jié)電場(chǎng)線分布和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。通過(guò)這樣的教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生自己經(jīng)歷了電場(chǎng)線模型的建構(gòu)過(guò)程，使他們?cè)诮窈蟮膶W(xué)習(xí)工作中可能用到同樣的方法來(lái)研究問(wèn)題。教師再適時(shí)地介紹法拉第建構(gòu)電場(chǎng)線的過(guò)程，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生建構(gòu)物理模型的熱情。

3.題組訓(xùn)練促進(jìn)學(xué)生重視模型建構(gòu)的應(yīng)用

所謂題組訓(xùn)練是指將類似的物理模型組合成系列問(wèn)題，讓學(xué)生在解決問(wèn)題中學(xué)會(huì)比較、選擇和應(yīng)用相關(guān)物理模型，強(qiáng)化模型建構(gòu)的意識(shí)。題組訓(xùn)練要重視物理思維的滲透，體現(xiàn)濃濃的物理味，要淡化純粹的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

物理學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生會(huì)遇到多種重要的典型物理模型。例如，在進(jìn)行“豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)”教學(xué)時(shí)，教師可以在學(xué)生熟悉了輕繩模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一組問(wèn)題，讓學(xué)生區(qū)別輕繩（圓軌道）模型和輕桿（圓管道）模型，還可以用水流星等小實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)模型的認(rèn)識(shí)。

學(xué)生對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行分析和解答的過(guò)程，就是對(duì)物理模型進(jìn)行識(shí)別、建構(gòu)以及應(yīng)用的過(guò)程，題組訓(xùn)練能幫助學(xué)生拓展和延伸物理模型應(yīng)用的情境。例如，在掌握速度選擇器模型后，學(xué)生再分析磁流體發(fā)電機(jī)、霍爾效應(yīng)、電磁流量計(jì)等實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一旦受力分析后就會(huì)想到利用速度選擇器模型來(lái)分析解決問(wèn)題。

4.原始物理問(wèn)題提升學(xué)生進(jìn)行模型建構(gòu)的能力

原始物理問(wèn)題是指對(duì)自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理現(xiàn)象的描述[5]。原始物理問(wèn)題是真實(shí)存在的問(wèn)題，能否有效建構(gòu)物理模型解決生活中的真實(shí)問(wèn)題是衡量學(xué)生物理核心素養(yǎng)高低的重要標(biāo)準(zhǔn)。

全國(guó)物理高考命題委員會(huì)進(jìn)行科研測(cè)試時(shí)曾使用過(guò)如下一道題目：一籃球自某一高度自由下落，撞到地面后又彈起，升到一定高度后又自由下落，之后又彈起、下落，一次又一次，直至籃球靜止，試定性畫(huà)出在整個(gè)過(guò)程中籃球的加速度a隨時(shí)間t的變化圖線。這道題目要求學(xué)生在分析籃球的受力、運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的基礎(chǔ)上，能夠構(gòu)建出籃球在空中是自由落體運(yùn)動(dòng)或豎直上拋的過(guò)程模型；籃球與地面的碰撞為非彈性碰撞的條件模型；籃球與地面接觸過(guò)程中類似彈簧發(fā)生形變的對(duì)象模型。

教育部考試中心主任姜鋼提出探索構(gòu)建“一體四層四翼”的高考評(píng)價(jià)體系，“應(yīng)用性”為考查要求的“四翼”之一?！皯?yīng)用性”要求主要體現(xiàn)在學(xué)生要能夠善于觀察現(xiàn)象、主動(dòng)靈活地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題，學(xué)以致用，具備較強(qiáng)的理論聯(lián)系實(shí)際能力和實(shí)踐能力[6]。近年的一些高考試題也體現(xiàn)了物理情境真實(shí)性的要求。

例如，回旋加速器模型是帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的一種簡(jiǎn)化模型，常見(jiàn)的簡(jiǎn)化有忽略高能粒子的相對(duì)論效應(yīng)、忽略帶電粒子的加速時(shí)間、電壓在粒子加速過(guò)程中不變等。2008年高考改革以來(lái)，江蘇高考物理卷對(duì)回旋加速器模型均以計(jì)算題的形式進(jìn)行了考查，2009年命題的切入點(diǎn)是考慮回旋頻率與加速頻率匹配程度對(duì)加速器出射粒子動(dòng)能的影響，2011年命題的切入點(diǎn)是考慮高能帶電粒子的相對(duì)論效應(yīng)，2016年命題的切入點(diǎn)是粒子被電場(chǎng)加速的過(guò)程被視為勻加速運(yùn)動(dòng)，需要考慮加速時(shí)間引起的相移。這3道高考題為學(xué)生提供了部分真實(shí)的物理問(wèn)題情境，考查了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力[7]。

原始物理問(wèn)題的解決呼喚理論分析和實(shí)踐操作的結(jié)合。例如，必修1學(xué)習(xí)結(jié)束后，教師可以布置“估測(cè)人騎自行車時(shí)車受到的阻力”的實(shí)踐作業(yè)。該實(shí)踐作業(yè)要求學(xué)生通過(guò)分析將人和車整體作為研究對(duì)象，并聯(lián)想到頭腦中已有的滑塊在地面上運(yùn)動(dòng)的模型。考慮實(shí)際可以利用的測(cè)量器材情況，學(xué)生不便于直接測(cè)量力，則可以從由運(yùn)動(dòng)求力的角度來(lái)間接測(cè)量力。學(xué)生便于直接測(cè)定人和車的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和位移，則可以選擇從人停止蹬車到車停止的過(guò)程來(lái)計(jì)算出加速度，再根據(jù)牛頓第二定律就可以計(jì)算出人騎自行車時(shí)車受到的阻力。教師可以將學(xué)生分成若干實(shí)驗(yàn)小組，在學(xué)生用紙筆進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，再讓實(shí)驗(yàn)小組到操場(chǎng)上去實(shí)際測(cè)量，進(jìn)一步提升科學(xué)探究的素養(yǎng)。

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【責(zé)任編輯 郭振玲】endprint