從中美教材對比視角談“理想化模型”教學(xué)思路

羅成

摘 要：理想化模型是研究物理問題最基本、最重要的科學(xué)研究方法之一。從中美教材對比視角出發(fā)，以“質(zhì)點(diǎn)”模型教學(xué)為例，凸顯科學(xué)方法，提煉“理想化模型”教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞：理想化模型；教材對比；教學(xué)思路

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）12-0019-4

“理想化模型”是指在一定條件下對實(shí)際事物的幾何形體、物理性質(zhì)或物理環(huán)境等進(jìn)行合理的抽象而得到的理想事物[1]?！袄硐牖Ｐ汀痹从诰唧w事物又高于具體事物，是感知和思維的產(chǎn)物?！百|(zhì)點(diǎn)”是高中物理提出的第一個(gè)理想化模型，“質(zhì)點(diǎn)”模型的建立既是一種典范，又具有普遍意義。高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出：“倡導(dǎo)不受某一種教科書的束縛，吸收和利用各種有利于學(xué)生發(fā)展的課程資源。教師應(yīng)根據(jù)本校特點(diǎn)和學(xué)生的需要，精選課程資源，充實(shí)物理課程的教學(xué)內(nèi)容”[2]。鑒于此，下文選用人教版高中教材與美國主流高中教材《物理 原理與問題》，以“質(zhì)點(diǎn)”模型的構(gòu)建過程為例從教材對比的視角予以分析，并總結(jié)“理想化模型”的教學(xué)思路。

1 對比分析“理想化模型”構(gòu)建過程

“質(zhì)點(diǎn)”模型內(nèi)容呈現(xiàn)方式對比如表1所示。 創(chuàng)建有效的教學(xué)情境可促進(jìn)學(xué)生對新概念的建構(gòu)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，對高中物理教學(xué)的起始階段顯得尤為重要。兩個(gè)版本的教材采用多種方法創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，構(gòu)建“理想化模型”——“質(zhì)點(diǎn)”模型，如人教版采用的是列舉生活實(shí)例、猜想提出問題的形式；美國版通過生活觀察實(shí)例、顯化科學(xué)方法的形式?！袄硐牖Ｐ汀钡奶岢鲈陉P(guān)鍵詞表述方面體現(xiàn)出了差異，人教版使用了“理想化”“簡化”，美國版使用“想象”“看作”這一表述?！袄硐牖Ｐ汀眻D表呈現(xiàn)方面，對比表1中的兩幅圖觀察，美國版將質(zhì)點(diǎn)的理想模型變抽象為形象，直觀展示出來了，使學(xué)生對質(zhì)點(diǎn)有了直接的感性認(rèn)識。人教版雖然也試圖通過圖片滲透質(zhì)點(diǎn)模型的教育，但效果遠(yuǎn)不如前者?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《課標(biāo)》）對“質(zhì)點(diǎn)”的教學(xué)要求是：通過對質(zhì)點(diǎn)的認(rèn)識，了解物理學(xué)研究中物理模型的特點(diǎn)，體會(huì)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用[2]。根據(jù)《課標(biāo)》的要求，第一個(gè)層次需要學(xué)生認(rèn)識質(zhì)點(diǎn)，即什么是質(zhì)點(diǎn)，為什么要引入“質(zhì)點(diǎn)”；第二個(gè)層次要求了解物理模型的特點(diǎn)，即怎樣建立物理模型，物理模型有何特點(diǎn)；第三個(gè)層面要求體會(huì)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用，即如何簡單運(yùn)用物理模型解決問題。根據(jù)《課標(biāo)》的要求和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)理論，美國版則更加符合《課標(biāo)》的要求和學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)“理想化模型”教學(xué)實(shí)例

比較不是為了批判，而是為了選取精華；整合不是為了疊加，而是為了最佳融合。教材都是課程專家和學(xué)科專家集體智慧的結(jié)晶，理應(yīng)結(jié)合學(xué)生實(shí)際，選取精華素材，優(yōu)化教學(xué)思路，提高學(xué)習(xí)實(shí)效。

2.1 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)具有新穎性，極大地觸動(dòng)學(xué)生的各個(gè)感官，而教材中的素材具有滯后性，不符合新穎性這一特點(diǎn)。筆者在情境設(shè)置方面作了如下設(shè)計(jì)：化靜態(tài)的圖片為動(dòng)態(tài)的視頻，選用了“嫦娥三號”探測器發(fā)射運(yùn)動(dòng)視頻，如圖1所示。介紹科學(xué)家研究“嫦娥三號”探測器的運(yùn)動(dòng)軌道、在空中所處的位置、飛行的速度等問題時(shí)所采用的方法——將“嫦娥三號”簡化為“點(diǎn)”。提出問題：我們在研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，是否也可以像科學(xué)家研究“嫦娥三號”那樣把研究的物體簡化為一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)呢？

物理教學(xué)情境的選擇不能隨心所欲，而應(yīng)使物理情境有助于學(xué)生在頭腦中形成正確而清晰的物理表象。在“質(zhì)點(diǎn)”模型的傳統(tǒng)教學(xué)中，采取了地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)等情境，由于沒有很好地與學(xué)生真實(shí)的生活實(shí)際相結(jié)合，因此存在一定的缺陷。而優(yōu)化后的情境（“嫦娥三號”探測器的運(yùn)動(dòng)）充分體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課程理念。

2.2 列舉實(shí)例，思考討論

各版本教材中為了讓學(xué)生更好地認(rèn)識“質(zhì)點(diǎn)”模型，列舉了大量的實(shí)例，人教版采用的是地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，火車整體的運(yùn)動(dòng)和車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。比較發(fā)現(xiàn)美國版在實(shí)例列舉上則處理得更加合理——選用“跑步者”的運(yùn)動(dòng)，選取的素材與學(xué)生的生活實(shí)際聯(lián)系緊密。借鑒“跑步者”這一實(shí)例，設(shè)計(jì)如下討論交流：

①你覺得要準(zhǔn)確描述跑步者的位置，容易嗎？請說說你的看法。

②如果忽略跑步者身高、姿勢上的差異，只關(guān)心他的運(yùn)動(dòng)軌跡，可否簡化處理？請說說你的看法。

科學(xué)概念源自生活，又服務(wù)于生活，通過創(chuàng)設(shè)生活化的情境，在真實(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)中找尋有益的學(xué)習(xí)素材，結(jié)合素材提出層級化的問題，使得物理概念得到良好的建構(gòu)。

2.3 引導(dǎo)概括，建立模型

任何一個(gè)物理模型的建立，都有其建立的必要性，學(xué)生只有認(rèn)識到建立這一模型的必要性和重要性，才能主動(dòng)地進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過上面的討論交流，引導(dǎo)學(xué)生思考：如果忽略跑步者手臂和腿的運(yùn)動(dòng)，而只關(guān)心他的運(yùn)動(dòng)軌跡，就能更方便地觀察跑步者的運(yùn)動(dòng)情況。因?yàn)檫@時(shí)你只要把注意力集中在他身體中心的某一個(gè)點(diǎn)即可。若將跑步者縮小為一點(diǎn)，就可以得到跑步者運(yùn)動(dòng)的“質(zhì)點(diǎn)”模型，借助這一做法可以做出跑步者每隔一定時(shí)間運(yùn)動(dòng)的“質(zhì)點(diǎn)”模型圖，如圖2所示。

通過上述環(huán)節(jié)概括得出：在物理學(xué)的研究中，你經(jīng)?？梢院鲆曔\(yùn)動(dòng)物體的體積和大小，而把所研究的運(yùn)動(dòng)物體想象成一個(gè)非常非常小的物體，更確切地說，就是把其想象成一個(gè)點(diǎn)。這種忽略物體大小和體積而把物體看作一個(gè)點(diǎn)的方法，稱為質(zhì)點(diǎn)模型（paretic model）[3]。

美國版教材在“理想化模型”的構(gòu)建方面從物理學(xué)研究方法（建立理想化模型）入手，提出質(zhì)點(diǎn)模型，并給出使用“質(zhì)點(diǎn)”模型的注意事項(xiàng)和用“質(zhì)點(diǎn)”模型進(jìn)行測量時(shí)的具體操作方法，顯化了科學(xué)方法（理想化方法），而人教版則是以旁批文字形式呈現(xiàn)理想化方法。根據(jù)傳播學(xué)理論，人類在接收新信息、新知識的過程中，需要將新信息、新知識與已有的信息、知識和經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)，對新的信息和知識進(jìn)行解碼和重組，最終同化、順應(yīng)后內(nèi)化為個(gè)人的信息和知識，進(jìn)而豐富、完善個(gè)人的知識體系[4]。研究表明：在教學(xué)中采取讓學(xué)生“悟方法”的方式并不能有效地發(fā)展認(rèn)知結(jié)構(gòu)，完善知識體系。概而言之，只有對科學(xué)方法進(jìn)行顯性化教學(xué)，實(shí)現(xiàn)知識應(yīng)用的便捷與有效的遷移。

2.4 遷移應(yīng)用，跟蹤評價(jià)

在對某一概念學(xué)習(xí)后，學(xué)生是否真正掌握了所學(xué)的知識？分析問題和解決問題的能力是否有所提高？還存在什么問題？問題的根源在何處？要想解決此類問題就必須對學(xué)生的知識形成情況進(jìn)行客觀的評價(jià)[5]。形成性測試對教學(xué)有導(dǎo)向功能、診斷功能、激勵(lì)功能和發(fā)展功能，教材后的練習(xí)題就是很好的測試素材。因此，在教學(xué)中選用了如下三道測試題：

①如圖3所示的是一只小鳥的運(yùn)動(dòng)圖。用質(zhì)點(diǎn)模型畫出對應(yīng)的簡化運(yùn)動(dòng)圖。應(yīng)該選擇小鳥身上的哪一點(diǎn)來代表小鳥？

②分析下列情境中的研究對象哪些能看作質(zhì)點(diǎn)，哪些不能看作質(zhì)點(diǎn)：

a.研究跳水運(yùn)動(dòng)員的空中做的轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)；

b.研究運(yùn)行中的人造地球衛(wèi)星的軌道；

c.研究運(yùn)動(dòng)中的自行車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。

③物理中的“質(zhì)點(diǎn)”跟幾何學(xué)中的“點(diǎn)”有什么相同和不同的地方？你能否總結(jié)一下：在具體問題中把物體看成質(zhì)點(diǎn)的條件是什么？請相互交流。

練習(xí)的目的在于進(jìn)一步消除學(xué)生對概念的模糊感與陌生感，①②題就是為了強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)模型，有助于學(xué)生理解和加強(qiáng)概念建立過程中的方法；另一方面要體會(huì)如何在具體問題中應(yīng)用物理模型，開放性的問題比較適合③題。

3 高度提煉“理想化模型”教學(xué)思路

美國心理學(xué)家Judd提出的“類化說”學(xué)習(xí)遷移理論對物理模型教學(xué)有重要的指導(dǎo)意義。Judd認(rèn)為在先期學(xué)習(xí)A中獲得的東西，之所以能遷移到后期學(xué)習(xí)B中，是因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)B時(shí)獲得了一般原理，這種原理可以部分或全部運(yùn)用于A、B之中[6]。針對某些教學(xué)問題，提煉問題解決一般的程序，步驟及策略或者借助圖表壓縮信息，構(gòu)建起知識網(wǎng)絡(luò)，形成一定的“思維模式”，優(yōu)化頭腦中的知識結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)實(shí)效。

理想化模型教學(xué)重在凸顯理想化方法，所謂理想化方法是指研究主體借助于邏輯思維和想象力，根據(jù)所研究問題（一般都是涉及諸多因素的復(fù)雜問題）的需要和具體情況，有意識地突出研究對象的主要和本質(zhì)因素，排除次要、非本質(zhì)以及無關(guān)因素的干擾，通過創(chuàng)建理想化模型、塑造理想化實(shí)驗(yàn)從而簡明扼要地揭示物理現(xiàn)象本質(zhì)的方法[7]。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的“理想化模型”教學(xué)實(shí)例提煉“理想化模型”的一般教學(xué)思路如圖4。

首都師范大學(xué)邢紅軍教授從科學(xué)方法的來源出發(fā)，將科學(xué)方法分為思維方法和物理方法兩類。其中，前者是主觀的，是大腦的功能，需要訓(xùn)練才能使學(xué)生形成和掌握；后者是客觀的，不是大腦的功能，需要教師的傳授才能讓學(xué)生習(xí)得和掌握[8]。在上述“理想化模型”的一般教學(xué)思路中物理方法和思維方法在顯化的基礎(chǔ)上得以最佳的融合。

參考文獻(xiàn)：

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[7]吳強(qiáng).科學(xué)方法與高中物理問題解決[M].濟(jì)南：山東教育出版社，2013.

[8]邢紅軍，陳清梅，胡揚(yáng)洋.科學(xué)方法納入課程標(biāo)準(zhǔn)：基礎(chǔ)教育課程改革的重大理論問題[J].教育科學(xué)研究，2013（7）：5—12.

（欄目編輯 劉 榮）