深耕物理規(guī)律教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生建模能力

■浙江省寧波市北侖區(qū)顧國和外國語學(xué)校 焦 越

學(xué)生在學(xué)習(xí)初中物理的時(shí)候，普遍感到物理問題的棘手。究其原因，是學(xué)生對物理問題的解決缺乏系統(tǒng)的過程方法認(rèn)識。物理問題的解決一般包括以下四個(gè)思考階段。

首先，要根據(jù)問題所描述的物理情境建立或選用合理的物理模型；其次，在物理模型中分析存在的物理概念和滿足的物理規(guī)律，選擇和應(yīng)用它們；再次，利用題中所提供的有關(guān)物理?xiàng)l件，把情境中要求的解答作為物理問題目標(biāo)轉(zhuǎn)化為一種數(shù)學(xué)關(guān)系；最后，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算將獲得的結(jié)果再回放到物理模型中檢驗(yàn)、討論。若結(jié)果具有物理意義，則稱物理問題得到了解決，即物理習(xí)題獲得解答。顯然，建立模型階段是物理問題解決過程中最重要的一步。模型正確與否或合理與否，直接關(guān)系到物理問題解決的質(zhì)量好壞，物理問題解決過程中的各操作階段對應(yīng)學(xué)生的相應(yīng)學(xué)習(xí)能力，這些能力有序地構(gòu)成了學(xué)生的問題解決能力。在整個(gè)初中物理知識體系中，物理規(guī)律占據(jù)其中很大篇幅，物理規(guī)律教學(xué)也是初中物理教學(xué)的重要組成部分。物理規(guī)律反映了物理現(xiàn)象中的事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，是科學(xué)知識的核心，也是物理知識結(jié)構(gòu)的骨架。在物理教學(xué)中，許多教學(xué)內(nèi)容需要學(xué)生從科學(xué)現(xiàn)象中去發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律，然后運(yùn)用科學(xué)規(guī)律去解釋科學(xué)現(xiàn)象，從而揭示現(xiàn)象本質(zhì)。

從模型思維上講，這個(gè)過程即為從現(xiàn)象出發(fā)，根據(jù)某一特定目的，抓住現(xiàn)象的本質(zhì)特征，對現(xiàn)象進(jìn)行抽象，把復(fù)雜的現(xiàn)象加以簡化和純化，建構(gòu)一個(gè)能反映現(xiàn)象本質(zhì)聯(lián)系的模型，進(jìn)而通過對模型的研究獲取現(xiàn)象的信息，為形成規(guī)律建立基礎(chǔ)。同時(shí)，還能將模型應(yīng)用于同類現(xiàn)象的研究。因此，物理模型不僅僅是對物理規(guī)律簡單、生動(dòng)的描述，也是物理規(guī)律應(yīng)用的工具。在物理規(guī)律教學(xué)中，對學(xué)生進(jìn)行物理建模能力培養(yǎng)，能真正提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生后續(xù)發(fā)展提供持久的動(dòng)力。因此，在規(guī)律教學(xué)中培育學(xué)生的物理建模能力，對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展有舉足輕重的作用。

一、物理規(guī)律教學(xué)中滲透物理建模的思想

物理模型的建立，需要授課教師有清晰的目標(biāo)意識，相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)要簡潔高效地圍繞目標(biāo)展開。以“光的反射”為例，該課是一節(jié)典型的研究物理規(guī)律的課。通過教學(xué)，學(xué)生要知道反射的規(guī)律，并能用反射規(guī)律來解釋一些現(xiàn)象。而反射規(guī)律主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是入射光線、反射光線和法線在同一平面內(nèi)；二是入射光線、反射光線分居法線兩側(cè)；三是反射角等于入射角。分析教學(xué)的重點(diǎn)可以看出，教學(xué)的首要目標(biāo)是建立一個(gè)對象模型，即光反射的模型。由于物理規(guī)律在一定條件下有普遍性的特點(diǎn)，因此僅僅通過這個(gè)相對靜態(tài)的對象模型，學(xué)生還是無法清晰得出光的反射規(guī)律。如果讓這個(gè)對象模型在一定條件下“動(dòng)”起來，學(xué)生是非常容易總結(jié)出規(guī)律的。因此，教學(xué)的第二目標(biāo)是將對象模型轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程模型。

（一）純化科學(xué)現(xiàn)象，建立模型

將指星筆定位好，在講臺上展示光反射光路。請學(xué)生觀察現(xiàn)象，畫出它的光路圖。之后，請一位學(xué)生在黑板上畫光路圖，建立光反射的物理模型圖。學(xué)生上臺展示，并自主命名“入射角”“法線”“反射角”等名稱。建立光反射的物理模型圖，對學(xué)生的思維要求很高，傳統(tǒng)做法是教師建立，學(xué)生認(rèn)知。然而，這樣無法體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的主體性。對此，教師要用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做臺階，用已掌握的模型做扶手，順利突破難點(diǎn)，使學(xué)生收獲成功建立物理模型的樂趣。

（二）動(dòng)手實(shí)驗(yàn)探究，升華模型

將科學(xué)現(xiàn)象中的研究對象模型化，建立對象模型，僅僅是研究問題的開始，更重要的是找出研究對象運(yùn)動(dòng)過程、變化過程所遵循的規(guī)律。因此，教師要將對象模型進(jìn)行升華，形成過程模型。這個(gè)過程是學(xué)生由科學(xué)現(xiàn)象生成科學(xué)規(guī)律至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。教師在教學(xué)中容易把這個(gè)環(huán)節(jié)簡單化：將對象模型進(jìn)行重點(diǎn)剖析，將對象模型的特點(diǎn)強(qiáng)化為科學(xué)規(guī)律。這種教學(xué)本身是缺乏科學(xué)性的。以本課為例，建立反射的對象模型時(shí)，用實(shí)驗(yàn)純化的科學(xué)現(xiàn)象是靜態(tài)的，只能說明光在這個(gè)角度反射時(shí)有這樣的特點(diǎn)。如果改變一下入射角，是不是還有這樣的特點(diǎn)？這個(gè)問題不經(jīng)過探究實(shí)驗(yàn)是不能輕易下結(jié)論的，畢竟物理是一門實(shí)證學(xué)科。讓對象模型“動(dòng)”起來，讓學(xué)生在“動(dòng)”中對反射光路的連續(xù)變化情況有深入體驗(yàn)，由此可以建立過程模型，從而自然生成反射規(guī)律。

第一，引導(dǎo)學(xué)生對光反射規(guī)律進(jìn)行猜想。師生討論并確立探究的三個(gè)方向：入射光線、反射光線和法線是否共面；入射光線、反射光線是否在法線兩側(cè)；反射角是否等于入射角。

第二，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)臺上的實(shí)驗(yàn)器材，小組合作，設(shè)計(jì)探究方案。師生討論，形成最終實(shí)驗(yàn)方案：用入射光線和反射光線是否在偏折的白板上顯現(xiàn)來探究三線是否共面；觀察入射光線和反射光線的位置來探究入射光線、反射光線是否在法線兩側(cè)；有規(guī)律地改變?nèi)肷涔饩€的射入方向，用白板上的量角器測量反射角和入射角，由此來探究反射角是否等于入射角。

第三，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：學(xué)生兩人一組進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，兩人分工明確，一人執(zhí)激光筆進(jìn)行操作，一人觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，兩人對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，歸納結(jié)論。最后全班討論總結(jié)光的反射規(guī)律：入射光線、反射光線和法線共面；入射光線、反射光線在法線兩側(cè)；反射角等于入射角。

第四，讓學(xué)生用反射規(guī)律與光反射的模型進(jìn)行相互印證，加深對光反射現(xiàn)象的認(rèn)識。引導(dǎo)學(xué)生對“光從另一側(cè)射向鏡子”的反射現(xiàn)象大膽猜想，并組織學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

第五，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)是前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的延續(xù)，學(xué)生兩人一組非常順利地完成了探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，兩人對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，歸納結(jié)論。最后得出光從另一側(cè)射入也符合光的反射規(guī)律，從而得出光路可逆的結(jié)論。

（三）多樣模型融合和應(yīng)用，加深對規(guī)律的理解

通過文字、圖像或者寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式等方法，對模型進(jìn)行描述。無論哪種方式，都能客觀反映出規(guī)律模型的基本特征。因此，可將物理規(guī)律用多樣化的物理模型表達(dá)，增進(jìn)學(xué)生對物理規(guī)律的理解。以本課為例，通過作圖，反射規(guī)律就一目了然了。之后，教師繼續(xù)鼓勵(lì)學(xué)生對光的反射規(guī)律用文字表述，將光的反射模型應(yīng)用在具體的物理情景中，加深學(xué)生對光反射規(guī)律的認(rèn)識。

二、物理規(guī)律教學(xué)中物理建模能力培養(yǎng)的注意點(diǎn)

廣義的物理規(guī)律包含了物理定律、物理定理或原理以及假說等。物理規(guī)律具有物理知識的幾個(gè)基本屬性，其中就包括近似性。這種近似性表現(xiàn)在規(guī)律對實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程的描述具有近似性，即任何物理規(guī)律都是以實(shí)際的物理現(xiàn)象和客觀實(shí)際為基本背景，又在實(shí)際的基礎(chǔ)上通過嚴(yán)密的邏輯推理和抽象思維歸納總結(jié)出的，適用于一定的物理模型和條件。應(yīng)用時(shí)必須明確研究對象是否符合定律所要求的模型條件。以本課為例，光的反射規(guī)律只適用于同一均勻介質(zhì)。此外，物理模型的實(shí)際應(yīng)用中，同樣應(yīng)注意實(shí)際情況的特殊性，對物理模型總結(jié)性表述的理解非常重要。以本課為例，光垂直射向鏡面和漫反射現(xiàn)象均屬于光反射現(xiàn)象中的特殊情況，在建立物理模型中要進(jìn)行說明。

總之，每一名教師要有模型意識，深思物理，深耕教學(xué)，加強(qiáng)對學(xué)生建模能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生掌握探索物理規(guī)律的基本方法，提升學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，從而讓學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有質(zhì)的飛躍。