對(duì)物理教學(xué)中模型建構(gòu)的研究與實(shí)踐

馬朝華 崔琰

摘 要：《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中將模型建構(gòu)列為科學(xué)思維的要素之一.發(fā)展學(xué)生模型建構(gòu)的思維能力是發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)重要方面.因此，有必要研究模型建構(gòu)的基本路徑，并通過(guò)教學(xué)實(shí)例說(shuō)明模型建構(gòu)教學(xué)的思路，以實(shí)現(xiàn)更有效地促進(jìn)在課堂教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)思維能力的目標(biāo).

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu);科學(xué)思維;教學(xué)策略

文章編號(hào)：1008-4134（2019）17-0013中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

物理學(xué)是自然領(lǐng)域的一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，自然界中物質(zhì)種類(lèi)繁多、運(yùn)動(dòng)錯(cuò)綜復(fù)雜，各種現(xiàn)象間相互聯(lián)系、相互影響，幾乎每個(gè)具體的實(shí)際問(wèn)題都涉及到多種因素.在物理學(xué)研究中，根據(jù)研究的問(wèn)題和內(nèi)容，在一定條件下，從研究對(duì)象多維的具體圖象中，抓住最具有本質(zhì)特征的圖象，建立一個(gè)易于研究、能從主要方面反映研究對(duì)象的新圖象，這就建構(gòu)出了“物理模型”.模型建構(gòu)的方法是科學(xué)研究中的常用方法，模型建構(gòu)思維也是一種重要的科學(xué)思維方式，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》將模型建構(gòu)列為科學(xué)思維素養(yǎng)的要素之一，因此，研究如何在物理教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的模型構(gòu)建能力是非常重要的.

1 對(duì)模型建構(gòu)價(jià)值的認(rèn)識(shí)

1.1 有助于形成知識(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)展認(rèn)知

學(xué)生的學(xué)習(xí)雖與科學(xué)家的研究有所不同，但就學(xué)習(xí)者或研究者的主體而言，都是探索對(duì)未知事物的認(rèn)識(shí)過(guò)程，當(dāng)面對(duì)一個(gè)客觀(guān)的物質(zhì)現(xiàn)象或過(guò)程時(shí)，復(fù)雜的組成因素會(huì)使他們難以把握其本質(zhì)和規(guī)律.通過(guò)模型建構(gòu)，關(guān)注主要因素，忽略對(duì)象系統(tǒng)中的非本質(zhì)因素，將復(fù)雜的物質(zhì)現(xiàn)象和過(guò)程進(jìn)行抽象的概括和簡(jiǎn)化，進(jìn)行形象化的表征，有利于發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象、物理規(guī)律在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上形成系統(tǒng)的、自洽的、嚴(yán)密的物理理論體系.例如，運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的知識(shí)結(jié)構(gòu)就可以看作是在研究不同模型的過(guò)程中形成的：研究質(zhì)點(diǎn)、剛體等對(duì)象模型，在光滑表面、恒定不變的力等條件模型的情況下，進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)、勻變速運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)過(guò)程.我們用模型的建構(gòu)思想，豐富了學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)多樣性的認(rèn)識(shí)，形成了知識(shí)體系.

1.2 有助于解釋物質(zhì)現(xiàn)象和過(guò)程

“證據(jù)、模型和解釋”被認(rèn)為是統(tǒng)一的科學(xué)概念與過(guò)程，其中，證據(jù)指的是對(duì)事實(shí)或飾演的觀(guān)察結(jié)果，但這僅是對(duì)物質(zhì)現(xiàn)象和過(guò)程的一種描述;解釋指的是把現(xiàn)有的科學(xué)知識(shí)和新的證據(jù)組合成具有內(nèi)在一致性的、符合邏輯的說(shuō)明;模型則是利用證據(jù)來(lái)進(jìn)行科學(xué)解釋的一種工具，它能將已有知識(shí)與新的證據(jù)聯(lián)系起來(lái).例如，光電效應(yīng)現(xiàn)象，與經(jīng)典電磁理論矛盾，愛(ài)因斯坦則利用光的波粒二象性模型做出了完美的解釋.學(xué)生可以自主構(gòu)建模型來(lái)進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，也可以直接使用科學(xué)家們已經(jīng)研究成熟的模型進(jìn)行科學(xué)解釋.

1.3 有助于預(yù)測(cè)和控制

模型反映事物某一方面的本質(zhì)屬性，能夠用于解決同一類(lèi)問(wèn)題，在面對(duì)新情境時(shí)，可以通過(guò)模型把握住問(wèn)題的共性和本質(zhì)，就能對(duì)新情境中可能出現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，指明進(jìn)一步研究的方向，或者采取有效的措施促進(jìn)現(xiàn)象向預(yù)設(shè)的方向發(fā)展或控制現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展.例如，用一個(gè)經(jīng)典故事來(lái)說(shuō)什么叫模型，模型就是火車(chē)時(shí)刻表，有了時(shí)刻表才知道火車(chē)是否晚點(diǎn)，如果沒(méi)有時(shí)刻表這樣的東西，鐵路員工和乘客將無(wú)所遵循.可以說(shuō)物理模型提供給人們一種解決物理問(wèn)題的方法或者方向，利用建立的物理模型來(lái)實(shí)現(xiàn)研究者或?qū)W習(xí)者有目的地解決問(wèn)題.

物理模型的建立是一個(gè)創(chuàng)新的過(guò)程，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理模型的過(guò)程中，需要通過(guò)分析和抽象，抓住事物的關(guān)鍵要素，加深對(duì)概念、過(guò)程和系統(tǒng)的理解，形成系統(tǒng)思維，這是一個(gè)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維的過(guò)程，因此，發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)思維方式也是重要的教學(xué)目標(biāo)之一.

2 發(fā)展學(xué)生模型建構(gòu)思維的教學(xué)思路

高中階段的模型建構(gòu)思維表現(xiàn)在能夠分析模型所涉及的各個(gè)要素及其結(jié)構(gòu)，使用模型解釋物理現(xiàn)象和過(guò)程，闡明物理概念和原理，在真實(shí)的情境中具有構(gòu)建模型的意識(shí)和能力等.因此，可以基于實(shí)際問(wèn)題解決的思路來(lái)設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生模型建構(gòu)思維發(fā)展的教學(xué).即從實(shí)際情景中抽象出物理問(wèn)題，再以物理方法和工具進(jìn)行研究，并將研究結(jié)論用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程可以概括為“實(shí)際問(wèn)題→物理問(wèn)題→物理解決方案→實(shí)際解決方案”.在這個(gè)過(guò)程中，所提出的物理解決方案，則常是以物理模型的形式表現(xiàn)出來(lái)的;實(shí)際解決方案，則是模型的拓展應(yīng)用，用來(lái)解決起初提出的實(shí)際問(wèn)題.基于這個(gè)思路，為了在課堂教學(xué)實(shí)踐中更易于把握模型建構(gòu)過(guò)程的階段性，明確各階段模型建構(gòu)教學(xué)的目標(biāo)，我們將課堂實(shí)踐中模型建構(gòu)教學(xué)的過(guò)程分為四個(gè)階段，即描述階段、建立階段、修正階段和應(yīng)用拓展階段，如圖1所示.

2.1 描述階段

模型建構(gòu)過(guò)程是依托于具體的問(wèn)題情境，因此，教學(xué)中首先給學(xué)生提供真實(shí)的問(wèn)題情境，讓學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，建構(gòu)起對(duì)當(dāng)前情境的理解，并將自己的這種理解表達(dá)出來(lái).這就是建立模型前的準(zhǔn)備，即描述清楚情境和問(wèn)題，以及研究的方向.

例如，質(zhì)點(diǎn)是高中物理學(xué)習(xí)的第一個(gè)物理模型，在教學(xué)時(shí)，教師常會(huì)采用火車(chē)過(guò)橋的情境，一列火車(chē)在鐵軌上行駛，如何描述它的運(yùn)動(dòng)情況呢？在描述階段，學(xué)生就要依據(jù)所遇到的問(wèn)題，結(jié)合已有的認(rèn)知，嘗試用一些合適的模型對(duì)研究的問(wèn)題進(jìn)行描述.學(xué)生雖然不清楚火車(chē)的具體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但他們知道這些結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，其運(yùn)動(dòng)也是復(fù)雜的，就是外在表現(xiàn)出來(lái)的車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)也是復(fù)雜的，要準(zhǔn)確詳細(xì)地描述其所有部件的運(yùn)動(dòng)情況就很難做到了.這就要仔細(xì)確認(rèn)所遇到的問(wèn)題，以及我們想研究的主要問(wèn)題，比如是關(guān)心車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，還是列車(chē)整體的運(yùn)動(dòng)？如果我們只關(guān)心列車(chē)整體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以認(rèn)為列車(chē)上的運(yùn)動(dòng)情況完全相同，選擇用車(chē)上面的一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)表示列車(chē)的運(yùn)動(dòng).這樣就初步確立了建立“質(zhì)點(diǎn)”模型的思路.

2.2 建立階段

基于現(xiàn)象的觀(guān)察和分析，在描述中預(yù)設(shè)了一些能描述現(xiàn)象的參數(shù)、條件或關(guān)系.在建立模型的階段，就要進(jìn)一步分析問(wèn)題情境中的組成部分和各部分之間的關(guān)系，包括確定研究對(duì)象、建立描述研究對(duì)象的狀態(tài)或過(guò)程的變量、探究將各變量建立聯(lián)系的規(guī)律，并且要反復(fù)比較預(yù)測(cè)和實(shí)際情境的差異，提煉模型，同時(shí)建立起此模型的適用范圍.例如，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)模型，它建立在對(duì)彈簧振子運(yùn)動(dòng)的描述基礎(chǔ)上，如圖2所示的彈簧振子的頻閃照片，兩個(gè)坐標(biāo)軸分別代表了時(shí)間t和小球的位移x，它反映了小球在平衡位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系，可以看作是小球運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間圖象，由圖可以看出，小球運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移與時(shí)間的關(guān)系很像正弦函數(shù)的關(guān)系，這個(gè)函數(shù)關(guān)系，即是我們預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)模型中參數(shù)間的關(guān)系.

2.3 修正階段

在修正階段，可以利用不同實(shí)驗(yàn)或評(píng)價(jià)方法來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)在一致性;也可以利用建立的模型解釋新的實(shí)證.在此過(guò)程中，模型若能夠表現(xiàn)出持續(xù)一致的有效性，該模型被驗(yàn)證為正確;若存在一定的問(wèn)題，就要修改參數(shù)及其關(guān)系.一旦模型被驗(yàn)證，模型就是一致的，模型應(yīng)用可回應(yīng)建模的目的，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解釋.模型是在一定目的的前提下，利用理想化等方法建立的，具有自身的局限性，這一點(diǎn)可以在修正過(guò)程中明確模型的適用范圍.例如，在建立單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模型的過(guò)程中，我們進(jìn)行了小角度的近似處理，也就是偏角很小的情況下，擺球?qū)τ谄胶馕恢玫奈灰苮的大小，與擺角θ所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)、θ角所對(duì)應(yīng)的弦都近似相等，才可以推導(dǎo)出擺球受到的回復(fù)力與它偏離平衡位置的位移成正比，方向總是指向平衡位置，因此單擺作為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的模型，要用實(shí)際擺球的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定理想化條件是否合理.

2.4 應(yīng)用拓展階段

在應(yīng)用拓展階段，利用模型對(duì)現(xiàn)象或事實(shí)進(jìn)行解釋和辨別，或者利用建立的模型來(lái)解釋新情境或復(fù)雜情境，甚至在已建立模型基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸，再建構(gòu)一個(gè)新的模型，這樣就使模型得到了延伸和拓展，這樣也就能通過(guò)建構(gòu)不同的物理模型研究綜合性的實(shí)際問(wèn)題.例如，用圓周運(yùn)動(dòng)的模型分析天體運(yùn)動(dòng)，用磁感線(xiàn)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)等模型分析磁場(chǎng)和電磁感應(yīng)問(wèn)題.

建模的這四個(gè)階段在每個(gè)模型建構(gòu)教學(xué)的實(shí)例中未必會(huì)界限分明地出現(xiàn)，有的建模過(guò)程簡(jiǎn)單、有的復(fù)雜，建模的幾個(gè)階段有可能重疊在一起，但其整體的思維過(guò)程是一致的.

3 促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)模型思維發(fā)展的教學(xué)案例——自由落體運(yùn)動(dòng)

3.1 基于模型建構(gòu)教學(xué)的學(xué)習(xí)目標(biāo)分析

教材在“勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的研究”一章中，前幾節(jié)學(xué)習(xí)了勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間、位移與時(shí)間、速度與位移的關(guān)系，即描述勻變速運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)物理量遵循的規(guī)律.“自由落體運(yùn)動(dòng)”作為一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)實(shí)例，由學(xué)生利用勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行研究.要研究自由落體運(yùn)動(dòng)，首先就要在復(fù)雜的落體運(yùn)動(dòng)中，建立自由落體運(yùn)動(dòng)的模型，因此，本節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容中的一個(gè)很重要的學(xué)習(xí)目標(biāo)，就是引領(lǐng)學(xué)生學(xué)會(huì)將實(shí)際的落體運(yùn)動(dòng)抽象出自由落體運(yùn)動(dòng)這個(gè)理想模型，體會(huì)建構(gòu)模型的思維過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生模型建構(gòu)能力的發(fā)展.教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)見(jiàn)表1.

3.2 教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

描述階段情景1：觀(guān)察生活中常見(jiàn)的落體運(yùn)動(dòng)（視頻和演示）.紙片的下落、樹(shù)葉從枝頭的下落、粉筆頭的下落、小石子的下落

問(wèn)題1：生活中這些常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)，有什么相同或不同的特點(diǎn)？下落過(guò)程有什么規(guī)律？

學(xué)生活動(dòng)1：落紙實(shí)驗(yàn).讓兩個(gè)相同的紙片下落，觀(guān)察下落情況是否相同，進(jìn)一步思考問(wèn)題1情景1給學(xué)生提供了一個(gè)真實(shí)的情景，把生活中常見(jiàn)落體運(yùn)動(dòng)在這里集中展示，把學(xué)生思考的方向聚焦在落體運(yùn)動(dòng)上.在這個(gè)基礎(chǔ)上通過(guò)問(wèn)題1由學(xué)生歸納其共性，都是從靜止開(kāi)始下落的運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)除了初速度為零之外，就是下落，下落過(guò)程的規(guī)律性則看不出共同的特點(diǎn);同時(shí)也通過(guò)這個(gè)問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生明確要研究的物理問(wèn)題是物體下落的運(yùn)動(dòng).活動(dòng)1中，學(xué)生的操作不同，兩個(gè)紙片的運(yùn)動(dòng)則會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果.在學(xué)生明確了研究問(wèn)題為落體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，再次感受實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，體會(huì)建立理想模型的必要性

建立階段問(wèn)題2：下落過(guò)程的復(fù)雜性是由什么原因造成的？物體下落的快慢與什么因素有關(guān)？

問(wèn)題3：如果簡(jiǎn)化處理，物體只受重力，物體下落的快慢與物體受到的重力是否有關(guān)？

初步建立模型：自由落體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題2是針對(duì)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，分析導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性的原因，從復(fù)雜的問(wèn)題中抽象出要研究的物理問(wèn)題.問(wèn)題3的分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，建立模型要依據(jù)研究的問(wèn)題，分析簡(jiǎn)化處理的方式，也就是分析建立模型的條件.同時(shí)，這個(gè)問(wèn)題也是建立自由落體模型的核心問(wèn)題.在分析這幾個(gè)問(wèn)題之后，實(shí)際上已經(jīng)有了初步的模型，并且利用這個(gè)模型可以解釋所觀(guān)察得到的現(xiàn)象或事實(shí)

修正階段演示：牛頓管實(shí)驗(yàn)第一次：管內(nèi)有空氣時(shí)，觀(guān)察管內(nèi)羽毛和小金屬片的下落情況

第二次：將管內(nèi)空氣抽出去，再次觀(guān)察管內(nèi)羽毛和小金屬片的下落情況

情景2：月球上的落體運(yùn)動(dòng)（視頻）自由落體這個(gè)模型是否正確需要去檢驗(yàn).牛頓管的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，就起到檢驗(yàn)的作用.這個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所對(duì)比的是要簡(jiǎn)化的條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比分析來(lái)判斷處理的是否合適、是否正確，也就是驗(yàn)證所預(yù)設(shè)的模型條件.如果現(xiàn)象與建立的模型一致，則可以說(shuō)是建立了合理的物理模型.通過(guò)牛頓管的演示實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了沒(méi)有空氣阻力、只受重力作用時(shí)物體下落的快慢是一樣的，與物體所受重力大小無(wú)關(guān).情景2展示月球上的落體運(yùn)動(dòng)視頻，在月球上羽毛和錘子的同時(shí)落地，既增加了實(shí)驗(yàn)普適性的驗(yàn)證，又進(jìn)一步明確了模型的條件

應(yīng)用拓展階段學(xué)生活動(dòng)2：能否讓小紙片和粉筆頭的下落情況基本相同呢？試一試，說(shuō)明依據(jù)活動(dòng)2是模型的應(yīng)用拓展過(guò)程，讓學(xué)生嘗試設(shè)計(jì)方案使紙片和粉筆頭下落情況相同，就是要利用模型來(lái)解釋現(xiàn)象以及預(yù)測(cè)、控制結(jié)果.學(xué)生通過(guò)分析，想到當(dāng)空氣阻力和重力（次要因素和主要因素）相比可以忽略時(shí)，實(shí)際的落體運(yùn)動(dòng)就可以抽象成物理理想模型，這樣就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)落地.當(dāng)捏緊的小紙團(tuán)和粉筆頭同時(shí)落地的現(xiàn)象呈現(xiàn)在學(xué)生面前的時(shí)候，也就表明了學(xué)生對(duì)利用模型有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí).這個(gè)活動(dòng)既有建模條件理解的目的，也有將模型再次回歸到實(shí)際解釋問(wèn)題的目的，同時(shí)對(duì)近似條件的處理，也更拓展了模型的應(yīng)用價(jià)值

中學(xué)物理教學(xué)中，很多內(nèi)容都能以物理模型為基礎(chǔ)進(jìn)行學(xué)習(xí)，也就是說(shuō)物理模型教學(xué)滲透在物理概念的形成、物理規(guī)律的掌握和物理問(wèn)題的解決等各種學(xué)習(xí)過(guò)程中.在進(jìn)行物理模型建構(gòu)教學(xué)中可以考慮利用原始物理問(wèn)題，為學(xué)生提供建模情景，利用實(shí)驗(yàn)演示創(chuàng)設(shè)物理情境，為學(xué)生提供建模支持，利用物理模型整合教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生模型思維能力的發(fā)展.

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