科學思維素養(yǎng)下物理模型建構的教學策略*

周 婷，譚延亮

(衡陽師范學院物理與電子工程學院，湖南 衡陽 421002)

1 引言

物理學科核心素養(yǎng)主要包含物理觀念、科學思維、科學探究與科學態(tài)度與責任四個方面，其中的科學思維素養(yǎng)主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。物理學科十分貼近實際生活，為了研究問題方便，往往需要去掉這些因素，從中抽象出研究對象的簡化模型，如此才能更好地抓住事物的本質(zhì)和問題的關鍵[1]，這就是物理建模。物理模型是物理思維的產(chǎn)物，物理教師在教學過程中，要善于從科學思維方法的角度出發(fā)，積極引導學生進行物理建模。

2 物理模型的內(nèi)涵及分類

物理模型是對物理原型的高度抽象化和概括化，是物理學研究的重要思想方法。學生學習物理的過程也就是逐步學習物理模型的建構，進而用模型解決物理問題的過程[2]。中學物理中可創(chuàng)建的物理模型頗多，比較常見的有以下幾種：

2.1 理想模型

理想模型通常是根據(jù)人們的抽象思維與想象力，運用比較理想且純粹的方式所創(chuàng)造的、能再現(xiàn)原型的本質(zhì)聯(lián)系與內(nèi)在特征的一類簡化模型[3]。中學物理中的理想模型可分為：①理想對象模型，是將物質(zhì)自身形態(tài)理想化而建立的模型，最典型的是“質(zhì)點”，物理學中就把這種不考慮物體的大小和形狀，突出其質(zhì)量的點，稱作“質(zhì)點”，物理中的理想對象模型還有：點電荷、點光源、光線、理想氣體、單擺、彈簧振子等；②理想條件模型，是將物理條件理想化而建立的模型，“輕桿”和“輕繩”就是典型的理想條件模型，研究問題時通?？梢圆豢紤]他們的質(zhì)量，物理中的理想條件模型還有：光滑表面、均勻介質(zhì)、勻強電場等；③理想過程模型，是將物體運動過程理想化而建立的模型，最典型的是“自由落體運動”，當物體自由下落、下落高度較低且空氣作用可忽略時，可看成是自由落體運動，像勻速圓周運動、勻變速直線運動、彈性碰撞、簡諧振動、穩(wěn)恒電流等都是理想過程模型。

2.2 微觀放大模型

在物理實驗中，許多物理量的數(shù)值都比較小，為了提高測量精度，經(jīng)常需要將這些物理量放大，或轉(zhuǎn)換后放大再進行測量，我們把這種為提高測量精度，將物理量數(shù)值擴大、時間拖長、空間擴展的方法稱為微觀放大法，由此方法建立起的模型稱為微觀放大模型，它主要包括：①空間放大模型，在物理教學中，難以用肉眼觀察到的空間變化現(xiàn)象，通常可以采用空間放大法來進行教學，比如：在探究“堅硬物體也能發(fā)生形變”時，教材中編排了一個小實驗：在水平桌面上相對放置兩個平面鏡，一束激光被這兩面鏡子反射后會射到光屏上，呈現(xiàn)出明亮的光點，向下按壓兩平面鏡之間的桌面，此時肉眼可見：光屏上光點的位置明顯改變，此實驗將桌面微小的形變現(xiàn)象放大成光點位置的改變；②時間放大模型，由于某些物理過程發(fā)生的時間比較短暫、現(xiàn)象不易于觀察且實驗數(shù)據(jù)被測量，教學中可以建立“時間放大模型”來延緩這些短暫的過程。比如：在探究“平拋運動的規(guī)律”時，小球運動的速度太快、運動時間過短，導致其速度、位移、加速度等物理量難以精確測量，因此，可以用攝像機將整個過程拍攝下來并讓學生觀看慢鏡頭回放，慢鏡頭回放相當于放大了平拋運動的時間。

2.3 等效替代模型

等效替代法是一種在保證作用效果相同的基礎上，將復雜的物理問題或過程等轉(zhuǎn)換為便于分析的、等效的物理問題或過程的問題處理方法，掌握了此方法的具體內(nèi)涵，有利于等效替代模型的構建。中學物理中，常見的等效替代模型分為力的等效替代和運動過程的等效替代，前者主要體現(xiàn)在“合力與分力”相關問題中，學生在遇到受力復雜的情形，特別是在分析“動態(tài)平衡狀態(tài)下物體的受力變化情況”時，可以將一個力來替代多個力，或者將一個力等效分解為多個力，使復雜問題簡單化；另外，合運動與分運動同樣也可以等效，比如：在研究平拋運動時，可將其分解成兩個分運動：水平方向的勻速直線運動、豎直方向的自由落體運動，類似地，還有斜拋運動、帶電粒子在電場中的運動等。

2.4 微元極限模型

物理中的微元法是將物理過程進行細分并從中選擇微小的單元（即“微元”，往往選取時間或空間微元），進行具體分析的一種問題解決方法。在物理學中，通常是將微元法和極限思想結(jié)合起來應用，將此兩種方法結(jié)合而建立起來的模型稱為微元極限模型，瞬時速度和瞬時加速度是教材中采用時間微元極限思想來定義的最典型的兩個物理量。在中學物理中，除了可以建立以上幾種物理模型，還可以創(chuàng)建其他科學思維的物理模型，比如：“化曲為直”模型、“隔離與整體”模型、“轉(zhuǎn)換”模型和“類比”模型等，物理建模不僅是一種重要的實驗手段和方法，更是一種對學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)和積淀。

3 物理模型建構的重要方法

結(jié)合實際教學條件、物理學科的特點以及學生的心理特征等情況，教師可以采用如下幾種物理模型建構的方法：

3.1 板演推理

板演是課堂教學中常用的教學方式，分為教師板演和學生板演，具體地，又可以分為文字板演、公式板演和圖示板演等，在板演時，教師應注意把握板演的時間、內(nèi)容、順序、難度和要求等。在物理模型建構時，教師可以邊板演邊講解，比如：在建構“力的正交分解”等效替代模型時，教師可以利用粉筆、三角尺等畫圖工具對斜面上靜止的物體進行受力分析，創(chuàng)建直角坐標系，并對力進行正交分解，將分力替代合力來研究問題，并在板演過程中向?qū)W生講解其中的注意事項。

3.2 動畫模擬

在物理教學中，對于那些實驗條件要求比較苛刻的小實驗，教師可以采用動畫模擬的方式對某些物理現(xiàn)象進行直觀的呈現(xiàn)，常見的動畫制作軟件有PPT、Flash 和Authorware 等，這些動畫軟件通常能夠整合多種媒體資源，通過聲音、動畫、顏色等元素的搭配，呈現(xiàn)出形象的動畫片段，讓物理過程縮放自如。比如：在建構理想過程模型——“簡諧振動”時，便可制作動畫模擬運動過程，利用按鈕隨停隨放，讓學生能夠更加準確地理解簡諧振動的規(guī)律特征。

3.3 實驗仿真

當實驗器材比較復雜、實驗操作難度較大時，教師可以指導學生在線上虛擬實驗仿真系統(tǒng)中進行實驗設計，學生在系統(tǒng)中自由選取相關的實驗器材，并通過按鈕、鼠標拖曳等方式對仿真模擬實驗進行操作，自主探究實驗過程，由此增強學生對物理實驗的理解。比如：“閉合電路的歐姆定律”、“多用電表的使用”、“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”等電學實驗的實驗器材種類較多、操作程序繁雜、數(shù)據(jù)記錄量大，這就比較適合采用實驗仿真的形式進行物理實驗模型的建構。

3.4 視頻演示

視頻是指將一系列靜態(tài)影像以電信號的方式加以捕捉、紀錄、處理、儲存、傳送與重現(xiàn)的各種技術。相比于單純的文字、圖片、音頻和動畫等媒介，視頻能更加強烈地刺激學生的多個感官，也能激發(fā)學生的好奇心和興趣，使學生在輕松的情境中汲取知識。在教學中，教師可以通過攝影或者網(wǎng)絡獲取視頻資源，利用視頻輔助教學，例如：在研究“生活中的圓周運動”時，教師可在課堂上播放過山車、汽車過拱橋、火車拐彎等視頻，讓學生的感覺更立體。

4 中學物理模型建構的教學策略

在中學物理中，諸多公式、概念和規(guī)律等是憑借物理模型而建立起來的。因此，教師應該采用有效的教學策略讓學生體會物理模型建構的過程、方法，并懂得利用物理模型解決實際問題。

4.1 創(chuàng)設啟發(fā)性的物理情境，培養(yǎng)模型建構的興趣

學生的學習過程主要是通過感官刺激激發(fā)學習興趣、啟發(fā)學生運用已有的知識結(jié)構基礎、并通過正確的科學思維方法來認識、理解和掌握新知識的過程，若在物理教學中沒有生動具體的情景刺激和啟發(fā)學生，便很難抽象并構建物理知識模型。因此，教師在教學中應結(jié)合教學目標、教材內(nèi)容、學生情況等因素創(chuàng)設合適的教學情境，譬如：教師在向?qū)W生介紹萬有引力常量的過程中，可以實驗仿真“卡文迪許扭秤實驗”，介紹其中蘊含的“空間放大思想”；在探究“凸透鏡成像規(guī)律”時，可以動畫模擬不同物距情形下的光路圖，結(jié)合光線顏色的合理設置，使效果更加清晰，在學生頭腦中留下深刻地印象，進而讓學生自主構建具有代表性的圖像模型。

4.2 注重差異化的課堂教學，鍛煉模型建構的思維

中學物理課堂類型比較豐富，包括概念課、規(guī)律課、實驗課和習題課等，不同課型需要采用不同的教學策略。對于物理模型的建構，教師也要根據(jù)不同的課型鍛煉學生建構物理模型的思維，切實引導學生分析問題、建立模型、應用模型并完善模型，對學生進行有意義的模型教學，比如：在物理概念課中，可通過觀察物理現(xiàn)象和過程讓學生形成感性認識并歸納其共同特點，接著運用科學思維建構物理概念模型，再用文字、數(shù)字、符號等對其進行描述，最后，運用物理概念模型解釋、檢驗和評價某些物理現(xiàn)象和過程；在物理規(guī)律課中，可以通過實驗歸納法，從對事物、現(xiàn)象的多次觀察和實驗出發(fā)，在取得大量資料的基礎上進行綜合、歸納，得出結(jié)論，建立假說，再通過實驗檢驗建立物理定律模型，譬如：機械能守恒定律、歐姆定律、楞次定律等；也可以通過理論演繹法，從已知的規(guī)律或者物理理論出發(fā)，對某特定事物或現(xiàn)象，進行演繹、推理，從而得出在一定范圍內(nèi)有關物理量之間的函數(shù)關系或新的論斷，最后通過實踐檢驗構建物理原理或定理模型，譬如動量定理、動能定理、波的疊加原理、光路可逆原理等。

4.3 加強針對性的課后訓練，提高模型建構的能力

課后學習時間和課堂學習時間一樣寶貴，教師不但要在課堂中對學生進行物理模型構建的訓練，也要重視課外活動對學生建模能力培養(yǎng)的重要性，具體策略包括：其一，布置含有物理模型的思考練習題，比如：在學完“自由落體運動”后，可以讓學生思考雨滴的下落；在學完“牛頓第一定律”，讓學生搜集生活中滲透慣性知識的現(xiàn)象。其二，督促學生歸納整理力學、熱學、電學、光學等物理模塊中的物理模型，并注明各個模型的具體內(nèi)涵、重要特征、適用條件及建構方法等，利用這種方式顯化教材中的隱性物理模型，促進學生對物理模型的吸收內(nèi)化。其三，在學校開展關于物理模型建構的知識宣講和團體比賽，這樣，一方面可讓學生受到建模知識的熏陶，吸取更多關于物理模型建構的方法和技巧；另一方面，學生通過建模比賽的團體合作，能學到團體其他成員的優(yōu)點，還能獲取一定的成就感，進而促進學生的進步和成長。