核心素養(yǎng)下運(yùn)用原始物理問(wèn)題培養(yǎng)高中生的模型構(gòu)建思維

盧亞軍 曾慶河 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

1 前言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo))指出，“普通高中的培養(yǎng)目標(biāo)是進(jìn)一步提升學(xué)生綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)，使學(xué)生具有理想信念和社會(huì)責(zé)任感，具有科學(xué)文化素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)能力，具有自主發(fā)展能力和溝通合作能力．”[1]物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面．“科學(xué)思維”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．模型構(gòu)建為科學(xué)思維4個(gè)要素之首，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建物理模型的抽象概括過(guò)程．新課標(biāo)指出要著力培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，模型構(gòu)建思維即物理核心素養(yǎng)的要素之一，原始物理問(wèn)題的解決又必須經(jīng)歷“模型建構(gòu)”這一過(guò)程，因此解決原始物理問(wèn)題對(duì)提高中學(xué)生的模型構(gòu)建思維具有重要意義．

所謂原始物理問(wèn)題是指自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在且未被加工的物理問(wèn)題[2]．原始問(wèn)題的解決依賴于恰當(dāng)物理模型的建立，物理模型是根據(jù)物理科學(xué)研究或問(wèn)題解決的需要對(duì)物理原型的某些屬性進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，而形成的具有解釋和預(yù)測(cè)功能的理想化描述．物理模型的構(gòu)建依賴于學(xué)生的模型構(gòu)建思維，物理模型構(gòu)建思維是個(gè)體基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)忽略物理現(xiàn)象或物理問(wèn)題的次要因素、抓住主要因素構(gòu)建物理模型的抽象概括過(guò)程．因此，要發(fā)展中學(xué)生科學(xué)思維之模型構(gòu)建思維這一核心素養(yǎng)，可以從解決原始物理問(wèn)題入手．

下面我們就從解決原始問(wèn)題的理論構(gòu)建談起.

2 原始問(wèn)題的理論構(gòu)建

現(xiàn)象是事物的外部特征，本質(zhì)是事物的根本性質(zhì)，本質(zhì)通過(guò)現(xiàn)象反映出來(lái)，從現(xiàn)象也可以追溯事物的本質(zhì)，本質(zhì)與現(xiàn)象是對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系．認(rèn)識(shí)論告訴我們，任何事物的本質(zhì)都要通過(guò)現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái)，但不能只看到事物的表面現(xiàn)象，要從多個(gè)現(xiàn)象尋找現(xiàn)象所反映的共同本質(zhì)．物理現(xiàn)象可以反映物理規(guī)律，物理規(guī)律又決定物理現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的前提是要觀察、分析物理現(xiàn)象．原始物理問(wèn)題是對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活中真實(shí)物理現(xiàn)象的描述，在解決原始問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生需將所學(xué)物理規(guī)律與物理現(xiàn)象相結(jié)合，要能夠根據(jù)解決問(wèn)題的需要抓住物理現(xiàn)象的主要因素、忽略次要因素，抽象出恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，即?gòu)建出理想客體，從而實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決．

現(xiàn)象是物理學(xué)的根源．人們對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)大多來(lái)自對(duì)物理現(xiàn)象的分析與研究，物理課堂教學(xué)亦是如此，課堂導(dǎo)入時(shí)教師總是創(chuàng)設(shè)包含物理現(xiàn)象的物理情境，從創(chuàng)設(shè)的物理情境中對(duì)特別的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析，從而開(kāi)啟學(xué)習(xí)物理學(xué)的大門．既然物理的學(xué)習(xí)始于物理現(xiàn)象，物理知識(shí)的應(yīng)用也始于物理現(xiàn)象才更符合學(xué)習(xí)規(guī)律，但我們接觸到的物理教育中，物理規(guī)律的運(yùn)用僅限于物理習(xí)題的解答，習(xí)題是經(jīng)人為抽象、簡(jiǎn)化了的物理現(xiàn)象，或是由出題人假想的物理現(xiàn)象，均不是真實(shí)的物理現(xiàn)象，因而達(dá)不到運(yùn)用物理知識(shí)分析、解釋物理現(xiàn)象、解決物理問(wèn)題的要求．原始物理問(wèn)題是生活、生產(chǎn)中真實(shí)的物理問(wèn)題，是對(duì)物理現(xiàn)象的描述，在中學(xué)物理教學(xué)中滲透原始物理問(wèn)題，就是讓學(xué)生接觸真實(shí)的物理現(xiàn)象，從現(xiàn)象出發(fā)運(yùn)用所學(xué)的物理規(guī)律解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，更符合物理學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)．

瑞士心理學(xué)家皮亞杰認(rèn)為智力的發(fā)展就是主體自我建構(gòu)的過(guò)程，建構(gòu)即是認(rèn)知圖式的形成．認(rèn)知圖式是指理解和組織新知識(shí)的認(rèn)識(shí)框架[3]．圖式的形成過(guò)程可以看作是主體與客體的相關(guān)作用，從這一觀點(diǎn)出發(fā)，動(dòng)作是一切知識(shí)的源泉和基礎(chǔ)．皮亞杰把動(dòng)作分化的內(nèi)向發(fā)展稱為內(nèi)化建構(gòu)，而把外向發(fā)展稱為外化建構(gòu)，兩者合稱雙重建構(gòu)[4]．從皮亞杰的雙重構(gòu)建理論出發(fā)，對(duì)中學(xué)物理教育教學(xué)過(guò)程重新審視，我們熟悉的物理教學(xué)是在課堂學(xué)習(xí)知識(shí)后，課后進(jìn)行習(xí)題的練習(xí)，以此達(dá)到鞏固物理知識(shí)的目的，但無(wú)論是教師課堂講解物理概念、物理規(guī)律的過(guò)程，還是學(xué)生課后習(xí)題的練習(xí)過(guò)程，其實(shí)質(zhì)都是內(nèi)化建構(gòu)的過(guò)程，把外化建構(gòu)的過(guò)程忽略了．外化建構(gòu)是學(xué)生將課堂上所學(xué)的物理概念、物理規(guī)律用以解決實(shí)際物理問(wèn)題的過(guò)程，是主體學(xué)生將大腦中的物理知識(shí)先組織起來(lái)用于實(shí)際的物理問(wèn)題這個(gè)客體．因此，日常的物理教學(xué)不僅需要有內(nèi)化建構(gòu)的過(guò)程，更需要外化建構(gòu)的參與，解決原始物理問(wèn)題可彌補(bǔ)這一缺陷．

綜上所述，在物理教育中應(yīng)當(dāng)融入真實(shí)世界的物理問(wèn)題讓學(xué)生解決，更符合教育規(guī)律和物理學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，更有利于學(xué)生的終生發(fā)展．

3 原始問(wèn)題的解決與模型構(gòu)建思維的培養(yǎng)

3.1 原始物理問(wèn)題解決的心理過(guò)程

首都師范大學(xué)邢紅軍教授在協(xié)同學(xué)理論的基礎(chǔ)上提出了原始物理問(wèn)題解決的自組織表征理論(Self-Organization Representative Theory)，簡(jiǎn)稱為SORT理論[5]．SORT理論將原始物理問(wèn)題的解決過(guò)程分為7個(gè)表征層次，分別為定向表征、抽象表征、圖像表征、賦值表征、物理表征、方法表征和數(shù)學(xué)表征．定向表征是接觸到原始物理問(wèn)題之初，判斷該問(wèn)題是一個(gè)什么方面問(wèn)題的表征層次，學(xué)生需要借助已有的知識(shí)對(duì)問(wèn)題中的物理現(xiàn)象進(jìn)行描述；抽象表征是抓住問(wèn)題的本質(zhì)因素、忽略問(wèn)題的非本質(zhì)因素抽象出理想化物理模型的過(guò)程，即構(gòu)建物理模型的過(guò)程，這一表征層次是原始問(wèn)題解決的關(guān)鍵；圖像表征是學(xué)生在解決原始問(wèn)題中畫出草圖的過(guò)程，一般需要形象思維的參與；賦值表征是為問(wèn)題解決的需要，設(shè)定已知、未知物理量的過(guò)程；物理表征是選擇該問(wèn)題解決需要運(yùn)用的物理概念和物理規(guī)律，并將其運(yùn)用到原始問(wèn)題中的過(guò)程；方法表征是根據(jù)問(wèn)題解決的需要確定需要運(yùn)用的物理方法和思維方法，并運(yùn)用的過(guò)程；數(shù)學(xué)表征是根據(jù)物理規(guī)律列出數(shù)學(xué)方程，并演算推理出結(jié)果的過(guò)程．綜上，原始物理問(wèn)題解決的表征層次如圖1所示．

圖1 原始物理問(wèn)題解決的表征層次

由邢紅軍教授的SORT理論表征層次可知，抽象表征是建立在定向表征基礎(chǔ)上對(duì)后續(xù)其他層次表征奠定基礎(chǔ)的表征，并對(duì)原始問(wèn)題的解決起著至關(guān)重要的作用；抽象表征的實(shí)質(zhì)就是構(gòu)建物理模型的過(guò)程，簡(jiǎn)言之，原始物理問(wèn)題的解決必須經(jīng)歷抽象表征(物理模型建構(gòu))這一過(guò)程．

3.2 物理模型構(gòu)建的思維過(guò)程

物理模型構(gòu)建思維是個(gè)體基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)忽略物理現(xiàn)象或物理問(wèn)題的次要因素、抓住主要因素構(gòu)建物理模型的抽象概括過(guò)程．在物理模型的構(gòu)建過(guò)程中，一般需要涉及到學(xué)生的分析與綜合、抽象與概括、假設(shè)、直覺(jué)思維與形象思維等思維過(guò)程．

(1)分析與綜合

分析與綜合是一種綜合性分析物理問(wèn)題的思維能力．分析是把事物的整體分解為部分，或從整體中區(qū)分出個(gè)別特性、個(gè)別方面；綜合就是把事物的各個(gè)部分或不同特性、不同方面聯(lián)系起來(lái)[6]．對(duì)物理現(xiàn)象或物理問(wèn)題進(jìn)行正確的分析是建立物理模型的基礎(chǔ)，中學(xué)生的物理分析與綜合思維首先表現(xiàn)為能夠全面正確地分析綜合物理問(wèn)題的多種因素，如物體的受力分析、運(yùn)動(dòng)分析、電路分析等．其次要能夠正確分析物理過(guò)程，要正確分析物理問(wèn)題的物理過(guò)程，首先要明確問(wèn)題的研究對(duì)象，其次要分析研究對(duì)象所處的物理環(huán)境．

分析與綜合思維是物理模型構(gòu)建的第一步，通過(guò)對(duì)物理現(xiàn)象(物理問(wèn)題)進(jìn)行分析，我們可以明確問(wèn)題的研究對(duì)象、對(duì)象所處的物理環(huán)境，根據(jù)研究對(duì)象所處的物理環(huán)境，對(duì)研究對(duì)象和所處的物理環(huán)境進(jìn)行抽象概括．

(2)抽象與概括

抽象與概括思維是構(gòu)建物理模型必備的物理思維之一，抽象是把客觀事物或現(xiàn)象間共同的、本質(zhì)的屬性提取出來(lái)，并與非本質(zhì)屬性分離開(kāi)來(lái)的過(guò)程；概括是把抽象出來(lái)的事物間共同的、本質(zhì)的屬性聯(lián)合起來(lái)的過(guò)程．中學(xué)生的物理抽象思維主要體現(xiàn)為物理模型的構(gòu)建和把實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為典型物理問(wèn)題這兩個(gè)方面，通過(guò)抽象，可以把研究對(duì)象和過(guò)程進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，摒棄或忽略無(wú)關(guān)、次要的因素，突出反映事物本質(zhì)特征的主要因素，從而抽象出物理模型．比如，質(zhì)點(diǎn)模型的建立就是通過(guò)科學(xué)抽象而產(chǎn)生的．它舍去和忽略物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)等因素，突出了它的位置和質(zhì)量特征，這就是一個(gè)科學(xué)抽象的過(guò)程．再如剛體、 單擺、彈簧振子、理想氣體等都是通過(guò)科學(xué)抽象而建立的物理模型，這充分說(shuō)明了科學(xué)抽象在物理思維中的重要作用．

中學(xué)生的物理概括能力表現(xiàn)為把同類物理事件概括為普遍結(jié)論的能力，把知識(shí)經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)化的能力，并能與實(shí)際問(wèn)題聯(lián)合起來(lái)的遷移能力．概括思維對(duì)同一類物理問(wèn)題的解決具有十分重要的作用，概括是學(xué)習(xí)遷移發(fā)生的前提，當(dāng)學(xué)生遇到一個(gè)隱含一個(gè)自己理解的、熟悉的物理規(guī)律的物理問(wèn)題時(shí)，學(xué)習(xí)遷移就發(fā)生了，他可以從當(dāng)前的問(wèn)題與曾經(jīng)遇到的問(wèn)題中概括出相同的本質(zhì)，進(jìn)而運(yùn)用熟悉的物理規(guī)律解決問(wèn)題．

(3)假設(shè)

科學(xué)假設(shè)指人們根據(jù)已有的科學(xué)理論、科學(xué)知識(shí)對(duì)新的科學(xué)事實(shí)和未知的規(guī)律所做的假定性闡釋與說(shuō)明，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)假設(shè)能力是理科教育的重要目標(biāo)[7]．在物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)假設(shè)也起了舉足輕重的作用，如盧瑟福的原子核式模型假設(shè)、玻爾原子理論的基本假設(shè)等，這些科學(xué)家都是在假設(shè)的基礎(chǔ)上取得了重大的成果．中學(xué)生學(xué)習(xí)同樣需要假設(shè)，需要根據(jù)物理問(wèn)題所處的物理環(huán)境進(jìn)行科學(xué)的假設(shè)，這樣更有利于問(wèn)題的解決．

(4)直覺(jué)思維與形象思維

物理模型是在研究對(duì)象外表現(xiàn)象的基礎(chǔ)上建立的，是對(duì)感性認(rèn)識(shí)的升華，是經(jīng)過(guò)大腦的抽象而建立的，這個(gè)過(guò)程中涉及了直接的感性認(rèn)識(shí)，也就是直覺(jué)思維的產(chǎn)物，在直覺(jué)思維的基礎(chǔ)上上升至形象思維．形象思維是客觀現(xiàn)實(shí)反映到思維主體大腦中的一種思維活動(dòng)[8]．進(jìn)而在形象思維的基礎(chǔ)上形成形象的物理模型．因此，直覺(jué)思維和形象思維也是物理模型建立過(guò)程中的主要的思維方式．

一個(gè)物理模型的構(gòu)建過(guò)程中，不一定要經(jīng)歷上述所有的思維過(guò)程，但大多模型的建立均要經(jīng)歷分析、抽象、直覺(jué)思維與形象思維這幾個(gè)關(guān)鍵的思維過(guò)程．

3.3 原始問(wèn)題的解決與模型構(gòu)建的聯(lián)系

由邢紅軍教授的原始物理問(wèn)題解決的自組織表征理論可知，原始問(wèn)題的解決需要經(jīng)歷定向表征、抽象表征等7個(gè)表征層次；通過(guò)我們對(duì)物理模型構(gòu)建思維過(guò)程的分析可知，模型構(gòu)建思維要經(jīng)歷分析、抽象、概括和從直覺(jué)思維向形象思維的過(guò)渡等思維過(guò)程，并且原始物理問(wèn)題的解決過(guò)程與物理模型構(gòu)建的思維過(guò)程有許多契合之處，如定向表征與分析綜合思維的契合、抽象表征與抽象概括思維的契合、圖像表征與形象思維的契合．因此，我們認(rèn)為原始物理問(wèn)題的解決過(guò)程中能夠極大地培養(yǎng)學(xué)生的模型構(gòu)建思維．

(1)定向表征與分析綜合

定向表征是判斷一個(gè)物理問(wèn)題是一個(gè)什么方面問(wèn)題的表征層次，分析綜合是對(duì)物理問(wèn)題的研究對(duì)象、物理環(huán)境進(jìn)行分析，兩者均是學(xué)生根據(jù)問(wèn)題對(duì)物理現(xiàn)象的描述和已知理論，對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行初分析，在大腦中適當(dāng)提取和加工信息，對(duì)問(wèn)題有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)．

(2)抽象表征與抽象概括

抽象表征是抓住問(wèn)題的本質(zhì)因素、忽略問(wèn)題的非本質(zhì)因素抽象出理想化物理模型的過(guò)程．抽象是把客觀事物或現(xiàn)象間共同的、本質(zhì)的屬性提取出來(lái)，并與非本質(zhì)屬性分離開(kāi)來(lái)的過(guò)程；概括是把抽象出來(lái)的事物間共同的、本質(zhì)的屬性聯(lián)合起來(lái)的過(guò)程．抽象表征和抽象都是在分析的基礎(chǔ)上，忽略物理問(wèn)題的非本質(zhì)(次要)因素，抓住問(wèn)題的本質(zhì)(主要)因素的過(guò)程，再經(jīng)歷從問(wèn)題所描述的物理現(xiàn)象這個(gè)直覺(jué)思維過(guò)渡到物理模型這個(gè)形象思維即可構(gòu)建出合適的物理模型．

(3)圖像表征與形象思維

圖像表征是學(xué)生在解決原始問(wèn)題中畫出草圖的過(guò)程，一般需要形象思維的參與；形象思維是客觀現(xiàn)實(shí)反映到思維主體大腦中的一種思維活動(dòng)，可以認(rèn)為從物理現(xiàn)象中分離出研究對(duì)象并畫出物理過(guò)程的草圖即從直覺(jué)思維過(guò)渡到形象思維的過(guò)程．

4 原始物理問(wèn)題解決案例分析

為了更好地從理論層次說(shuō)明原始問(wèn)題對(duì)模型構(gòu)建思維培養(yǎng)的功能，我們用一道經(jīng)典的原始物理問(wèn)題進(jìn)行分析論證．

【實(shí)例】電磁炮可以達(dá)到很高的發(fā)射速度，軌道式電磁炮如圖2所示，軌道式電磁炮發(fā)射裝置是由兩根平行的金屬軌道和一個(gè)發(fā)射物組成，試說(shuō)明軌道式電磁炮炮彈的動(dòng)力來(lái)源并計(jì)算出炮彈的發(fā)射速度．電磁炮的分析論證如表1所示.

圖2 軌道式電磁炮

表1 電磁炮的分析論證

續(xù)表1

5 結(jié)束語(yǔ)

以上僅是我們對(duì)原始物理問(wèn)題的解決在培養(yǎng)高中生模型構(gòu)建思維培養(yǎng)方面的理論分析，缺乏實(shí)踐的檢驗(yàn)，在后期的教育實(shí)踐中，我們將在真實(shí)的物理教育活動(dòng)開(kāi)展原始物理問(wèn)題培養(yǎng)高中生模型構(gòu)建思維的實(shí)踐研究．同時(shí)，我們期待更多的物理教育工作者參與到有關(guān)原始物理問(wèn)題和物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)途徑的教育研究活動(dòng)中，為中學(xué)物理教育研究與實(shí)踐添磚加瓦．