核心素養(yǎng)下運用原始物理問題培養(yǎng)高中生的模型構建思維

盧亞軍 曾慶河 張軼炳

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

1 前言

《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下簡稱新課標)指出，“普通高中的培養(yǎng)目標是進一步提升學生綜合素質，著力發(fā)展核心素養(yǎng)，使學生具有理想信念和社會責任感，具有科學文化素養(yǎng)和終身學習能力，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、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與責任4個方面．“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素．模型構建為科學思維4個要素之首，是基于經驗事實構建物理模型的抽象概括過程．新課標指出要著力培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，模型構建思維即物理核心素養(yǎng)的要素之一，原始物理問題的解決又必須經歷“模型建構”這一過程，因此解決原始物理問題對提高中學生的模型構建思維具有重要意義．

所謂原始物理問題是指自然界及社會生活、生產中客觀存在且未被加工的物理問題[2]．原始問題的解決依賴于恰當物理模型的建立，物理模型是根據(jù)物理科學研究或問題解決的需要對物理原型的某些屬性進行抽象和簡化，而形成的具有解釋和預測功能的理想化描述．物理模型的構建依賴于學生的模型構建思維，物理模型構建思維是個體基于經驗事實忽略物理現(xiàn)象或物理問題的次要因素、抓住主要因素構建物理模型的抽象概括過程．因此，要發(fā)展中學生科學思維之模型構建思維這一核心素養(yǎng)，可以從解決原始物理問題入手．

下面我們就從解決原始問題的理論構建談起.

2 原始問題的理論構建

現(xiàn)象是事物的外部特征，本質是事物的根本性質，本質通過現(xiàn)象反映出來，從現(xiàn)象也可以追溯事物的本質，本質與現(xiàn)象是對立統(tǒng)一的關系．認識論告訴我們，任何事物的本質都要通過現(xiàn)象表現(xiàn)出來，但不能只看到事物的表面現(xiàn)象，要從多個現(xiàn)象尋找現(xiàn)象所反映的共同本質．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，認識物理規(guī)律的前提是要觀察、分析物理現(xiàn)象．原始物理問題是對現(xiàn)實生產、生活中真實物理現(xiàn)象的描述，在解決原始問題的過程中，學生需將所學物理規(guī)律與物理現(xiàn)象相結合，要能夠根據(jù)解決問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?shù)奈锢砟Ｐ?，即構建出理想客體，從而實現(xiàn)問題的解決．

現(xiàn)象是物理學的根源．人們對物理規(guī)律的認識大多來自對物理現(xiàn)象的分析與研究，物理課堂教學亦是如此，課堂導入時教師總是創(chuàng)設包含物理現(xiàn)象的物理情境，從創(chuàng)設的物理情境中對特別的物理現(xiàn)象進行分析，從而開啟學習物理學的大門．既然物理的學習始于物理現(xiàn)象，物理知識的應用也始于物理現(xiàn)象才更符合學習規(guī)律，但我們接觸到的物理教育中，物理規(guī)律的運用僅限于物理習題的解答，習題是經人為抽象、簡化了的物理現(xiàn)象，或是由出題人假想的物理現(xiàn)象，均不是真實的物理現(xiàn)象，因而達不到運用物理知識分析、解釋物理現(xiàn)象、解決物理問題的要求．原始物理問題是生活、生產中真實的物理問題，是對物理現(xiàn)象的描述，在中學物理教學中滲透原始物理問題，就是讓學生接觸真實的物理現(xiàn)象，從現(xiàn)象出發(fā)運用所學的物理規(guī)律解決生活中的實際問題，更符合物理學的學科特點．

瑞士心理學家皮亞杰認為智力的發(fā)展就是主體自我建構的過程，建構即是認知圖式的形成．認知圖式是指理解和組織新知識的認識框架[3]．圖式的形成過程可以看作是主體與客體的相關作用，從這一觀點出發(fā)，動作是一切知識的源泉和基礎．皮亞杰把動作分化的內向發(fā)展稱為內化建構，而把外向發(fā)展稱為外化建構，兩者合稱雙重建構[4]．從皮亞杰的雙重構建理論出發(fā)，對中學物理教育教學過程重新審視，我們熟悉的物理教學是在課堂學習知識后，課后進行習題的練習，以此達到鞏固物理知識的目的，但無論是教師課堂講解物理概念、物理規(guī)律的過程，還是學生課后習題的練習過程，其實質都是內化建構的過程，把外化建構的過程忽略了．外化建構是學生將課堂上所學的物理概念、物理規(guī)律用以解決實際物理問題的過程，是主體學生將大腦中的物理知識先組織起來用于實際的物理問題這個客體．因此，日常的物理教學不僅需要有內化建構的過程，更需要外化建構的參與，解決原始物理問題可彌補這一缺陷．

綜上所述，在物理教育中應當融入真實世界的物理問題讓學生解決，更符合教育規(guī)律和物理學的學科特點，更有利于學生的終生發(fā)展．

3 原始問題的解決與模型構建思維的培養(yǎng)

3.1 原始物理問題解決的心理過程

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

圖1 原始物理問題解決的表征層次

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上對后續(xù)其他層次表征奠定基礎的表征，并對原始問題的解決起著至關重要的作用；抽象表征的實質就是構建物理模型的過程，簡言之，原始物理問題的解決必須經歷抽象表征(物理模型建構)這一過程．

3.2 物理模型構建的思維過程

物理模型構建思維是個體基于經驗事實忽略物理現(xiàn)象或物理問題的次要因素、抓住主要因素構建物理模型的抽象概括過程．在物理模型的構建過程中，一般需要涉及到學生的分析與綜合、抽象與概括、假設、直覺思維與形象思維等思維過程．

(1)分析與綜合

分析與綜合是一種綜合性分析物理問題的思維能力．分析是把事物的整體分解為部分，或從整體中區(qū)分出個別特性、個別方面；綜合就是把事物的各個部分或不同特性、不同方面聯(lián)系起來[6]．對物理現(xiàn)象或物理問題進行正確的分析是建立物理模型的基礎，中學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題的多種因素，如物體的受力分析、運動分析、電路分析等．其次要能夠正確分析物理過程，要正確分析物理問題的物理過程，首先要明確問題的研究對象，其次要分析研究對象所處的物理環(huán)境．

分析與綜合思維是物理模型構建的第一步，通過對物理現(xiàn)象(物理問題)進行分析，我們可以明確問題的研究對象、對象所處的物理環(huán)境，根據(jù)研究對象所處的物理環(huán)境，對研究對象和所處的物理環(huán)境進行抽象概括．

(2)抽象與概括

抽象與概括思維是構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、本質的屬性提取出來，并與非本質屬性分離開來的過程；概括是把抽象出來的事物間共同的、本質的屬性聯(lián)合起來的過程．中學生的物理抽象思維主要體現(xiàn)為物理模型的構建和把實際問題轉化為典型物理問題這兩個方面，通過抽象，可以把研究對象和過程進行合理的簡化，摒棄或忽略無關、次要的因素，突出反映事物本質特征的主要因素，從而抽象出物理模型．比如，質點模型的建立就是通過科學抽象而產生的．它舍去和忽略物體的形狀、大小、轉動等因素，突出了它的位置和質量特征，這就是一個科學抽象的過程．再如剛體、 單擺、彈簧振子、理想氣體等都是通過科學抽象而建立的物理模型，這充分說明了科學抽象在物理思維中的重要作用．

中學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論的能力，把知識經驗系統(tǒng)化的能力，并能與實際問題聯(lián)合起來的遷移能力．概括思維對同一類物理問題的解決具有十分重要的作用，概括是學習遷移發(fā)生的前提，當學生遇到一個隱含一個自己理解的、熟悉的物理規(guī)律的物理問題時，學習遷移就發(fā)生了，他可以從當前的問題與曾經遇到的問題中概括出相同的本質，進而運用熟悉的物理規(guī)律解決問題．

(3)假設

科學假設指人們根據(jù)已有的科學理論、科學知識對新的科學事實和未知的規(guī)律所做的假定性闡釋與說明，培養(yǎng)學生的科學假設能力是理科教育的重要目標[7]．在物理學的發(fā)展過程中，科學假設也起了舉足輕重的作用，如盧瑟福的原子核式模型假設、玻爾原子理論的基本假設等，這些科學家都是在假設的基礎上取得了重大的成果．中學生學習同樣需要假設，需要根據(jù)物理問題所處的物理環(huán)境進行科學的假設，這樣更有利于問題的解決．

(4)直覺思維與形象思維

物理模型是在研究對象外表現(xiàn)象的基礎上建立的，是對感性認識的升華，是經過大腦的抽象而建立的，這個過程中涉及了直接的感性認識，也就是直覺思維的產物，在直覺思維的基礎上上升至形象思維．形象思維是客觀現(xiàn)實反映到思維主體大腦中的一種思維活動[8]．進而在形象思維的基礎上形成形象的物理模型．因此，直覺思維和形象思維也是物理模型建立過程中的主要的思維方式．

一個物理模型的構建過程中，不一定要經歷上述所有的思維過程，但大多模型的建立均要經歷分析、抽象、直覺思維與形象思維這幾個關鍵的思維過程．

3.3 原始問題的解決與模型構建的聯(lián)系

由邢紅軍教授的原始物理問題解決的自組織表征理論可知，原始問題的解決需要經歷定向表征、抽象表征等7個表征層次；通過我們對物理模型構建思維過程的分析可知，模型構建思維要經歷分析、抽象、概括和從直覺思維向形象思維的過渡等思維過程，并且原始物理問題的解決過程與物理模型構建的思維過程有許多契合之處，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，我們認為原始物理問題的解決過程中能夠極大地培養(yǎng)學生的模型構建思維．

(1)定向表征與分析綜合

定向表征是判斷一個物理問題是一個什么方面問題的表征層次，分析綜合是對物理問題的研究對象、物理環(huán)境進行分析，兩者均是學生根據(jù)問題對物理現(xiàn)象的描述和已知理論，對物理問題進行初分析，在大腦中適當提取和加工信息，對問題有一個初步的認識．

(2)抽象表征與抽象概括

抽象表征是抓住問題的本質因素、忽略問題的非本質因素抽象出理想化物理模型的過程．抽象是把客觀事物或現(xiàn)象間共同的、本質的屬性提取出來，并與非本質屬性分離開來的過程；概括是把抽象出來的事物間共同的、本質的屬性聯(lián)合起來的過程．抽象表征和抽象都是在分析的基礎上，忽略物理問題的非本質(次要)因素，抓住問題的本質(主要)因素的過程，再經歷從問題所描述的物理現(xiàn)象這個直覺思維過渡到物理模型這個形象思維即可構建出合適的物理模型．

(3)圖像表征與形象思維

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

4 原始物理問題解決案例分析

為了更好地從理論層次說明原始問題對模型構建思維培養(yǎng)的功能，我們用一道經典的原始物理問題進行分析論證．

【實例】電磁炮可以達到很高的發(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發(fā)射物組成，試說明軌道式電磁炮炮彈的動力來源并計算出炮彈的發(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 結束語

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