模型思維在初中物理深度學(xué)習(xí)課堂中的實(shí)踐

摘 要：核心素養(yǎng)視角下的初中物理課堂教學(xué)的“教”應(yīng)為“學(xué)”服務(wù)，教師“教”的落腳點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生理解核心知識(shí)的深度學(xué)習(xí)，課堂教學(xué)的最終目的在于讓學(xué)生在自主合作學(xué)習(xí)過程中掌握物理研究方法和知識(shí)技能，提升關(guān)鍵能力和必備品格，形成物理觀念和科學(xué)思維.建立物理模型是初中生必備能力之一，教師在教學(xué)中進(jìn)行模型思維的滲透是促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的有效方法.筆者以蘇科版物理教材八年級上冊“直線運(yùn)動(dòng)”為例，探討引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型并應(yīng)用物理模型解決實(shí)際問題的具體策略.

關(guān)鍵詞：模型思維;教學(xué)設(shè)計(jì);深度學(xué)習(xí)

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0029-04

作者簡介：楊琳（1977-），女，江蘇無錫人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：初中物理課堂教學(xué).

基于核心素養(yǎng)的初中物理課堂教學(xué)是以探究實(shí)驗(yàn)為載體、任務(wù)為主線、問題為導(dǎo)向，驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主探究，促進(jìn)學(xué)生深度理解的教學(xué).引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理解核心知識(shí)的深度學(xué)習(xí)是“教”的落腳點(diǎn)，“教”為“學(xué)”服務(wù)，教學(xué)的最終目的在于讓學(xué)生在自主合作學(xué)習(xí)過程中掌握物理研究方法和知識(shí)技能，提升終身發(fā)展所需的關(guān)鍵能力和必備品格，形成物理觀念和科學(xué)思維.這就要求教師在設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)時(shí)創(chuàng)設(shè)生活化的任務(wù)情境驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教給學(xué)生解決問題的方法，滲透物理觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng).建立物理模型作為一種科學(xué)思維，是物理研究的重要方法，是在抓住主要因素而忽略次要因素的基礎(chǔ)上建立的有效思維模式，能具體形象、生動(dòng)深刻地反映物理規(guī)律和本質(zhì).教師在教學(xué)中滲透建模思維是促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的有效策略.筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，以蘇科版物理教材八年級上冊“直線運(yùn)動(dòng)”為例，探討有效開展指向深度學(xué)習(xí)的物理模型教學(xué)策略.

1 建構(gòu)實(shí)物模型，從生活走向物理

教師通過建構(gòu)生活中學(xué)生熟悉的場景模型，將生活場景模型化，便于學(xué)生在課堂上具身體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力.同時(shí)可以讓學(xué)生直觀感受物理模型的作用，初步了解物理模型的意義.在實(shí)際教學(xué)中，教師一般將生活場景模型化用于新課引入環(huán)節(jié).

教師展示過山車模型（如圖1所示）.

教師：這是一個(gè)過山車模型，現(xiàn)在讓小球從右端自由下落，在右端斜坡和中部彎道兩段路程上運(yùn)動(dòng)，從通過的路徑來觀察小球運(yùn)動(dòng)方式，有什么不同？

學(xué)生：小球分別做直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng).

教師：生活中的過山車是否還有其他運(yùn)動(dòng)方式？

學(xué)生：只有這兩種.

教師：生活中過山車雖然比較復(fù)雜，但從通過的路徑角度分析運(yùn)動(dòng)方式也只有兩種，過山車模型直觀展示這兩種運(yùn)動(dòng)方式.直線運(yùn)動(dòng)比曲線運(yùn)動(dòng)簡單，本節(jié)課我們一起探究“直線運(yùn)動(dòng)”.

用模型引入的方式能有效激發(fā)學(xué)生探究新知的欲望，符合從生活走向物理的課程理念.用模型讓學(xué)生直觀體驗(yàn)過山車的運(yùn)動(dòng)方式，引導(dǎo)學(xué)生理解，通過模型將生活中復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)簡化為兩種典型的運(yùn)動(dòng)方式.因此，建模的實(shí)質(zhì)是提煉物理現(xiàn)象的本質(zhì).

2 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行基于理解的深度探究

核心素養(yǎng)視角下的初中物理教學(xué)，不是知識(shí)和技能的簡單傳遞，而是需要教師創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，以探究性實(shí)驗(yàn)為載體，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生小組合作自主探究，進(jìn)行基于理解的深度學(xué)習(xí).物理實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是由生活經(jīng)驗(yàn)到物理實(shí)驗(yàn)的模型思維轉(zhuǎn)換，需要教師進(jìn)行適度引導(dǎo).

2.1 引導(dǎo)學(xué)生建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過實(shí)驗(yàn)探究理解物理規(guī)律

生活中的物理現(xiàn)象紛繁復(fù)雜，教師若要引導(dǎo)學(xué)生找出其中規(guī)律，總結(jié)理解物理概念，需將物理現(xiàn)象模型化，用相應(yīng)的物理器材在實(shí)驗(yàn)中重現(xiàn)生活現(xiàn)象并讓學(xué)生觀察分析，找出規(guī)律.實(shí)驗(yàn)的目的是探究物理規(guī)律，因此，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷年P(guān)鍵在于模型能否反映客觀世界的物理規(guī)律，還要注意實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠癖阌诓僮鳎欠裼欣诎l(fā)現(xiàn)總結(jié)規(guī)律.

活動(dòng)一 研究氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

教師出示電梯照片.

教師：我們要研究電梯的運(yùn)動(dòng)，在教室里是不太可能實(shí)現(xiàn)，有沒有辦法用一種模型來代替電梯運(yùn)動(dòng)？

教師出示玻璃管.

教師：請仔細(xì)觀察觀光電梯的圖片（如圖2所示），固定的玻璃管和管內(nèi)的小氣泡分別相當(dāng)于什么（如圖3所示）？將玻璃管翻轉(zhuǎn)，會(huì)觀察到什么現(xiàn)象？

學(xué)生：玻璃管相當(dāng)于電梯，小氣泡相當(dāng)于轎廂，將玻璃管翻轉(zhuǎn)小氣泡做直線運(yùn)動(dòng).

教師：現(xiàn)在我們建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，接下來就通過這個(gè)模型來研究小氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.大家的桌上有裝紅色液體的玻璃管，請將玻璃管翻轉(zhuǎn)或稍微傾斜，將手離開裝置，觀察小氣泡做直線運(yùn)動(dòng)的快慢有沒有變化？

學(xué)生甲：小氣泡的運(yùn)動(dòng)快慢沒有變化.

學(xué)生乙：小氣泡的運(yùn)動(dòng)變快了.

教師：請小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證猜想是否正確.

學(xué)生甲：測出小氣泡運(yùn)動(dòng)的路程和時(shí)間算出速度，比較運(yùn)動(dòng)快慢有沒有變化.

學(xué)生乙：應(yīng)該測出幾段路程的速度才能比較小氣泡運(yùn)動(dòng)的快慢.

教師：小氣泡連續(xù)運(yùn)動(dòng)，怎樣操作便于同時(shí)測量路程和時(shí)間兩個(gè)物理量？

學(xué)生：讓小氣泡通過相同路程，記錄通過每段路程需要的時(shí)間.

教師：以多長距離為一段路程合適？

學(xué)生甲：路程太短不便于記錄時(shí)間，可以從玻璃管的最下端開始以10cm長為一段路程，用紅線做標(biāo)記.

學(xué)生乙：0刻度線不能標(biāo)在玻璃管的最下端，小氣泡在玻璃管下端運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，0刻度線標(biāo)在玻璃管的最下端來不及記錄時(shí)間，應(yīng)離開玻璃管最下端一段距離再標(biāo)記0刻度線.

教師：請各小組相互合作，在桌上玻璃管外表面用紅線做標(biāo)記，并按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄到表1后完成表2的相關(guān)計(jì)算.

學(xué)生小組投影表1和表2，進(jìn)行小組交流.

學(xué)生甲：小氣泡在每一段路程上的速度近似相等.

學(xué)生乙：小氣泡在每一段路程上的速度近似相等，但速度與上面組不同.

學(xué)生丙：小氣泡在每一段路程上的速度并不相等，且速度與上面兩組差別較大.

教師：請大家?guī)兔Ψ治鲆幌掠涗洈?shù)據(jù)存在差別的原因.

學(xué)生甲：各組記錄的數(shù)據(jù)和計(jì)算的速度不一樣可能是實(shí)驗(yàn)時(shí)玻璃管的傾斜角度不同.

學(xué)生乙：小氣泡在每一段路程上的速度不相等可能是實(shí)驗(yàn)過程中玻璃管傾斜的角度發(fā)生變化.

學(xué)生丙：小氣泡在每一段路程上的速度不相等可能是測量誤差，通過理想化的方法，小氣泡在每一段路程上的速度近似相等.

教師：由于小氣泡是連續(xù)運(yùn)動(dòng)的，精準(zhǔn)記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間難度較大，有沒有更好的辦法記錄數(shù)據(jù)？

學(xué)生：利用手機(jī)等工具拍攝小氣泡運(yùn)動(dòng)過程的視頻，觀察一段路程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間時(shí)只需讓小氣泡運(yùn)動(dòng)完那段路程及時(shí)按下暫停鍵，觀察時(shí)間進(jìn)度條即可.

教師從引導(dǎo)學(xué)生觀察生活中觀光電梯的圖片入手，用固定的玻璃管模擬電梯，管內(nèi)的小氣泡模擬電梯轎廂，幫助學(xué)生建構(gòu)小氣泡運(yùn)動(dòng)的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為接下來的?shí)驗(yàn)探究做鋪墊.當(dāng)各小組記錄的運(yùn)動(dòng)時(shí)間不同，計(jì)算出的速度不等甚至出現(xiàn)較大偏差時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生從多角度思考質(zhì)疑、評估交流，滲透建模思想和基于證據(jù)得出結(jié)論的科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

需要說明的是，根據(jù)教學(xué)實(shí)際，筆者對教材要求的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行優(yōu)化改進(jìn).選用內(nèi)徑為0.5cm、長為50cm的玻璃管，比教材中提供的玻璃管更細(xì)一些.以10厘米長為間隔，在玻璃管外表面用紅色的細(xì)線做標(biāo)記，管內(nèi)裝水，留有一段近0.5厘米長的小氣泡，封口.改進(jìn)后小氣泡在每一段路程上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間會(huì)長一些，約為10秒左右，便于學(xué)生記錄.用綁扎帶把玻璃管固定在木尺上，木尺中部位置鉆孔，用螺絲固定在鐵架臺(tái)上，保證玻璃管能繞中軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且翻轉(zhuǎn)后能豎直放置，便于實(shí)驗(yàn)操作的穩(wěn)定性和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);水中注入適量紅墨水，紅色的液體與無色的小氣泡有一定的對比度，便于清晰觀察小氣泡的運(yùn)動(dòng).在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)方案也得以優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)學(xué)生小組合作進(jìn)行合理猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并通過評估不斷改進(jìn)方案和實(shí)驗(yàn)操作.

2.2 指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)數(shù)理模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力是學(xué)生的關(guān)鍵能力，教師在教學(xué)中可提供多種分析支架，如數(shù)據(jù)表格分析法、s-t圖像法、借助數(shù)據(jù)處理軟件Excel自動(dòng)化處理等，教給學(xué)生多種處理數(shù)據(jù)的方法，多維度教會(huì)學(xué)生建構(gòu)數(shù)理模型，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維.

教師：數(shù)據(jù)處理還經(jīng)常采用圖像分析法，請各小組按照表1中的數(shù)據(jù)，畫出s-t圖像（如圖4所示）.

學(xué)生：我們發(fā)現(xiàn)小氣泡運(yùn)動(dòng)的s-t圖像近似是一條直線.

教師：大數(shù)據(jù)時(shí)代的我們還可以借助電腦軟件來處理數(shù)據(jù)，在Excel表格中輸入記錄表1中的數(shù)據(jù)，軟件便會(huì)自動(dòng)生成s-t圖像（如圖5所示）.

學(xué)生：分析表格數(shù)據(jù)和圖像，氣泡在上升一段路程后，運(yùn)動(dòng)的路程和所用時(shí)間成正比.

教師：物理學(xué)中，把速度不變的直線運(yùn)動(dòng)叫作勻速直線運(yùn)動(dòng)，即任何相等的時(shí)間內(nèi)通過的路程相等，用速度公式計(jì)算運(yùn)動(dòng)速度的大小.

教師引導(dǎo)學(xué)生基于數(shù)據(jù)表格畫出s-t圖像，建構(gòu)數(shù)理模型，有利于學(xué)生更直觀分析小氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

2.3 啟迪學(xué)生建立理想化模型，科學(xué)建構(gòu)物理概念

活動(dòng)二 研究變速直線運(yùn)動(dòng)

教師：除了采用相同路程記錄時(shí)間的方法來研究小氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還可以用什么方法來研究物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？

學(xué)生：用相同時(shí)間記錄路程的方法.

教師：這里有一只電子打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，能每隔相同時(shí)間在紙帶上打點(diǎn)，先將紙帶固定在軌道小車上，在另一端掛上鉤碼（如圖6所示），讓鉤碼拉動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)后將紙帶取出，你看到什么現(xiàn)象？

學(xué)生：紙帶上有好多的點(diǎn)，它記錄了小車的運(yùn)動(dòng)情況.

教師：這里將小車抽象成點(diǎn)，紙帶上點(diǎn)的軌跡就是小車運(yùn)動(dòng)情況的理想化模型.小車在各個(gè)點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，小車是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生：觀察紙帶上的點(diǎn)，小車在相同時(shí)間內(nèi)通過的路程越來越大，它的速度一直在增加，不是勻速直線運(yùn)動(dòng).

教師：物理學(xué)中，把速度變化的直線運(yùn)動(dòng)叫作變速直線運(yùn)動(dòng).在自然界中，絕大多數(shù)物體都做變速直線運(yùn)動(dòng)，變速直線運(yùn)動(dòng)的速度大小不斷變化，我們用平均速度來表示物體做變速直線運(yùn)動(dòng)的快慢，且需說明是哪一段時(shí)間或哪一段路程上的平均速度.如果把鉤碼換成蘋果，讓蘋果在空中自由下落，用頻閃相機(jī)拍攝蘋果下落的過程（如圖7所示），頻閃相機(jī)每曝光一次的時(shí)間相等，下落的蘋果做的是什么運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生：觀察頻閃照片發(fā)現(xiàn)，下落的蘋果在相同的時(shí)間內(nèi)，運(yùn)動(dòng)的路程不相等，做的是變速直線運(yùn)動(dòng).

教師通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生觀察紙帶上點(diǎn)的軌跡，總結(jié)小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將小車的運(yùn)動(dòng)理想化成點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，建構(gòu)物體運(yùn)動(dòng)的理想化模型.再用手機(jī)現(xiàn)場拍攝蘋果自由下落的頻閃照片，引導(dǎo)學(xué)生觀察蘋果自由下落的運(yùn)動(dòng)情況，幫助學(xué)生鞏固關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的理想化模型，建構(gòu)變速直線運(yùn)動(dòng)的概念.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)教師不再是知識(shí)的二傳手，而是點(diǎn)燃、引導(dǎo)、喚醒學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)多角度研究物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，思考勻速直線運(yùn)動(dòng)速度與變速直線運(yùn)動(dòng)平均速度的區(qū)別，深度理解變速直線運(yùn)動(dòng)和平均速度的概念.

3 活用物理模型，解決實(shí)際問題

運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題是初中生的必備能力，是深度學(xué)習(xí)的落腳點(diǎn).將待解決的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為物理模型是解決實(shí)際問題的有效策略，所以分析和解答物理問題的過程就是識(shí)別和還原物理模型的過程.

教師：生活中做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體并不常見，平直軌道正常行駛的列車可以近似地看作勻速直線運(yùn)動(dòng)，請閱讀課本例題，小組合作討論幾個(gè)問題：（1）火車完全在隧道內(nèi)和完全通過隧道有什么不同;（2）在什么情況下可以不考慮列車自身的長度;（3）怎樣規(guī)范寫出本題的解題過程？

學(xué)生甲：火車完全在隧道內(nèi)和完全通過隧道運(yùn)動(dòng)的路程不同，火車完全在隧道內(nèi)火車運(yùn)動(dòng)的路程是隧道長和火車長的差（如圖8a所示），火車完全過隧道運(yùn)動(dòng)的路程是隧道長和火車長的和（如圖8b所示）.

學(xué)生乙：當(dāng)火車長與隧道長相差很大時(shí)，可以忽略火車自身長度，把火車抽象成點(diǎn)，火車通過的路程就等于隧道長.

教師：請?jiān)诩埳涎杆賹懗鲆?guī)范的解題過程.

從生活實(shí)際出發(fā)運(yùn)用理想化模型的方法，把平直軌道上正常行駛的列車近似地看作勻速直線運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生小組合作，基于問題自主學(xué)習(xí)例題，寫出規(guī)范的解題過程，注重知識(shí)的內(nèi)化、遷移，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí).學(xué)生在討論交流過程中，運(yùn)用速度公式這一數(shù)理模型，對例題涉及的速度、路程和時(shí)間三者關(guān)系進(jìn)行理性分析，書寫規(guī)范的計(jì)算過程，合理建構(gòu)當(dāng)火車長與隧道長相差很大時(shí)，可以忽略火車自身長度，把列車抽象成點(diǎn)的理想化模型.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)讓思維激蕩思維，思想碰撞思想，讓課堂從關(guān)注知識(shí)到關(guān)注獲得知識(shí)的途徑.

4 結(jié)束語

威廉·亞瑟·伍德認(rèn)為：平庸的教師講述，好的教師解釋，優(yōu)秀的教師示范，偉大的教師啟發(fā).物理學(xué)是研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，實(shí)際的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律一般都十分復(fù)雜，涉及到許多因素.舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質(zhì)特征，需要構(gòu)建物理模型.模型是對實(shí)際問題的抽象，構(gòu)建物理模型是研究物理問題的科學(xué)思維方法.教師利用建模思想驅(qū)動(dòng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的有效途徑.建構(gòu)和活用物理模型開展教學(xué)，教師應(yīng)以探究性實(shí)驗(yàn)為載體，以任務(wù)為主線，以問題為導(dǎo)向，啟迪學(xué)生自主探究，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，有效提高學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力和學(xué)科素養(yǎng)，讓物理課堂在快樂詩意、質(zhì)疑思辨和體悟原理中穿行.

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（收稿日期：2021-03-07）