新課標(biāo)背景下物理模型法在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究

宋佳欣，崔虹云

(佳木斯大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

當(dāng)今世界，各個(gè)領(lǐng)域的建設(shè)飛速發(fā)展。其中，教育教學(xué)知識(shí)的更新速度超乎異常，伴隨著新發(fā)展、新事物的產(chǎn)生，新知識(shí)極速盛產(chǎn)，社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈。放眼觀之，物理知識(shí)多數(shù)通過物理模型的方式呈現(xiàn)。在新課改的推動(dòng)下，義務(wù)教育對(duì)初中物理教學(xué)的水平和層次提出了更高的要求，著重關(guān)注在物理教學(xué)的有效性上，期望能夠通過教學(xué)方法的改進(jìn)，提升物理課堂質(zhì)量和效率[1]。物理模型法以其“直觀化、理想化、抽象化、簡(jiǎn)化問題”[2]等特點(diǎn)，在教學(xué)過程中，如何使學(xué)生學(xué)會(huì)利用物理模型法掌握物理知識(shí)，培養(yǎng)其物理建模能力和抽象概括能力，是教育者著重實(shí)行的教育內(nèi)容。在建模過程中，將理論與實(shí)際有效結(jié)合，提出并分析解決問題，加強(qiáng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)新知打下建模思維基礎(chǔ)。

1 物理模型法的相關(guān)理論

1.1 物理模型的概念及分類

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者已發(fā)表的文獻(xiàn)和研究成果，目前對(duì)物理模型的定義頗多。綜合來看，在新課標(biāo)的背景下，物理模型可以理解為：根據(jù)研究的問題和內(nèi)容，在一定條件下，抓住最具其本質(zhì)特征的圖象，從多維的具體圖象中，建立起一個(gè)便于研究、突出本質(zhì)的新圖象，也是為了便于研究物理問題、探討研究對(duì)象本質(zhì)，科學(xué)抽象地對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行的一種簡(jiǎn)化描述和模擬[3]。

關(guān)于物理模型的分類，至今沒有具體統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)物理模型的分類也存在著理解差異，但大致思想方向相同。如若按模型教學(xué)功能分為對(duì)象模型、過程模型、條件模型、數(shù)學(xué)模型；按模型表征方式可分為具體模型、語言模型等；按模型設(shè)計(jì)思想可分為理想化模型、探索性物理模型[4]。理想化模型作為中學(xué)物理教學(xué)中常用的基礎(chǔ)模型，在解決實(shí)際物理問題中應(yīng)用效果顯著。本文中主要以理想化物理模型進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生建模思維能力和應(yīng)用模型分析、解決問題的能力。

1.2.物理模型法教學(xué)的含義及作用

所謂物理模型法教學(xué)，是指建立符合要求模型的教學(xué)和應(yīng)用模型解決實(shí)際問題的教學(xué)，也指為了抓住研究對(duì)象的主要因素，化繁為簡(jiǎn)，能夠清晰地反映出其本質(zhì)特性而建立起來的科學(xué)、抽象模型的教學(xué)[5]。在初中物理教學(xué)中，建立物理模型不僅僅局限于將實(shí)際問題簡(jiǎn)捷化，這種建模思想在物理研究的整個(gè)框架結(jié)構(gòu)中具有舉足輕重的作用。因此，采用物理模型法教學(xué)，有利于學(xué)生加深對(duì)物理概念、規(guī)律等的理解，樹立嚴(yán)謹(jǐn)清晰的科學(xué)邏輯思維，將復(fù)雜抽象問題簡(jiǎn)易化，明確問題的實(shí)質(zhì)，對(duì)學(xué)生各方面能力的提升具有一定程度的積極作用。而如何正確有效地引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型，形成科學(xué)建模思想并應(yīng)用物理模型解決問題，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力以及對(duì)事物的正確獨(dú)判能力，是現(xiàn)階段教育教學(xué)工作者需要加強(qiáng)關(guān)注力度去踐行和反思的主要教學(xué)培養(yǎng)義務(wù)。

2 物理模型法在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用策略

對(duì)于初中階段的學(xué)生而言，學(xué)生的思維形式大多還處于形象思維向抽象思維的過度階段，教師應(yīng)以學(xué)生為主體，抓住初中生的年齡特點(diǎn)與性格特征，嚴(yán)格遵循初中學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，從簡(jiǎn)單明顯的物理現(xiàn)象出發(fā)，使其對(duì)物理建模形成一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。利用學(xué)生對(duì)事物的好奇心，本著貼近學(xué)生生活、現(xiàn)象明顯的原則，盡量選取能夠激發(fā)學(xué)生求知欲，與理論知識(shí)緊密相連的生活經(jīng)驗(yàn)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)具體問題情境，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)對(duì)應(yīng)物理模型，利用模型解決實(shí)際問題，讓物理建模思想在學(xué)生頭腦中根深蒂固，形成反應(yīng)機(jī)制，幫助學(xué)生物理學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

2.1 課前聯(lián)系日常生活，幫助學(xué)生引入物理模型建構(gòu)思想

物理源于生活，也用于生活。物理學(xué)以“物質(zhì)及其基本結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用、最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及所使用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法”作為研究?jī)?nèi)容，是一門基礎(chǔ)自然科學(xué)。因此，物理學(xué)科的學(xué)習(xí)，需要學(xué)生擁有理性思維，進(jìn)行邏輯推理，尤其需要學(xué)生具備豐富的空間想象力[6]。學(xué)生在物理學(xué)習(xí)之前，根據(jù)實(shí)際生活環(huán)境，對(duì)某些物理觀念及物理現(xiàn)象的理解有了初步的印象認(rèn)識(shí)，但并不全面，缺乏一定的準(zhǔn)確性。教師在課前準(zhǔn)備時(shí)，除嚴(yán)格分析教材內(nèi)容外，以學(xué)生的角度，聯(lián)系學(xué)生大多一致的印象共同點(diǎn)，找出與物理建模緊密相關(guān)的生活素材，進(jìn)行歸納整理，根據(jù)整理內(nèi)容，分析得出最能夠被學(xué)生接受理解，適合作為課題舉例的生活素材，讓學(xué)生在心理上能夠明確一個(gè)方向，正確引入物理模型建構(gòu)思想，有效合理地制定相關(guān)的教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)內(nèi)容。

2.2 創(chuàng)設(shè)物理問題情境，促進(jìn)學(xué)生激發(fā)建模思維

在情境創(chuàng)設(shè)過程中，教師要實(shí)事求是，以事實(shí)為基礎(chǔ)依據(jù)，結(jié)合教材課本內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)出利于學(xué)生建構(gòu)物理模型的情境，以便學(xué)生靈活分析具體物理問題，激發(fā)模型建構(gòu)思想。例如，在“凝華”的教學(xué)中，教師可選取學(xué)生日常生活中熟悉的物理現(xiàn)象，如以“窗花”這一生活實(shí)例，創(chuàng)設(shè)“霜的形成”的問題情境，調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生提取自我認(rèn)知中的生活經(jīng)驗(yàn)，提出自己的猜想，形成可類比的情境，引導(dǎo)學(xué)生的思維焦點(diǎn)從現(xiàn)象轉(zhuǎn)向本質(zhì)，為“凝華”的概念建模打下基礎(chǔ)，有助于后期學(xué)習(xí)任務(wù)的完成。

2.3 抓住問題本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生建立基本的物理模型

利用物理建模解決實(shí)際問題的方法以及正確應(yīng)用模型的過程，是一種嚴(yán)密的思維方法和科學(xué)方式。為明確研究問題的主要矛盾，需合理取舍次要因素，抓住主要因素和必要因素，排除其他因素對(duì)建模過程的影響[7]，從而讓學(xué)生對(duì)研究對(duì)象的本質(zhì)規(guī)律有更為清晰直觀的認(rèn)識(shí)。抓住問題本質(zhì)，學(xué)會(huì)如何取舍主次因素，做出正確對(duì)應(yīng)的抽象，是物理建模的關(guān)鍵所在。

在構(gòu)造物理模型和分析運(yùn)用的過程中，教師作為引導(dǎo)者，需要正確引領(lǐng)學(xué)生明確以上要求，促進(jìn)學(xué)生抽象思維能力的發(fā)展，鍛煉學(xué)生靈活分析問題的能力，讓學(xué)生更深層次了解物理模型的必要性，以培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理模型的能力，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物理模型的基本建立。

2.4 引領(lǐng)學(xué)生完善具體模型，應(yīng)用規(guī)律解決實(shí)際問題

促進(jìn)學(xué)生對(duì)模型建構(gòu)的理解，是物理模型法教學(xué)的核心，也是應(yīng)用物理模型解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。教師在物理建模的過程中，需引導(dǎo)學(xué)生深入剖析物理問題，對(duì)抽象所得的物理模型與相似模型作出正確判斷及修正。通過分析完善具體模型，拓展學(xué)生思維空間及方式，從物理本質(zhì)出發(fā)，探究其中所蘊(yùn)含的物理規(guī)律及其與模型的內(nèi)在聯(lián)系，學(xué)以致用。利用問題變式，克服思維定勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)變的邏輯思維，將學(xué)到的模型進(jìn)行遷移應(yīng)用，使學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)問題、探尋規(guī)律，通過對(duì)問題抽象、理想化處理、構(gòu)建對(duì)應(yīng)的物理模型，提高學(xué)生問題解決能力和創(chuàng)新能力。

3 應(yīng)用物理模型法的初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)

在初中物理教學(xué)中，應(yīng)用物理模型法有很多難點(diǎn)突破困難，主要原因是由于學(xué)生沒有構(gòu)建出一個(gè)符合問題解決的物理模型。對(duì)于初中生，學(xué)生們此時(shí)物理邏輯思維正處于培養(yǎng)塑成階段，對(duì)物理研究對(duì)象本質(zhì)理解在頭腦中沒有準(zhǔn)確清晰的物理模型作為支撐，僅限于在生活中對(duì)物理現(xiàn)象的模糊認(rèn)識(shí)。采用物理模型法教學(xué)，教師引導(dǎo)學(xué)生研究物理問題、情境等，運(yùn)用簡(jiǎn)化、抽象等方法，將研究對(duì)象的本質(zhì)抽象得出并深度理解，構(gòu)建合適的物理模型，解決實(shí)際問題。下面以《杠桿》部分內(nèi)容的教學(xué)為例，深度探究物理模型法在初中物理教學(xué)應(yīng)用。

3.1 內(nèi)容分析

“杠桿”是人教版初中物理八年級(jí)下冊(cè)“簡(jiǎn)單機(jī)械”章節(jié)中第一節(jié)的內(nèi)容，也是初中物理教學(xué)重難點(diǎn)之一。杠桿作為最基本的簡(jiǎn)單機(jī)械，生活中隨處可見其應(yīng)用實(shí)例。在教學(xué)中，采用物理模型法，引導(dǎo)學(xué)生從生活轉(zhuǎn)到物理，將生活中的杠桿抽象模型化，總結(jié)共性，作圖觀察，了解杠桿五要素，加深學(xué)生對(duì)杠桿的認(rèn)識(shí)和理解。

3.2 學(xué)情分析

該階段的學(xué)生正處于經(jīng)驗(yàn)思維轉(zhuǎn)向理論思維的過程，在杠桿這節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，學(xué)生難免仍習(xí)慣借助于自我經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知去理解學(xué)習(xí)，影響學(xué)生的物理建模，干擾對(duì)杠桿的正確認(rèn)識(shí)。

3.3 教學(xué)思路設(shè)計(jì)

杠桿作為一個(gè)典型的理性化模型，即無論大小形狀，只要是可以受力，繞著固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的硬棒，都可視為杠桿。在生活中，杠桿的應(yīng)用隨處可見，如桿秤、指甲刀等工具的應(yīng)用。教師將生活中“杠桿”實(shí)例作為課堂導(dǎo)入，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生親身體驗(yàn)，觀察分析，由教師引領(lǐng)學(xué)生將其抽象化為具體的杠桿模型，加深學(xué)習(xí)印象，進(jìn)一步解決實(shí)際難題。杠桿模型建構(gòu)過程如圖1。

圖1 杠桿模型建構(gòu)過程

在課堂開始前，教師展示生活中有關(guān)杠桿應(yīng)用實(shí)例圖，如撬石頭、筷子夾物等，引導(dǎo)學(xué)生觀察這些工具在使用時(shí)有何共同特征。聯(lián)系生活實(shí)例導(dǎo)入課堂，能夠減輕學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)物理新知的畏難心理，體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的教育理念，感受物理之美。教師組織學(xué)生使用羊角錘拔釘子，學(xué)生親身體驗(yàn)，隨后引入杠桿和支點(diǎn)的基本概念，展開課堂教學(xué)。通過類比，以圖2 中的木棒進(jìn)行分析，為引入杠桿模型作鋪墊。

圖2 撬石圖例[8]

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)木棒的受力分析，向?qū)W生提出問題：在撬石頭的過程中，有哪些力作用？哪個(gè)力使木棒轉(zhuǎn)動(dòng)，哪個(gè)力阻礙木棒轉(zhuǎn)動(dòng)？學(xué)生積極討論回答，從而引出動(dòng)力F1、動(dòng)力臂l1、阻力F2、阻力臂l2的含義。在學(xué)生觀察分析的基礎(chǔ)上，教師總結(jié)杠桿五要素內(nèi)容，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，將實(shí)際工具抽象成杠桿模型，分析主次因素，提煉木棒的主觀表象本質(zhì)特征，將木棒的問題研究簡(jiǎn)易化處理，排查如木棒的粗細(xì)程度、支點(diǎn)受到的摩擦等其他因素，在整個(gè)建模過程中，這些因素對(duì)建模過程幾乎沒有誤差影響，所以可進(jìn)行忽略，從而進(jìn)行初步的模型建構(gòu)，由圖2 中的“木棒”提取簡(jiǎn)化并抽象得出杠桿模型如圖3 所示。

圖3 杠桿模型

教師引導(dǎo)學(xué)生建立具體杠桿模型，使杠桿模型的理解在頭腦中存有初步印象，為其他杠桿教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。教師指導(dǎo)學(xué)生練習(xí)杠桿五要素作圖，加深學(xué)生對(duì)杠桿的理解認(rèn)識(shí)。學(xué)生已經(jīng)對(duì)杠桿五要素含義有所掌握，此時(shí)再由教師引導(dǎo)學(xué)生思考：若要使杠桿達(dá)到平衡狀態(tài)，其中的動(dòng)力、動(dòng)力臂、阻力、阻力臂之間是否存在一定的規(guī)律？師生共同探究，提出猜想，設(shè)計(jì)并進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。開闊思路，分析并利用建構(gòu)杠桿模型過程中的主次因素，探究因果本質(zhì)，能夠讓學(xué)生對(duì)杠桿五要素的理解在學(xué)習(xí)過程中形成逐次進(jìn)階的物理過程。通過對(duì)杠桿平衡條件的探究，得到具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論即杠桿的平衡條件：F1l1=F2l2。

在課堂學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生若遇到關(guān)于杠桿的探究難題，仍可嘗試在頭腦中提取出對(duì)應(yīng)模型來解決實(shí)際問題，在解題過程中，逐漸提升學(xué)生物理模型建構(gòu)的能力。

4 結(jié)語

在初中階段，學(xué)生的抽象思維由經(jīng)驗(yàn)思維發(fā)展轉(zhuǎn)變，具體表現(xiàn)為抽象能力較弱，理解物理知識(shí)相對(duì)困難。采用物理模型法教學(xué)，能夠讓學(xué)生形成基本的建模意識(shí)，幫助學(xué)生理解抽象難懂的物理知識(shí)，清晰物理問題、規(guī)律等研究的形成過程。根據(jù)初中階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律、思維方式及特點(diǎn)，循序漸漸，將培養(yǎng)學(xué)生的物理抽象思維能力和物理模型建構(gòu)能力貫穿于整個(gè)物理課堂教學(xué)中，充分發(fā)揮教師自身引導(dǎo)者的功能，促進(jìn)學(xué)生對(duì)模型建構(gòu)與物理知識(shí)的深度理解，豐富拓展自身整體的系統(tǒng)建模構(gòu)架，為之后更高層次的物理學(xué)習(xí)奠定夯實(shí)基礎(chǔ)。