物理模型及模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)①

張國(guó)泉

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 南京 210003)

1 問(wèn)題的提出

圖1

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(20217年版)》指出：物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面，模型建構(gòu)是科學(xué)思維的重要要素。從上面對(duì)電視節(jié)目的分析過(guò)程不難看出，學(xué)生需具有建模意識(shí)，并經(jīng)歷建構(gòu)模型的思維過(guò)程，才能分析出問(wèn)題的本質(zhì)，筆者將從建構(gòu)模型的意義、物理模型的分類和模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)策略等三個(gè)方面進(jìn)行探討。

2 模型建構(gòu)的意義

物理學(xué)研究物體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)等。自然界中物質(zhì)種類繁多，物體的運(yùn)動(dòng)錯(cuò)綜復(fù)雜，物體間的相互作用也多種多樣，每一個(gè)具體的問(wèn)題都涉及幾個(gè)甚至多個(gè)方面的因素。為了充分認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象的本質(zhì)，必須在客觀事實(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)研究的物理事物(物理對(duì)象、條件和過(guò)程等)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，物理模型就是人們?yōu)榱搜芯课锢韱?wèn)題的方便和探討物理現(xiàn)象的本質(zhì)而對(duì)物理事物所作的一種簡(jiǎn)化。遇到具體問(wèn)題時(shí)，通過(guò)模型建構(gòu)，簡(jiǎn)化和純化研究對(duì)象的原型以及經(jīng)歷的過(guò)程，以發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象或事物的本質(zhì)屬性。從物理學(xué)的發(fā)展歷程看，模型建構(gòu)的過(guò)程中因?yàn)橥怀隽藳Q定事物狀態(tài)、影響事物發(fā)展變化的本質(zhì)要素，因而更有利于發(fā)揮科學(xué)思維的力量。

3 物理模型的分類

從中學(xué)物理教學(xué)的特點(diǎn)以及模型的主要教學(xué)功能看，可以將物理模型作如下的分類。

(1)對(duì)象模型。常見(jiàn)的對(duì)象模型有兩種，一是根據(jù)研究對(duì)象和問(wèn)題的特點(diǎn)，舍棄次要的、非本質(zhì)的因素，抓住主要矛盾和本質(zhì)因素，建構(gòu)一個(gè)易于研究、能反映對(duì)象主要特征、代替具體的研究對(duì)象的模型。如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、理想電表、絕對(duì)黑體、理想氣體、輕質(zhì)桿等；二是為了解釋某些現(xiàn)象和特征，在觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)某一物理客體和研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、相互作用、運(yùn)動(dòng)規(guī)律所作的簡(jiǎn)化描述。如哥白尼的太陽(yáng)系模型、盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型、蓋爾曼的夸克模型、金屬導(dǎo)電中的自由電子模型等。

(2)條件模型。把研究對(duì)象所處的外部條件理想化，排除外部條件中干擾研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)變化的次要因素，突出外部條件中最主要、最本質(zhì)的方面。如在研究落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，忽略空氣阻力的影響，不考慮地表附近局部空間重力加速度g的變化，從而得出物體下落快慢與質(zhì)量無(wú)關(guān)的結(jié)論。再如研究?jī)僧惙N點(diǎn)電荷相互作用時(shí)，常常不考慮萬(wàn)有引力的影響，還有常見(jiàn)的光滑面，即不考慮摩擦力的作用，再如在研究微觀世界的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)時(shí)通常不考慮重力等。

(3)過(guò)程模型。把具體物理過(guò)程純粹化、理想化，突出過(guò)程的主要因素，忽略次要因素，進(jìn)而抽象出理想物理過(guò)程，比如我們常說(shuō)的彈性碰撞過(guò)程、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)過(guò)程、氣體的等溫過(guò)程、等容過(guò)程、等壓過(guò)程、絕熱過(guò)程、自由落體過(guò)程等。

(4)數(shù)學(xué)模型。把研究對(duì)象、運(yùn)動(dòng)變化中的狀態(tài)和經(jīng)歷的過(guò)程以及遵循的客觀物理規(guī)律數(shù)學(xué)化。比如我們通過(guò)建立坐標(biāo)系的方法來(lái)描述物體的位置；利用數(shù)學(xué)的“+”“-”號(hào)，來(lái)反應(yīng)不同的物理特性，如位移的方向、電勢(shì)的高低、電荷的電性、內(nèi)能的增減、熱量的吸放；還常用數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)研究極值情況，借助圖像來(lái)探究物理規(guī)律等。

廣義的物理模型還包括了采用縮小與放大幾何尺寸的方法，簡(jiǎn)化復(fù)雜部件，突出與工作原理緊密相關(guān)的部分，制作出與原型相似的實(shí)體模型，如實(shí)驗(yàn)室的發(fā)電機(jī)模型、內(nèi)燃機(jī)模型等。

4 培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力的策略

物理模型是科學(xué)思維的產(chǎn)物，建構(gòu)物理模型是一種高階的創(chuàng)造性的思維活動(dòng)，是在充分分析研究對(duì)象和問(wèn)題的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列的分析、綜合、比較、抽象、概括、推理等思維活動(dòng)，從而做出的一種簡(jiǎn)化或模擬。為了培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力，必須從培養(yǎng)學(xué)生的建模意識(shí)、抽象思維、類比思維等方面入手，在以下幾個(gè)方面加以落實(shí)。

4.1 培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)的意識(shí)

(1)在概念、規(guī)律教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生了解物理模型建構(gòu)的方法，注重模型建構(gòu)過(guò)程的教學(xué)。比如在自由落體運(yùn)動(dòng)的教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生體會(huì)到盡管在地球上不可避免存在空氣阻力，但是通過(guò)建構(gòu)一個(gè)無(wú)阻力的條件模型，可以有助于我們認(rèn)識(shí)問(wèn)題的本質(zhì)，澄清一些錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，并通過(guò)牛頓管實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生意識(shí)到模型建構(gòu)的合理性，提高學(xué)生模型建構(gòu)的意識(shí)。

(2)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)際生活中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行物理模型的建構(gòu)，比如針對(duì)生活中奇異的“海市蜃樓”現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的光在介質(zhì)中傳播的知識(shí)，將空氣抽象成從海面豎直向上密度和折射率逐漸減小的不均勻介質(zhì)模型，就可以很好地解釋我們觀察到的奇特現(xiàn)象。

4.2 培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力

抽象思維就是擯棄具象中非本質(zhì)的特征和屬性，提取出本質(zhì)特征和屬性，形成關(guān)于物理事物的一般認(rèn)識(shí)。比如對(duì)絕對(duì)黑體模型的教學(xué)中，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到各種物體由于不同的結(jié)構(gòu)，因而它對(duì)外來(lái)輻射的吸收不盡相同，但若一個(gè)物體，其表面反射很少，能夠吸收幾乎所有的外來(lái)輻射，我們就可以忽略物體反射這一次要因素，認(rèn)為物體能夠吸收全部外來(lái)輻射，抽象成絕對(duì)黑體這樣一個(gè)理想模型。高中物理中的理想變壓器、理想氣體等模型都是經(jīng)歷了類似的抽象思維活動(dòng)而得到建構(gòu)，在教學(xué)中應(yīng)該給予學(xué)生思維活動(dòng)的指引。

4.3 培養(yǎng)學(xué)生的類比思維能力

類比就是在比較的基礎(chǔ)上，通過(guò)聯(lián)想，把未知的事物與熟悉的事物進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)兩者在一些屬性上的相似，將熟悉事物的某種性質(zhì)遷移到未知事物上。如我們?cè)诮虒W(xué)中可以重現(xiàn)德魯?shù)峦ㄟ^(guò)將金屬中電子的運(yùn)動(dòng)與氣體分子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行類比，進(jìn)而提出金屬導(dǎo)電模型的思維過(guò)程，還有惠更斯通過(guò)類比水波和聲波，提出了光的波動(dòng)模型等。

4.4 培養(yǎng)學(xué)生的假說(shuō)能力

假說(shuō)就是對(duì)事物的現(xiàn)象以及本質(zhì)、規(guī)律或原因的一種推測(cè)性的說(shuō)明或推測(cè)其可能性的說(shuō)明。由于物理事物的復(fù)雜性，或者實(shí)驗(yàn)條件的限制，某些物理事物的本質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)、規(guī)律等比較隱蔽，這就需要在一定觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出假說(shuō)，建立一定的物理模型。比如在原子結(jié)構(gòu)的教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生了解到湯姆生的棗糕模型、盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型、玻爾原子模型其實(shí)都是基于實(shí)驗(yàn)提出的假說(shuō)，哥白尼的太陽(yáng)系模型也是基于觀察事實(shí)的一種假說(shuō)，體現(xiàn)了物理學(xué)家對(duì)簡(jiǎn)潔美的追求。

4.5 在物理問(wèn)題解決過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力

比如課堂上首先讓學(xué)生觀察圖2所示裝置中二極管交替發(fā)光，而將二極管換為小燈泡時(shí)，燈泡亮度變化，也即說(shuō)明電路中電流的方向、大小在交替變化，接下來(lái)讓學(xué)生思考為什么裝置會(huì)產(chǎn)生這樣的電流呢？引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)際情境進(jìn)行簡(jiǎn)化抽象，抓住問(wèn)題的主要方面，構(gòu)建一個(gè)突出問(wèn)題本質(zhì)、易于著手研究的理想圖景，即建構(gòu)一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)、同時(shí)線圈勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的理想模型進(jìn)行研究(圖3)。在教學(xué)的過(guò)程中，教師要基于各種教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)情境，促進(jìn)學(xué)生模型建構(gòu)能力的發(fā)展。

圖2

圖3

5 結(jié)語(yǔ)

法國(guó)科學(xué)方法論學(xué)者阿雷指出：“科學(xué)的基本活動(dòng)就是探索和制定模型”。物理模型是在綜合運(yùn)用各種科學(xué)思維方法的基礎(chǔ)上得到的，作為高中物理教師應(yīng)該有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力，加強(qiáng)物理模型的建構(gòu)、識(shí)別和應(yīng)用的教學(xué)是提升學(xué)生科學(xué)思維能力的重要途徑，對(duì)學(xué)生的物理學(xué)科思維過(guò)程素養(yǎng)的提升具有十分重要的意義。