基于科學(xué)思維素養(yǎng)培育的初中物理模型建構(gòu)策略

張定而

摘? ?要：核心素養(yǎng)是課程育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，2022年版義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出“培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)”?？茖W(xué)思維是核心素養(yǎng)的重要組成部分，而模型建構(gòu)是科學(xué)思維的關(guān)鍵要素。在教學(xué)中，教師應(yīng)通過(guò)精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生了解模型表象，體驗(yàn)建模過(guò)程，活化模型運(yùn)用，讓學(xué)生在理解物理知識(shí)的同時(shí)，領(lǐng)會(huì)科學(xué)思維方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，提升科學(xué)思維能力，從而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；初中物理；模型建構(gòu)；教學(xué)策略；核心素養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）4-0015-4

物理模型建構(gòu)是科學(xué)思維的主要形式，是落實(shí)核心素養(yǎng)的重要途徑。在物理教學(xué)中，應(yīng)充分了解物理模型的內(nèi)涵及類(lèi)型，掌握模型建構(gòu)的方法，以物理知識(shí)背景為基礎(chǔ)，以圖像、表格或文字等表征為媒介，抓住物理問(wèn)題的主要特征，構(gòu)建反映物理本質(zhì)的模型，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，從而提高學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

1? ? 初中物理基本模型分類(lèi)

研究物理學(xué)問(wèn)題時(shí)，常常要抓住主要因素，摒棄次要因素，這種方法建立的模型稱(chēng)為物理模型。在初中物理模型建構(gòu)教學(xué)中，首先要讓學(xué)生了解一些常見(jiàn)的物理基本模型。

1.1? ? 理想對(duì)象模型

物理概念比較抽象，其思維形式與過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，為了研究方便，往往要將研究對(duì)象實(shí)體進(jìn)行簡(jiǎn)化或理想化，這樣構(gòu)建的實(shí)體模型稱(chēng)為理想對(duì)象模型。比如，“液片”是初中物理中一個(gè)重要的理想對(duì)象模型，是為研究問(wèn)題方便而選取的一個(gè)極薄的液體薄片。其特征是不計(jì)體積和質(zhì)量，但有面積，其形狀與內(nèi)裝液體或氣體的容器的橫截面相同。它可以靜止，也可以做勻速直線運(yùn)動(dòng)或做變速直線運(yùn)動(dòng)，它可以受平衡力的作用，也可以受非平衡力的作用?！耙浩痹谘芯恳后w或氣體問(wèn)題中有著廣泛的應(yīng)用，研究連通器原理就應(yīng)用到了“液片”。如圖1所示，連通器內(nèi)裝同種液體，當(dāng)液體靜止時(shí)，在U型管下部正中取一個(gè)液片AB，液片兩側(cè)受到的液體壓強(qiáng)相等，根據(jù)液體壓強(qiáng)公式p=ρgh，可知h=h，即容器中左右兩側(cè)液體的深度相同。初中物理中的理想對(duì)象模型還有點(diǎn)光源、杠桿、平面鏡、薄透鏡、均勻介質(zhì)等。

1.2? ? 理想條件模型

將研究對(duì)象所處的條件進(jìn)行理想化處理而構(gòu)建的模型稱(chēng)為理想條件模型。它是人為塑造的一種模型，在實(shí)際生活中并不存在，只是為了簡(jiǎn)化處理問(wèn)題而引入的。如“光滑表面”就是典型的理想條件模型，研究問(wèn)題時(shí)通?？梢圆豢紤]因摩擦阻力帶來(lái)的影響。圖2所示是伽利略的理想實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)鋼珠從左側(cè)光滑斜面的某一高度處?kù)o止?jié)L下，無(wú)論右側(cè)光滑斜面的坡度如何，由于斜面表面光滑沒(méi)有摩擦阻力產(chǎn)生的能量損耗，鋼珠必定到達(dá)與下落點(diǎn)幾乎相同高度的地方；如果把右側(cè)光滑斜面變成光滑的水平表面，鋼珠就會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去。伽利略的理想實(shí)驗(yàn)推翻了亞里士多德“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)推理，為得出牛頓第一定律奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。理想條件模型還有“輕桿”“輕繩”等，研究問(wèn)題時(shí)通?？梢圆豢紤]它們的質(zhì)量，再比如“均勻介質(zhì)”“忽略溫度對(duì)電阻的影響”等，就是將物理?xiàng)l件理想化，從而有助于揭示事物的本質(zhì)。

1.3? ? 理想過(guò)程模型

影響物理過(guò)程的因素一般不止一個(gè)，往往涉及多種因素共同作用，研究物理過(guò)程時(shí)只考慮主要因素，忽略次要因素，構(gòu)建的過(guò)程模型稱(chēng)為理想過(guò)程模型。例如，勻速直線運(yùn)動(dòng)，物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中排除了空氣阻力等干擾因素，不考慮物體本身受力，物體將做速度大小保持不變的直線運(yùn)動(dòng)，它在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能存在的，但有些物體的運(yùn)動(dòng)很接近勻速直線運(yùn)動(dòng)，可近似看成勻速直線運(yùn)動(dòng)。還有自由落體運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)恒電流等都是理想過(guò)程模型。

2? ? 在物理概念教學(xué)中構(gòu)建模型

在初中物理概念教學(xué)中，讓學(xué)生經(jīng)歷建模過(guò)程，理解模型本質(zhì)，對(duì)啟發(fā)學(xué)生思維、正確理解物理概念將會(huì)起到很好的橋梁作用。

2.1? ? 類(lèi)比模型

類(lèi)比模型是指借用類(lèi)似現(xiàn)象或過(guò)程構(gòu)建的模型。通過(guò)類(lèi)比，實(shí)現(xiàn)模型建構(gòu)遷移，使人們對(duì)日常生活事例有更直觀、形象的認(rèn)識(shí)，從而建立新的物理概念。例如，在“功率”概念的教學(xué)中，可以與速度概念進(jìn)行類(lèi)比。速度是表征物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量，比較物體運(yùn)動(dòng)的快慢有兩種方法，一是相同的路程比較時(shí)間，二是相同的時(shí)間比較路程。在物理學(xué)中，比較物體運(yùn)動(dòng)的快慢一般用相同的時(shí)間比較路程。如果兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的路程和所用的時(shí)間都不相同，可以通過(guò)路程與時(shí)間的比值反映物體運(yùn)動(dòng)的快慢，我們把路程與時(shí)間的比值叫作速度。同樣，功率是表征物體做功快慢的物理量，通過(guò)類(lèi)比“速度”概念，構(gòu)建“功率”概念形成過(guò)程模型：列舉做功相同所花時(shí)間不同或者時(shí)間相同做功不同的做功事例，讓學(xué)生比較物體做功的快慢，在物理學(xué)中，比較物體做功快慢一般用相同的時(shí)間比較做功的多少，如果物體做功和做功所花時(shí)間都不相同，可以通過(guò)功與時(shí)間的比值反映物體做功的快慢，我們把功與時(shí)間的比值叫作功率。還有物質(zhì)密度、壓強(qiáng)、熱值等，這些概念的形成過(guò)程應(yīng)用了類(lèi)比模型，同樣有助于加深學(xué)生對(duì)新概念的建立和理解。

2.2? ? 等效模型

在確保某種效果一樣的條件下，為方便研究，把復(fù)雜的物理問(wèn)題或過(guò)程等效轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題或過(guò)程，這種方法構(gòu)建的模型稱(chēng)為等效模型。例如，在“重心”概念教學(xué)中，我們可以把物體各部分受到的重力等效認(rèn)為集中作用在物體的一個(gè)點(diǎn)上，這個(gè)點(diǎn)就叫作物體的重心。又如，在“平均速度”概念教學(xué)中，物體在一段路程內(nèi)做變速直線運(yùn)動(dòng)，在這段路程內(nèi)，我們可以等效認(rèn)為物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，求出的速度就是物體通過(guò)這段路程的平均速度，它能粗略描述物體在這段路程的運(yùn)動(dòng)快慢。還有在“總電阻”“合力與分力”概念教學(xué)中，同樣可以運(yùn)用等效替代的方法，構(gòu)建等效模型，這樣可以簡(jiǎn)化物理概念建立，使問(wèn)題由繁變簡(jiǎn)，降低學(xué)習(xí)坡度，有利于達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

2.3? ? 圖像模型

物理圖像模型可以用來(lái)定量描述物理概念，它既可以將物理量之間的關(guān)系形象、直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，又能揭示物理概念的形成過(guò)程，有助于深刻理解物理概念。例如，“密度”概念比較抽象，學(xué)生不容易理解，“密度”教學(xué)中，可讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的不同種物質(zhì)的若干組質(zhì)量與體積，作出質(zhì)量m隨體積V變化的關(guān)系圖像，并引導(dǎo)學(xué)生從圖像中獲取信息。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同種物質(zhì)，質(zhì)量與體積的比值相同；不同種物質(zhì)，質(zhì)量與體積的比值一般不同?？梢?jiàn)，質(zhì)量與體積的比是由物質(zhì)種類(lèi)決定的物理量，它反映了物質(zhì)的一種特性，這個(gè)特性叫作密度。這樣，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，并借助構(gòu)建的直觀圖像，在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下自主建立密度概念，印象是深刻的，理解是牢固的。另外，在“伏安法”測(cè)電阻的教學(xué)中，同樣也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的幾組電阻器工作時(shí)的電壓值和對(duì)應(yīng)的電流值，作出I-U關(guān)系圖像，通過(guò)分析圖像，進(jìn)一步理解電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì)。

2.4? ? 虛擬模型

為了形象、直觀地描述客觀存在的物質(zhì)或現(xiàn)象，有時(shí)需要引入一些虛擬的模型來(lái)描述物質(zhì)或現(xiàn)象的某些性質(zhì)或特征，雖然客觀存在的物質(zhì)或現(xiàn)象是真實(shí)的，但所建立的物理模型是對(duì)實(shí)際物質(zhì)或現(xiàn)象的模擬，因而是不真實(shí)的，建立起來(lái)的模型是虛擬模型。虛擬模型不是用來(lái)發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律，其目的是讓學(xué)生更容易理解原有的物理概念。例如，在“磁感線”教學(xué)中，為了形象地描述磁場(chǎng)人為地引入磁感線，即在磁場(chǎng)中畫(huà)出一些有方向的閉合曲線，它不是實(shí)際存在的，只是一種虛擬模型，但它能反映磁場(chǎng)的一些特征和性質(zhì)。還有光線、力的圖示等也都是人為虛擬建構(gòu)的，它們同樣可以描述物理現(xiàn)象的某些特征，有助于進(jìn)一步理解物理概念。

3? ? 在物理規(guī)律教學(xué)中構(gòu)建模型

在初中物理規(guī)律或原理教學(xué)中，通過(guò)引領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建實(shí)物模型、仿真模型和數(shù)理模型等，讓學(xué)生在構(gòu)建模型的過(guò)程中揭示物理規(guī)律或物理原理，從而提高學(xué)生的建模能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展。

3.1? ? 實(shí)物模型

為了讓學(xué)生更好地理解物理規(guī)律或原理，在平常教學(xué)中，教師要引領(lǐng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究，向他們展示實(shí)物、圖片等，以便構(gòu)建直觀、形象的實(shí)物模型，提升學(xué)生的建模能力。例如，探究“光的反射規(guī)律”，用激光束沿光屏從某點(diǎn)入射到平面鏡上的O點(diǎn)，可以觀察到反射光線。接著，改變激光源的位置，分別讓激光入射到鏡面上的O點(diǎn)，觀察反射現(xiàn)象，并把３組不同的入射光線、反射光線用紅、綠、藍(lán)３色竹簽插在泡沫上，直觀展示光的反射模型。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合實(shí)物模型可以得出：反射光和入射光分居在法線兩側(cè)；反射光線與入射光線在垂直鏡面的同一平面內(nèi)，且關(guān)于過(guò)入射點(diǎn)垂直于鏡面的直線對(duì)稱(chēng)，這條直線用虛線表示，引出法線概念；反射光線和入射光線與法線的夾角相等，引出反射角和入射角。將有反射光線的右半部分光屏向后折，光屏上看不到反射光，這說(shuō)明反射光線、入射光線與法線在同一平面內(nèi)。圖3是實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)際情境，圖4是從實(shí)際情境中構(gòu)建的實(shí)物模型，能直觀反映物理問(wèn)題的本質(zhì)，不僅能幫助學(xué)生深刻理解物理規(guī)律，還能促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

3.2? ? 仿真模型

在初中物理規(guī)律教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究后，為深化知識(shí)理解，教師可以運(yùn)用PPT、Flash或希沃軟件，整合多種媒體資源，將聲音、動(dòng)畫(huà)、顏色等元素搭配起來(lái)，制作仿真實(shí)驗(yàn)視頻，通過(guò)播放仿真實(shí)驗(yàn)視頻重現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，呈現(xiàn)形象、直觀的動(dòng)畫(huà)片段，讓物理過(guò)程縮放自如。比如，在凸透鏡成像規(guī)律、串并聯(lián)電路的電流規(guī)律、機(jī)械能守恒定律、力的相互作用規(guī)律等，都可以制作仿真實(shí)驗(yàn)視頻模擬物理規(guī)律的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，利用按鈕隨停隨放，讓學(xué)生能夠更加準(zhǔn)確、深刻地理解物理規(guī)律。課堂教學(xué)呈現(xiàn)仿真模型畫(huà)面，它可以化枯燥為生動(dòng)，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生由形象思維向抽象思維過(guò)渡，從而提高學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

3.3? ? 數(shù)理模型

數(shù)學(xué)作為物理學(xué)的基礎(chǔ)工具，對(duì)促進(jìn)物理學(xué)的建立和發(fā)展有著非常重要的價(jià)值和作用。在物理規(guī)律或原理教學(xué)中，數(shù)學(xué)的數(shù)型結(jié)合思想、方程思想、函數(shù)思想、解析方法等都可以使具體的物理對(duì)象找到它的數(shù)理邏輯聯(lián)系。對(duì)實(shí)際物理問(wèn)題進(jìn)行抽象，用數(shù)學(xué)形式表達(dá)物理規(guī)律或原理而建立的模型稱(chēng)為數(shù)理模型。建立數(shù)理模型，有助于描述物理現(xiàn)象或物理過(guò)程的本質(zhì)特征，深刻領(lǐng)會(huì)物理規(guī)律或原理。例如，在“阿基米德原理”教學(xué)中，通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究，收集并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生用語(yǔ)言表述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象蘊(yùn)含的數(shù)理邏輯聯(lián)系，再通過(guò)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，不斷糾正、補(bǔ)充和完善，最終教師與學(xué)生共同總結(jié)得出阿基米德原理。由此可見(jiàn)，學(xué)好物理必須要具備基本的數(shù)理能力，能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象蘊(yùn)含的數(shù)量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)物理問(wèn)題到數(shù)學(xué)問(wèn)題的轉(zhuǎn)換，正確運(yùn)用數(shù)理語(yǔ)言準(zhǔn)確表述物理規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)理模型的有效構(gòu)建。構(gòu)建數(shù)理模型，不但培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)理能力，而且也培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用數(shù)理語(yǔ)言準(zhǔn)確表述的邏輯思維能力。

中學(xué)物理模型建構(gòu)的類(lèi)型與方法還有許多，它是由課程內(nèi)容和課程類(lèi)型決定的。除了上述介紹的課型外，實(shí)驗(yàn)課、復(fù)習(xí)課、習(xí)題課等采用的模型和方法也不盡相同，教師要有針對(duì)性地選用最合適的物理方法讓學(xué)生體驗(yàn)物理模型建構(gòu)過(guò)程，從而揭示物理學(xué)科本質(zhì)，訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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［3］董博清，彭前程. 核心素養(yǎng)視域下科學(xué)思維的內(nèi)涵及其實(shí)現(xiàn)路徑［J］.課程·教材·教法，2019，39（4）：84-90.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）