初中物理模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)

安小娜

摘? ?要：構(gòu)建物理模型是研究物理規(guī)律和物理理論的基礎(chǔ)。在模型構(gòu)建過(guò)程中，教師可通過(guò)創(chuàng)造真實(shí)的教學(xué)情景，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的感知能力，將模型建構(gòu)與學(xué)生的日常生活相結(jié)合，提取真實(shí)情境中的本質(zhì)物理要素，將情景問(wèn)題類比遷移為基礎(chǔ)的物理模型。這樣可將物理問(wèn)題建構(gòu)還原成熟悉的物理模型，促使學(xué)生對(duì)問(wèn)題情境進(jìn)行自主分析、深度分析，培養(yǎng)其物理模型建構(gòu)能力。

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

中圖分類號(hào)：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1009-010X（2023）26-0040-04

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出了“培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)”“促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展”。物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成，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。物理學(xué)科核心素養(yǎng)的科學(xué)思維內(nèi)容特別強(qiáng)調(diào)了學(xué)生要有建構(gòu)物理模型的能力。所以，基于物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，進(jìn)行必要思維訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力至關(guān)重要。

一、模型建構(gòu)

物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門基礎(chǔ)學(xué)科。自然界中物質(zhì)種類各式各樣，物體的運(yùn)動(dòng)錯(cuò)綜復(fù)雜，物體間的相互作用各不相同，每一個(gè)實(shí)際的物理問(wèn)題都涉及幾個(gè)甚至多個(gè)方面的因素。為了更形象真實(shí)地描述客觀事物的屬性、相互作用以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，科學(xué)家往往把研究的物理問(wèn)題或物理過(guò)程及情境通過(guò)理想化、簡(jiǎn)化、類比等方法抽象處理為簡(jiǎn)單、直觀、理想的物理模型，這個(gè)過(guò)程就是模型建構(gòu)的過(guò)程。模型是一種對(duì)客觀事物的本質(zhì)特征和事物間的相互關(guān)系等的表征，建模是建構(gòu)或修改模型的動(dòng)態(tài)過(guò)程。所以為了充分認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象的本質(zhì)，我們需要在客觀事實(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)研究的物理問(wèn)題（物理對(duì)象、條件和過(guò)程等）進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，忽略研究對(duì)象或過(guò)程的次要因素，抓住其本質(zhì)特征，把復(fù)雜的研究對(duì)象或過(guò)程簡(jiǎn)化為較為理想化的模型，從而發(fā)現(xiàn)和表達(dá)物理規(guī)律。

二、對(duì)初中學(xué)生模型建構(gòu)能力的要求

物理學(xué)中的很多概念和規(guī)律都是從實(shí)際生活情境中總結(jié)、簡(jiǎn)化、抽象出來(lái)的，初中物理教材中涉及到的物理模型有：平面鏡、光線、凸透鏡、勻速直線運(yùn)動(dòng)、連通器、杠桿、串并聯(lián)電路、用電器、磁感線、點(diǎn)電荷、液柱、液片等。模型建構(gòu)能力要求初中生“會(huì)用所學(xué)模型分析常見(jiàn)的物理問(wèn)題”“體會(huì)利用模型分析和解決實(shí)際問(wèn)題所帶來(lái)的方便”“體會(huì)模型建構(gòu)是科學(xué)思維的重要方法”。初中階段學(xué)生的年齡處于13～15歲，思維處于由形象思維向抽象思維發(fā)展的階段。初中物理課程中涉及到的物理模型大多數(shù)是從實(shí)踐生活中抽象概括出來(lái)的，如果不注重模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)，不重視規(guī)律和結(jié)論的得出過(guò)程，就不能解決初中物理中較復(fù)雜的問(wèn)題。學(xué)生要在實(shí)際問(wèn)題的解決過(guò)程中具備一定建模意識(shí)，能通過(guò)觀察分析主動(dòng)地從物理情境中確定研究對(duì)象，在物理過(guò)程中提取描述問(wèn)題的本質(zhì)特征、找到問(wèn)題中各要素之間的關(guān)系，在題目中挖掘隱藏條件，構(gòu)建物理模型，應(yīng)用、拓展相關(guān)的模型，從而提高模型建構(gòu)能力。這樣在模型建構(gòu)過(guò)程以及基礎(chǔ)模型拓展應(yīng)用中，學(xué)生就能迅速地找到解決問(wèn)題的方法，深刻理解物理規(guī)律并靈活運(yùn)用物理規(guī)律解決問(wèn)題，進(jìn)而提升科學(xué)思維能力。

三、初中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生模型構(gòu)建能力的策略

學(xué)生解決物理問(wèn)題的過(guò)程就是將研究對(duì)象的本質(zhì)抽象地表現(xiàn)出來(lái)，把物體以及物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程構(gòu)建成物理模型并應(yīng)用模型解決問(wèn)題的過(guò)程。初中生的物理模型建構(gòu)意識(shí)和建構(gòu)能力的培養(yǎng)是以實(shí)際問(wèn)題和真實(shí)情境為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，拓展思維，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展的過(guò)程。在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生模型構(gòu)建能力的策略有如下幾種：

（一）重視對(duì)問(wèn)題的感知能力，體會(huì)模型建構(gòu)過(guò)程，提高模型建構(gòu)的意識(shí)

初中生的思維能力發(fā)展處于從形象思維到抽象思維的轉(zhuǎn)型階段，對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)是從問(wèn)題感知開(kāi)始的。在模型建構(gòu)的過(guò)程中，教師為學(xué)生提供真實(shí)的情境，學(xué)生通過(guò)對(duì)真實(shí)的生活現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的觀察分析、感官體驗(yàn)和自我思考，發(fā)現(xiàn)、理解、抽象出問(wèn)題的本質(zhì)。

例如，在光學(xué)的教學(xué)中，教師要善于運(yùn)用圖片或?qū)嶒?yàn)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)光線這一物理模型，讓學(xué)生體會(huì)光線并不是真實(shí)存在的，而是為了研究問(wèn)題的方便，忽略次要因素抓住問(wèn)題的本質(zhì)而引入的抽象模型。初中物理教學(xué)中液片模型的建構(gòu)過(guò)程在液體壓強(qiáng)的推導(dǎo)公式、連通器以及測(cè)量大氣壓強(qiáng)中都有涉及。以連通器中液片模型的建構(gòu)過(guò)程為例，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生思考什么條件下、根據(jù)什么原理、建構(gòu)什么樣的模型。在學(xué)生對(duì)問(wèn)題的感知中，引導(dǎo)學(xué)生利用液體壓強(qiáng)和二力平衡的知識(shí)分析連通器里的液體不流動(dòng)時(shí)，各容器中液面的高度總是相同的原因。引導(dǎo)學(xué)生設(shè)想在連通器的底部有一個(gè)“薄液片”，當(dāng)液體不流動(dòng)時(shí)，分析它兩側(cè)受到的壓力和壓強(qiáng)的情況。在液體不流動(dòng)時(shí)，“薄液片”處于平衡狀態(tài)，兩側(cè)受到的壓力相等，壓強(qiáng)也相等，兩側(cè)的液面高度相同。如圖1，設(shè)想連通器底部有一液片AB，當(dāng)液體不流動(dòng)時(shí)，液片AB處于靜止，根據(jù)二力平衡，即F左=F右，進(jìn)一步展開(kāi)

P左·S左=P右·S右，又因?yàn)镾左=S右，所以P左=P右，根據(jù)液體壓強(qiáng)公式可得ρ左gh左=ρ右gh右，由于ρ左=ρ右，所以h左=h右，即液面高度相同。

在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生能夠感知液體處于平衡狀態(tài)，在分析抽象的液面過(guò)程中學(xué)生能夠體會(huì)液片模型的建構(gòu)過(guò)程，意識(shí)到模型建構(gòu)對(duì)解決問(wèn)題的重要性，在解決新的物理問(wèn)題時(shí)學(xué)生就能清晰地構(gòu)建出符合條件的物理模型。

（二）恰當(dāng)選擇生活中的模型，掌握模型建構(gòu)的方法，提升模型建構(gòu)的能力

物理知識(shí)來(lái)源于生活，并應(yīng)用于生活。初中物理貼近學(xué)生生活，在物理教學(xué)模型建構(gòu)活動(dòng)的開(kāi)展過(guò)程中，教師應(yīng)注重模型建構(gòu)與學(xué)生的日常生活相結(jié)合，讓學(xué)生體會(huì)到物理知識(shí)與生活緊密相連，在對(duì)生活中模型的實(shí)際操作中，理解模型建構(gòu)的方法，用生活化的模型引導(dǎo)學(xué)生建立構(gòu)建模型的思維，從而加強(qiáng)對(duì)物理知識(shí)的理解，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展，拓展學(xué)生的思維能力。

例如，在杠桿模型的建構(gòu)過(guò)程中教師可以多給學(xué)生準(zhǔn)備一些器材，比如：羊角錘、鉗子、剪刀、扳手等，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)定義對(duì)生活實(shí)物的分析，利用實(shí)物讓學(xué)生體會(huì)在使用過(guò)程中這些工具是圍繞哪個(gè)位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即支點(diǎn)是哪兒;體會(huì)使用工具的過(guò)程中受到的阻力方向、動(dòng)力方向、動(dòng)力臂和阻力臂等;最后再由動(dòng)力臂和阻力臂的大小關(guān)系判斷省、費(fèi)力情況。在分析生活實(shí)例的過(guò)程中，忽略支點(diǎn)的大小和動(dòng)力及阻力的準(zhǔn)確方向，突出支點(diǎn)的位置及力的大小關(guān)系判斷。如圖2，開(kāi)瓶器可抽象為杠桿，動(dòng)力是人的手對(duì)開(kāi)瓶器施加的向上的力F1，阻力來(lái)源于瓶蓋對(duì)開(kāi)瓶器的彈力F2，支點(diǎn)就是開(kāi)瓶器與瓶蓋頂部接觸的點(diǎn)O。在逐步的引導(dǎo)中學(xué)生建模的過(guò)程中讓學(xué)生掌握了杠桿模型的建立方法，知道了如何建構(gòu)一個(gè)簡(jiǎn)單的物理模型，提升了模型建構(gòu)能力。

學(xué)生掌握了對(duì)杠桿模型的建構(gòu)方法，對(duì)杠桿模型就有了清晰的認(rèn)識(shí)，就可以將杠桿的定義遷移至更廣泛的應(yīng)用。以學(xué)生常用的燕尾夾為例，如圖3，用力摁住A點(diǎn)可以打開(kāi)該夾子，教師可以讓學(xué)生在反復(fù)操作過(guò)程中找到支點(diǎn)O、動(dòng)力作用點(diǎn)F1和阻力作用點(diǎn)F2。學(xué)生掌握了模型建構(gòu)的方法，就能夠迅速地分析構(gòu)建出杠桿模型，拓展了其科學(xué)思維能力和模型建構(gòu)能力。

（三）建構(gòu)情境化物理模型，深化對(duì)模型建構(gòu)的理解，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型解決實(shí)際問(wèn)題的能力

在初中物理課堂教學(xué)中，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)良好的教學(xué)情境，開(kāi)展情境化的模型建構(gòu)。在情境化模型建構(gòu)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生對(duì)模型進(jìn)行思考，針對(duì)學(xué)生自己需要的內(nèi)容進(jìn)行模型建構(gòu)，學(xué)生在模型建構(gòu)的過(guò)程中找到存在的規(guī)律，從而將知識(shí)引申到固定的公式上，使得抽象的物理模型變得更為具體化、過(guò)程化、動(dòng)態(tài)化。

如圖4所示的是我國(guó)棉花收割機(jī)正在收割新疆棉花的場(chǎng)景，收割機(jī)的質(zhì)量為10t，輪胎與地面的接觸總面積為5m2，當(dāng)棉花收割機(jī)在地面上行進(jìn)工作時(shí)，收割機(jī)受到地面的阻力為收割機(jī)總重的0.1倍，求：當(dāng)天收割完成后，棉花的質(zhì)量為2t，此時(shí)收割機(jī)對(duì)地面的壓強(qiáng)為多少？（鏟斗不接觸地面）

針對(duì)一個(gè)實(shí)際的生活、生產(chǎn)場(chǎng)景，教師需要要引導(dǎo)學(xué)生提取情境中的本質(zhì)物理要素，忽略次要因素。比如，忽略收割機(jī)的形狀和質(zhì)量分布不均勻，忽略糧食在收割機(jī)上的位置，突出收割機(jī)和棉花總重力和面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立起如圖4所示的熟悉的立方塊疊放模型，才容易找到壓力和面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

學(xué)生把真實(shí)情境中的物理問(wèn)題建構(gòu)還原成熟悉的物理模型，對(duì)問(wèn)題情境進(jìn)行自主性的深度分析，再尋找對(duì)應(yīng)的物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，深化對(duì)模型建構(gòu)的理解，從而使其解決復(fù)雜問(wèn)題的能力得到提升，建構(gòu)模型解決實(shí)際問(wèn)題的能力得以培養(yǎng)。

（四）科學(xué)運(yùn)用類比遷移物理模型，拓展模型建構(gòu)的應(yīng)用，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)

物理模型的搭建不僅需要建構(gòu)者對(duì)所學(xué)物理知識(shí)有深刻理解，還要求建構(gòu)者能夠在深刻理解掌握的基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行遷移。針對(duì)物理綜合題，教師引導(dǎo)學(xué)生類比遷移物理模型，不僅可以幫助學(xué)生梳理出清晰的解題思路，還能很好地培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

如例題，小明利用電子秤、細(xì)線、盛有適量水的燒杯設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)（如圖5所示）來(lái)判斷一個(gè)手鐲是不是純銀制品。（g取10N/kg）

實(shí)驗(yàn)步驟：

①首先利用電子秤測(cè)出手鐲的質(zhì)量m鐲=0.018kg;

②然后將裝有水的燒杯放在電子秤上，測(cè)量出此時(shí)水和燒杯的總質(zhì)量m0=2.3kg;

③接著用細(xì)線吊住手鐲，將其完全浸沒(méi)在水中（手鐲與燒杯底不接觸），此時(shí)水和燒杯、手鐲的總質(zhì)量m1=2.302kg。

分析并計(jì)算手鐲的密度是______kg/m3。

此題的目的是計(jì)算手鐲的密度，需要知道手鐲的質(zhì)量和體積，學(xué)生能很輕松地從圖中找到手鐲的質(zhì)量，但是沒(méi)有清晰的思路計(jì)算出手鐲的體積。我們可以用類比遷移物理模型的方式，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)固體壓強(qiáng)時(shí)已經(jīng)構(gòu)建的基礎(chǔ)模型，幫學(xué)生把控情景，梳理解題思路，進(jìn)而拓展學(xué)生的模型建構(gòu)應(yīng)用。類比遷移的過(guò)程如下：

基礎(chǔ)物理模型（如圖6-1～圖6-3），圖6-1固體物體B靜止在水平面時(shí)對(duì)地壓力等于物體B的重力，圖6-2物體A放到物體B上時(shí)增加的壓力為物體A的重力，圖6-3物體B對(duì)地增加的壓力等于物體A對(duì)物體B的壓力。依據(jù)基礎(chǔ)物理模型，我們可以類比遷移到規(guī)則形狀容器中的液體對(duì)容器底部的壓力變化，從圖6-4變化到圖6-5再變化到圖6-6，增大的壓力都等于物體對(duì)液體的壓力。在類比基礎(chǔ)物理模型的前提下遷移、拓展，學(xué)生很容易從圖6-7類比遷移到圖6-8，增加的質(zhì)量就是由于手鐲對(duì)水的壓力（與浮力互為相互作用力）產(chǎn)生的，從而得到排開(kāi)水的質(zhì)量，進(jìn)而算出排開(kāi)水的體積，即手鐲的體積。在這個(gè)過(guò)程中通過(guò)類比遷移幫助學(xué)生克服模型建構(gòu)的障礙，增強(qiáng)學(xué)生建構(gòu)物理模型的能力。

在教學(xué)中構(gòu)建物理模型，可以突出物理問(wèn)題的主干，疏通學(xué)生的思路，使學(xué)生容易建立起清晰直觀的物理情景，把問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)、化難為易。這樣不僅能降低學(xué)習(xí)難度，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)好物理的自信心，更重要的是建模思想對(duì)學(xué)生起到了潛移默化的影響。教師對(duì)模型建構(gòu)教學(xué)方法的采用可以有效地培養(yǎng)學(xué)生思維能力和模型建構(gòu)能力，促進(jìn)學(xué)生物理水平的提高。模型建構(gòu)的教學(xué)方法可以讓學(xué)生能夠在物理解題過(guò)程中有效地運(yùn)用各種解題方法、聯(lián)系有關(guān)的物理知識(shí)以及掌握將“變”轉(zhuǎn)化成“不變”的規(guī)律，讓學(xué)生對(duì)自己存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，找出模型建構(gòu)的因素和內(nèi)容，巧妙地將模型建構(gòu)生活化、情境化，同時(shí)讓學(xué)生的物理學(xué)習(xí)過(guò)程變得更加生動(dòng)有趣，從而加深學(xué)生對(duì)教材中各種公式、定理的理解，促進(jìn)學(xué)生思維能力、綜合水平的提高。

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