發(fā)展科學(xué)思維的高中物理模型建構(gòu)教學(xué)策略

摘 要：在高中物理教學(xué)中，建構(gòu)物理模型是解決物理問(wèn)題的重要科學(xué)思維方式。這一過(guò)程包括創(chuàng)造與生活緊密相關(guān)的真實(shí)情境、將生活情境轉(zhuǎn)化為物理情境、物理模型的建構(gòu)以及模型的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)施這些策略，教師不僅能有效地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，同時(shí)也能顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；模型建構(gòu)；情境

1 科學(xué)思維與模型建構(gòu)的內(nèi)涵

1.1 科學(xué)思維的內(nèi)涵

科學(xué)思維是一種獨(dú)特的思考方式，指運(yùn)用科學(xué)方法來(lái)細(xì)致觀察自然現(xiàn)象，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)實(shí)驗(yàn)、深入推理和準(zhǔn)確判斷等方法來(lái)揭示事物的本質(zhì)和規(guī)律。在這個(gè)過(guò)程中，科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)研究的基本方法包括觀察、實(shí)驗(yàn)、歸納、演繹、類比、假設(shè)、驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。在物理學(xué)科核心素養(yǎng)中，科學(xué)思維是一種獨(dú)特且重要的認(rèn)識(shí)方式，它從物理學(xué)的專業(yè)視角出發(fā)，對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及事物間的相互關(guān)系進(jìn)行深入的認(rèn)識(shí)和理解。這個(gè)過(guò)程是通過(guò)分析綜合、推理論證等方法，基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程，也是科學(xué)領(lǐng)域中具體運(yùn)用這些方法的體現(xiàn)。此外，科學(xué)思維強(qiáng)調(diào)在事實(shí)證據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)科學(xué)推理對(duì)各種觀點(diǎn)和結(jié)論進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)疑和批判，并進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。這種思維方式能夠激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性的見(jiàn)解，進(jìn)一步提升學(xué)生的認(rèn)知能力。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)當(dāng)積極引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)的視角觀察問(wèn)題，按照科學(xué)的邏輯思考問(wèn)題，并采取具體且有效的方法來(lái)解決問(wèn)題。

1.2 模型建構(gòu)的內(nèi)涵

模型建構(gòu)是指基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)通過(guò)抽象、概括和簡(jiǎn)化，將現(xiàn)實(shí)生活中的復(fù)雜現(xiàn)象和問(wèn)題轉(zhuǎn)化為易于理解的模型，以便進(jìn)行深入研究和探討。建構(gòu)物理模型是解決物理問(wèn)題的一種科學(xué)思維方式，它有助于深入揭示事物的本質(zhì)規(guī)律。在建構(gòu)物理模型的過(guò)程中，我們需要將外部條件中可能對(duì)研究對(duì)象產(chǎn)生干擾的次要因素排除在外，以突出其本質(zhì)特征或最主要方面。此外，我們還可以通過(guò)將物理過(guò)程純粹化、理想化來(lái)建構(gòu)物理模型?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中對(duì)模型建構(gòu)水平劃分了五個(gè)等級(jí)

（見(jiàn)圖1）^［1］，這為教師評(píng)估學(xué)生在模型建構(gòu)方面的能力和水平提供了依據(jù)。

2 高中物理教學(xué)中模型建構(gòu)的必要性

2.1 《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說(shuō)明》和《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求

《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說(shuō)明》要求高考要圍繞學(xué)科主干內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)基本概念、基本思想方法的考查。通過(guò)設(shè)置真實(shí)的問(wèn)題情境，考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生擺脫“死記硬背”“機(jī)械刷題”“題海戰(zhàn)術(shù)”，引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問(wèn)題”轉(zhuǎn)變。^［2］《課程標(biāo)準(zhǔn)》在教學(xué)建議中指出，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力是重要的教學(xué)目標(biāo)之一，建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方法。^［3］隨著學(xué)生思維的發(fā)展，他們自然會(huì)從“題海戰(zhàn)術(shù)”的“解題”過(guò)程中走出來(lái)，能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

2.2 高中物理教學(xué)的迫切需要

高中物理涉及力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，知識(shí)體系龐大復(fù)雜，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的綜合分析能力。而將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的解決，還需要學(xué)生具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力和應(yīng)用能力。由于高三教學(xué)基本都是復(fù)習(xí)課的形式，教學(xué)內(nèi)容屬于舊知識(shí)，很多復(fù)習(xí)課成了知識(shí)點(diǎn)羅列式的簡(jiǎn)單重復(fù)；學(xué)生對(duì)于所學(xué)知識(shí)的遷移能力不夠高，面對(duì)試題中復(fù)雜的情境往往感到困惑，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別熟悉的知識(shí)點(diǎn)，也就是說(shuō)，他們未能將實(shí)際情境與物理知識(shí)進(jìn)行有效的關(guān)聯(lián)。為了培養(yǎng)學(xué)生的物理分析能力，教師需要引導(dǎo)他們參與物理模型的建構(gòu)過(guò)程，并幫助他們掌握模型建構(gòu)的思維方法。這樣才能幫助學(xué)生更好地運(yùn)用物理知識(shí)解決問(wèn)題。

3 發(fā)展科學(xué)思維的高中物理模型建構(gòu)教學(xué)路徑

科學(xué)思維不像物理知識(shí)那樣可以直接讀取獲得，科學(xué)思維的培養(yǎng)需要大腦按照一定的方法對(duì)知識(shí)進(jìn)行加工。模型建構(gòu)是非常重要的方法，包含分析、抽象、概括、推理以及論證等思維方法。在高中物理教學(xué)中，如何利用模型建構(gòu)來(lái)提高學(xué)生的科學(xué)思維能力是一個(gè)重要的問(wèn)題。筆者在教學(xué)實(shí)踐中，摸索出以下教學(xué)策略，其實(shí)施流程如圖2所示。該教學(xué)策略旨在發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維以提高學(xué)習(xí)效率。

3.1 創(chuàng)設(shè)貼近生活的真實(shí)情境

教師在設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)努力創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實(shí)生活緊密相關(guān)的真實(shí)情境，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在復(fù)習(xí)動(dòng)量守恒定律及其應(yīng)用時(shí)，碰撞模型是常被探討的一個(gè)重點(diǎn)。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師可以巧妙地建構(gòu)一個(gè)生動(dòng)的真實(shí)情境：首先，演示一小彈性球自由下落并與地面碰撞后反彈的過(guò)程；隨后，將小彈性球疊放在較大的彈性球上，從相同高度一同釋放，觀察兩者的碰撞及反彈情況。

演示結(jié)束后，教師可適時(shí)拋出引人深思的問(wèn)題：“為什么當(dāng)小球疊放在大球上，兩者一同撞擊地面后，小球的反彈高度會(huì)比單獨(dú)下落時(shí)更高呢？”此問(wèn)題旨在激發(fā)學(xué)生的好奇心，點(diǎn)燃他們探索物理奧秘的熱情。

3.2 生活情境轉(zhuǎn)化為物理情境

在建構(gòu)物理模型的過(guò)程中，我們需要將真實(shí)的生活情境轉(zhuǎn)化為解決物理問(wèn)題的具體情境。教師可以播放提前錄好的慢鏡頭下兩個(gè)疊放球下落的視頻，幫助學(xué)生形成直觀的視覺(jué)印象。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)出兩球下落過(guò)程的示意圖（見(jiàn)圖3）。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)大球與地面碰撞反彈后，兩球也發(fā)生了碰撞。這使他們能夠聯(lián)想高中物理中的碰撞問(wèn)題，從而順利地將問(wèn)題中的實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為兩球碰撞的情境。

3.3 物理模型建構(gòu)

在物理學(xué)習(xí)中，模型建構(gòu)是一種重要的方法，學(xué)生可以通過(guò)觀察和分析問(wèn)題情境，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)來(lái)建構(gòu)物理模型。建構(gòu)物理模型的步驟通常包括三個(gè)階段：一是科學(xué)抽象階段，將問(wèn)題簡(jiǎn)化為基本的物理要素；二是模型形成階段，根據(jù)物理規(guī)律和理論建構(gòu)物理模型；三是模型確認(rèn)階段，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

在科學(xué)抽象階段，學(xué)生需要運(yùn)用思維對(duì)物理情境進(jìn)行深度加工，準(zhǔn)確提煉出研究對(duì)象的本質(zhì)特征。他們需要敏銳地識(shí)別出情境中的關(guān)鍵要素以及這些要素之間的相互關(guān)系，同時(shí)忽略次要因素，從而將注意力集中于核心問(wèn)題上。

在模型形成階段，學(xué)生需要將頭腦中已有的相關(guān)物理模型與物理對(duì)象的本質(zhì)特征進(jìn)行比對(duì)，從而建構(gòu)出合適的模型。這個(gè)過(guò)程需要學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合和應(yīng)用，以便將問(wèn)題與已知的物理模型相匹配。

在模型確認(rèn)階段，學(xué)生需要依據(jù)所建構(gòu)的物理模型，尋找解決問(wèn)題的相關(guān)物理規(guī)律和路徑，并嘗試運(yùn)用這些規(guī)律和路徑解決問(wèn)題。他們需要驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并確定它是否能夠有效地解釋和預(yù)測(cè)現(xiàn)象。如果問(wèn)題得以順利解決，那么意味著物理模型的建構(gòu)是成功的；如果問(wèn)題無(wú)法得到解決，學(xué)生則需要重新建構(gòu)物理模型。

在進(jìn)行情境轉(zhuǎn)化后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考兩球的碰撞是否滿足高中物理“碰撞”的本質(zhì)特征這一問(wèn)題。在水平面上，兩球互相碰撞會(huì)有三種情況，一是質(zhì)量相等的兩球碰撞，二是質(zhì)量小的球碰撞質(zhì)量大的球，三是質(zhì)量大的球碰撞質(zhì)量小的球，這里屬于第二種情況。學(xué)生對(duì)這個(gè)碰撞模型已經(jīng)非常熟悉，因此可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步確認(rèn)。由于兩球都是彈性球，我們可以認(rèn)為兩球發(fā)生的是彈性碰撞，即碰撞過(guò)程沒(méi)有能量損失，碰撞過(guò)程內(nèi)力遠(yuǎn)大于球的重力。在嘗試解決問(wèn)題的過(guò)程中，我們需要運(yùn)用這兩個(gè)規(guī)律，并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

假設(shè)兩球的質(zhì)量分別為m₁、m₂，且m1＜m₂，忽略兩球直徑的影響。在大球落地瞬間，兩球速度大小都為v，大球與地面碰撞后原速率反彈，小球速度大小仍然為v，兩球碰撞后小球與大球的速度大小分別為v1和v2，如圖4所示。

【分析模型】

取向上為正方向，根據(jù)動(dòng)量守恒定律列方程得

m2v－m1v＝m2v2＋m1v1。

根據(jù)機(jī)械能守恒定律列方程得

12m2v2＋12m1v2＝12m₂v2₂＋12m1v2₁。

聯(lián)立以上兩式，解得

v1＝3m2－m1m₁＋m2v。

情況一：若m₂＝m₁，則v₁＝v；

情況二：若m2＝2m₁，則v₁＝53v；

情況三：若m₂＝3m₁，則v₁＝2v；

情況四：若m2＝4m1，則v₁＝115v；

情況五：若m2m1，則v1≈3v。

由以上分析可知，大球與小球的質(zhì)量相差越大，小球反彈后的速度就越大。小球碰撞后可達(dá)到的最大速率是碰撞前速率的3倍，這樣就可以解釋為什么小球疊放在大球上反彈的高度會(huì)更高了。

3.4 模型應(yīng)用

學(xué)生利用所建構(gòu)的物理模型，解決實(shí)際問(wèn)題，提高解決問(wèn)題的能力。

例題 某興趣小組同學(xué)利用一組大小、質(zhì)量各不相同的硬質(zhì)彈性小球進(jìn)行了若干次碰撞實(shí)驗(yàn)。所有碰撞都可認(rèn)為是彈性碰撞，重力加速度大小為g，忽略空氣阻力影響，小球均可視為質(zhì)點(diǎn)。試討論以下問(wèn)題：

（1）第一次實(shí)驗(yàn)他們將一個(gè)質(zhì)量為m₁的球1從距離地面高h(yuǎn)處由靜止釋放，如圖5甲所示。通過(guò)查閱資料他們估計(jì)出了球與地面的作用時(shí)間Δt。求球1與地面碰撞過(guò)程中地面對(duì)小球的平均作用力F的大小。

（2）第二次實(shí)驗(yàn)在球1頂上放一質(zhì)量為m2的球2，m₁＞m₂，讓這兩個(gè)球一起從距離地面高h(yuǎn)處自由下落并撞擊地面，如圖5乙所示，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)球2反彈的高度超過(guò)了釋放時(shí)的高度。他們猜想若球2質(zhì)量越小，則被反彈的高度越高。試從理論角度分析他們的猜想是否正確，并求球2能達(dá)到的最大高度。

（3）受第（2）問(wèn)的啟示，他們?cè)O(shè)想了一個(gè)超球?qū)嶒?yàn)：將三個(gè)球緊貼從距離地面高h(yuǎn)處由靜止釋放，由下至上三球的質(zhì)量分別為m₁、m₂和m₃，且滿足m₁m₂m₃，如圖5丙所示。他們?cè)O(shè)想球3可以被反彈到很高的高度，請(qǐng)你幫他們?cè)嚬浪愦烁叨取?/p>

【第（1）問(wèn)的解析】

球1做自由落體運(yùn)動(dòng)，根據(jù)

v2＝2gh，

可得落地瞬間速度大小為

v＝2gh。

由于是彈性碰撞，所以反彈速度大小為

v＝2gh。

設(shè)向下為正方向，從落地到反彈，根據(jù)動(dòng)量定理可得

（mg－F）Δt＝－mv－mv，

解得

F＝mg＋2mvΔt＝mg＋2m2ghΔt。

【第（2）問(wèn)的解析】

球1以碰前剛剛著地的速率反彈并與球2碰撞，設(shè)向上為正方向，設(shè)碰后小球1速度為v₁，球2碰后速度為v₂，根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得

m1v－m2v＝m2v2＋m1v1，

根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得

12m2v2＋12m1v2＝12m2v²₂＋12m1v2₁，

聯(lián)立解得

v1＝m₁－3m₂m₁＋m₂2gh；

v2＝3m1－m₂m₁＋m₂2gh。

對(duì)于球2碰后根據(jù)動(dòng)能定理可得

－m₂gh₁＝0－12m₂v²₂，

解得

h1＝3m1－m₂m₁＋m₂²h＝3－m₂m₁1＋m₂m₁²h。

又因?yàn)閙₁＞m₂，所以m₂m₁ ＜1 ，則h₁＞h。當(dāng)m₁m₂時(shí)，h₁的值最大，最大值為9h，即球2反彈以后能上升的最大高度是開(kāi)始下落高度的9倍。

【第（3）問(wèn)的解析】

在第（2）問(wèn)的基礎(chǔ)上，球2接著與球3碰撞，因?yàn)閙₁m₂，

所以v₂＝32gh。

同理根據(jù)動(dòng)量守恒定律以及機(jī)械能守恒定律得出球3可以被反彈的高度的表達(dá)式

h₂＝

7m₂－m₃m₂＋m₃²h＝

7－m₃

m₂

1＋m₃m₂²h。

又因?yàn)閙₂m₃，所以h₂的最大值為49h，即球3被反彈的最大高度為49h。

【點(diǎn)評(píng)】

學(xué)生需要為了回答第（1）問(wèn)而建構(gòu)自由落體運(yùn)動(dòng)模型和碰撞模型，并熟練運(yùn)用自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和動(dòng)量定理來(lái)分析和解決這一問(wèn)題。第（2）問(wèn)則要求學(xué)生在已經(jīng)成功建構(gòu)的這些物理模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行更為深入的分析和探討。在解決第（3）問(wèn)時(shí)，學(xué)生應(yīng)基于第（2）問(wèn)的深入分析結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行推理分析，以期得出最終的答案。

4 結(jié)語(yǔ)

教師在教學(xué)實(shí)踐中要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生參與物理模型的建構(gòu)過(guò)程，從而培養(yǎng)他們掌握模型建構(gòu)的思維方法。這不僅能提高學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)分析解決問(wèn)題的能力，還有助于他們更好地理解和應(yīng)對(duì)復(fù)雜的真實(shí)情境。在模型建構(gòu)的過(guò)程中，學(xué)生可以更加深入地理解物理概念和規(guī)律，并將其應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)一步發(fā)展科學(xué)思維。

參考文獻(xiàn)

［1］［3］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版 2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：46-48，51.

［2］教育部考試中心.中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說(shuō)明［M］. 北京：人民教育出版社，2019：18.