模型建構(gòu)促進(jìn)科學(xué)思維的形成

一、相關(guān)理論概述

（一）科學(xué)思維的內(nèi)涵

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的組成部分之一，是指?jìng)€(gè)體在物理學(xué)科系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)不斷解釋物理現(xiàn)象、解決物理問(wèn)題，形成的具有創(chuàng)造性和批判性的思考方式與思維特性。它的培養(yǎng)涉及對(duì)個(gè)體模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證能力及質(zhì)疑創(chuàng)新能力的提升。

（二）模型建構(gòu)的內(nèi)涵

模型建構(gòu)是解決物理問(wèn)題的重要方法之一，符合物理學(xué)學(xué)科屬性。模型是對(duì)物體、事件等的表征，是對(duì)原型高度概括抽象后的結(jié)果。模型建構(gòu)基于物理原型，找出關(guān)鍵特征與本質(zhì)，建立動(dòng)態(tài)模型以解釋或解決問(wèn)題。中學(xué)物理學(xué)涉及理想模型、等效替代模型等，模型建構(gòu)方法有板演推理、動(dòng)畫(huà)模擬等。

（三）模型建構(gòu)促進(jìn)科學(xué)思維形成的可行性

模型建構(gòu)與應(yīng)用屬于科學(xué)思維范疇，利用其可提升學(xué)生科學(xué)思維。模型價(jià)值獲得很多發(fā)達(dá)國(guó)家的認(rèn)可，被納入課程標(biāo)準(zhǔn)。

二、指向科學(xué)思維的模型建構(gòu)教學(xué)—以\"照相機(jī)與眼球視力的矯正”為例

“光現(xiàn)象”屬于“運(yùn)動(dòng)和相互作用”觀念部分，依據(jù)物理課程標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生需了解不同透鏡的作用、凸透鏡成像規(guī)律應(yīng)用。“照相機(jī)與眼球視力的矯正\"是凸透鏡成像規(guī)律應(yīng)用內(nèi)容，故需要達(dá)到“理解\"水平。學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)之前已掌握透鏡、凸透鏡成像規(guī)律等知識(shí)；對(duì)近視眼的成因有感性認(rèn)識(shí)。能力上，學(xué)生有初步建模能力；但理論與實(shí)際結(jié)合能力欠佳，物理語(yǔ)言表達(dá)能力不足。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引出課題

分享靈山大佛、三國(guó)城、括花灣等景點(diǎn)照片，提出問(wèn)題：記錄與欣賞照片分別需要什么？引出“照相機(jī)\"與\"眼睛”。

設(shè)計(jì)意圖：以身邊實(shí)例引入新知識(shí)，建立理論與實(shí)際的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

（二）模型建構(gòu)，層層遞進(jìn)

環(huán)節(jié)一：實(shí)物展示

教師活動(dòng)：借實(shí)物介紹“照相機(jī)\"結(jié)構(gòu)，介紹它的鏡頭由一組透鏡組成，引發(fā)學(xué)生思考透鏡的種類(lèi)

學(xué)生活動(dòng)：利用\"看\"\"摸\"\"照”三種方法判斷透鏡種類(lèi)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生參與課堂，做課堂的小主人，調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的積極性及求知欲。加深他們對(duì)鏡頭為凸透鏡的認(rèn)識(shí)，為建立原理模型打下基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)二：模型建構(gòu)

設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈：（1）照片表明是實(shí)像還是虛像？ （2）照片與實(shí)物相比有什么特點(diǎn)呢？是放大還是縮小？（3）凸透鏡成實(shí)像是正立的還是倒立的？

設(shè)計(jì)意圖：這一系列的問(wèn)題循序漸進(jìn)，引發(fā)學(xué)生思考凸透鏡成像規(guī)律知識(shí)，構(gòu)建照相機(jī)成像原理的模型。實(shí)際上就是一個(gè)物距大于2f、像距在f-2f的凸透鏡成像（圖1）。這個(gè)過(guò)程鍛煉了學(xué)生的空間想象能力及邏輯思維能力。

圖1凸透鏡成像

環(huán)節(jié)三：實(shí)踐活動(dòng)

實(shí)踐性任務(wù)：模型的建立及認(rèn)知并沒(méi)有牢牢地融人學(xué)生已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，接下來(lái)設(shè)置一個(gè)實(shí)踐性任務(wù)來(lái)進(jìn)行鞏固。如果追溯到19世紀(jì)，照相機(jī)的雛形實(shí)際是一個(gè)暗箱，接下來(lái)啟發(fā)學(xué)生思考：如果已經(jīng)有了一個(gè)凸透鏡、一個(gè)光屏，要想拍照，怎么實(shí)現(xiàn)暗箱呢？很容易聯(lián)想到“關(guān)燈\"來(lái)實(shí)現(xiàn)，緊接著讓學(xué)生以小組為單位把凸透鏡（焦距為 10cm 固定在光具座的 10cm 刻度處為教師“拍照”。動(dòng)手操作前，需先思考如何才能找到像？是凸透鏡還是光屏對(duì)準(zhǔn)物體？物距需在什么范圍內(nèi)？

交流討論：看到的像有什么特點(diǎn)？像距是多少？可發(fā)現(xiàn)是倒立縮小的實(shí)像，與理論分析相符，但坐在教室各個(gè)角落的學(xué)生測(cè)出的像距卻不符合“成實(shí)像時(shí)，物遠(yuǎn)、像近\"的成像規(guī)律，而是近似相等，為什么？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}鏈的設(shè)計(jì)是讓學(xué)生明晰自己的操作步驟，將理論與實(shí)際結(jié)合起來(lái)，才能復(fù)原照相機(jī)的原理模型并應(yīng)用，從而形成科學(xué)思維。真實(shí)數(shù)據(jù)引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，這就是一個(gè)很好的且真實(shí)的物理原始問(wèn)題。這考查了學(xué)生的模型建構(gòu)能力、數(shù)據(jù)分析能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的形成

（三）對(duì)比研究，深化理解

環(huán)節(jié)一：對(duì)比眼晴和照相機(jī)首先利用“眼晴是怎樣觀察到世界的？人能看到物體，肯定有什么進(jìn)入眼晴？\"等問(wèn)題構(gòu)建光的模型光線(xiàn)，然后借用眼球的結(jié)構(gòu)圖介紹光是如何通過(guò)晶狀體、視網(wǎng)膜等成像的。接著建立眼睛與照相機(jī)的聯(lián)系，利用問(wèn)題鏈啟發(fā)學(xué)生思考眼睛成像原理：（1）眼睛看到的物體的像與實(shí)物相比有什么特點(diǎn)呢？（2）像呈現(xiàn)在哪？實(shí)像還是虛像？由此引導(dǎo)學(xué)生建立出眼睛的成像原理模型實(shí)際，即圖1。

環(huán)節(jié)二：人眼看清遠(yuǎn)近物體的原理

假設(shè)晶狀體是個(gè)形狀不變的“透鏡”，當(dāng)物體靠近時(shí)，像的位置如何變化？根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律，成實(shí)像時(shí)，物近，像遠(yuǎn)，像變大，像會(huì)后移，也就是呈現(xiàn)在視網(wǎng)膜的后方。是否能看清楚？如果不能，那么眼晴是怎么調(diào)節(jié)的？問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到眼睛與照相機(jī)的不同，它通過(guò)調(diào)節(jié)晶狀體的焦距實(shí)現(xiàn)成像清晰。

設(shè)計(jì)意圖：模型構(gòu)建在這里是有助于解決問(wèn)題的，用光線(xiàn)代替光進(jìn)行建模（圖2），物體靠近眼晴時(shí)，要想看清物體，從晶狀體射出的光線(xiàn)需會(huì)聚一點(diǎn)，晶狀體的折光能力要變強(qiáng)，即厚一點(diǎn)。這是推理，后續(xù)制作水透鏡的模型，通過(guò)吸水注水改變透鏡厚薄程度（焦距）來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，“建模 + 推理 ↓ 驗(yàn)證\"很好地促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，也降低學(xué)生的理解難度。

圖2建模

（四）知識(shí)遷移，學(xué)會(huì)應(yīng)用環(huán)節(jié)一：建模分析

教師活動(dòng)：近視、遠(yuǎn)視情況下，晶狀體成像位置與視網(wǎng)膜位置有何關(guān)系？戴什么眼鏡矯正？引導(dǎo)學(xué)生用光線(xiàn)代替光建模（圖3）。

學(xué)生活動(dòng)：思考得到近視眼成像在視網(wǎng)膜前方，需要佩戴發(fā)散作用的透鏡，即凹透鏡；遠(yuǎn)視眼成像在視網(wǎng)膜后方，需要佩戴會(huì)聚作用的透鏡，即凸透鏡。

圖3

設(shè)計(jì)意圖：直接講授、純粹記憶是難以讓學(xué)生真正理解近視/遠(yuǎn)視的成因的，通過(guò)模型建構(gòu)加推理，可以直觀看出光路的路徑，深化理解。

環(huán)節(jié)二：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)：提供用F光源、凸透鏡（代替眼球）光屏（代替視網(wǎng)膜）光具座（帶有刻度尺）近視/遠(yuǎn)視眼鏡等，觀察有/無(wú)眼鏡時(shí)成像位置。

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)該結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（圖4），分析近/遠(yuǎn)視眼成像位置與視網(wǎng)膜位置關(guān)系，使建立的模型更立體、全面，有說(shuō)服力。整個(gè)過(guò)程涉及抽象思維能力、推理能力、動(dòng)手操作能力等，促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖4模擬探究近視眼的缺陷

（五）知識(shí)拓展，激發(fā)興趣

教師活動(dòng)：在課堂尾聲通過(guò)視頻科普它的原理，實(shí)際是改變晶狀體的焦距；科普電影藝術(shù)采用的視覺(jué)暫留原理，并提供畫(huà)冊(cè)讓學(xué)生快速翻閱。

設(shè)計(jì)意圖：增加課堂的人文性，提醒學(xué)生保護(hù)眼晴很重要。學(xué)習(xí)的根本目的是解決生活問(wèn)題，物理學(xué)科與生活息息相關(guān)，初中物理課堂教學(xué)應(yīng)該多拓展，啟發(fā)學(xué)生的思維。

三、指向科學(xué)思維的模型建構(gòu)教學(xué)策略

（一）有效的問(wèn)題鏈設(shè)計(jì)

記憶一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的難度遠(yuǎn)低于應(yīng)用它，只有會(huì)應(yīng)用它去解決實(shí)際問(wèn)題才能深刻理解。但是對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，難以建立理論與實(shí)際的聯(lián)系，抓住問(wèn)題或事物的關(guān)鍵，找出其根本原因。因此，在日常教學(xué)中需要設(shè)計(jì)問(wèn)題鏈，啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)他們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。教師備課時(shí)需充分了解學(xué)生，對(duì)學(xué)生進(jìn)行預(yù)估。比如介紹光線(xiàn)的概念時(shí)，可先讓學(xué)生對(duì)比簡(jiǎn)筆畫(huà)的云和外面天空中的云，很明顯，畫(huà)中的云是模型，而天空中的云是實(shí)物，構(gòu)建學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)知。

（二）注重模型制作

模型構(gòu)建是將原型高度抽象化、概括化的過(guò)程，學(xué)生需抓住問(wèn)題的關(guān)鍵才能找出本質(zhì)所在，從而建立模型。因此，生活中的很多常見(jiàn)事物都可作為原型進(jìn)行簡(jiǎn)單的模型制作，比如水泵、照相機(jī)、投影儀等，在制作過(guò)程中，既可以幫助學(xué)生提高尋找事物本質(zhì)的能力，深化他們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解、對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，又可以鍛煉他們解決實(shí)際問(wèn)題的能力，深化建模思想

（三）日常教學(xué)注意訓(xùn)練學(xué)生的邏輯性思維

科學(xué)思維的形成是離不開(kāi)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓运季S的。在日常的課堂教學(xué)中，教師可以多提供機(jī)會(huì)讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的表述總結(jié)，鍛煉他們對(duì)因果關(guān)系的梳理能力，培養(yǎng)邏輯性思維。例如，蘇科版八年級(jí)上冊(cè)物理教材中的《凸透鏡成像的規(guī)律》一節(jié)，在實(shí)驗(yàn)后，就可以邀請(qǐng)一位學(xué)生演示并用語(yǔ)言表述操作步驟對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象。整個(gè)過(guò)程教師可以提醒演示的學(xué)生表述時(shí)注意強(qiáng)調(diào)物距、像距，以及提醒他向大家介紹怎么尋找像的位置。整個(gè)過(guò)程既鍛煉了學(xué)生語(yǔ)言表達(dá)能力、操作能力，又鍛煉了其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓运季S，如果表述過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤，更能引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，加深他們的理解。

四、結(jié)束語(yǔ)

在之前的教學(xué)中，學(xué)生一直存在知識(shí)應(yīng)用能力較差的問(wèn)題，物理方法學(xué)習(xí)過(guò)、探究過(guò)程學(xué)習(xí)過(guò)、知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)過(guò)，但是一遇到需要解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，卻無(wú)從下手。對(duì)此，需要教師有自的地設(shè)計(jì)有效的問(wèn)題鏈，以引導(dǎo)為主，讓學(xué)生自主探究，避免死記硬背，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)抓住問(wèn)題的關(guān)鍵。課后教師應(yīng)注重模型的制作，并注重鍛煉他們的邏輯思維。此次選的課例以模型建構(gòu)為基調(diào)，涉及類(lèi)比法、推理驗(yàn)證、探究實(shí)驗(yàn)等，旨在幫助學(xué)生真正理解物理問(wèn)題，學(xué)會(huì)如何解決物理問(wèn)題，并逐步促進(jìn)科學(xué)思維的形成。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭玉英，姚建欣，張玉峰，等.基于學(xué)生核心素養(yǎng)的物理學(xué)科能力研究[M.北京：北京師范大學(xué)出版社，2020.

（本文為省中小學(xué)教學(xué)研究課題（2023）年度第（十五）期“指向概念理解的初中物理實(shí)驗(yàn)探究項(xiàng)目化設(shè)計(jì)與實(shí)施研究\"的階段性成果，課題編號(hào)：2023JY15-L61）