立足新教材開展建模教學策略探討
——以高中物理必修2“拋體運動”為例

劉姝芳 許桂清 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

建模教學是一種科學和數(shù)學學科的探究教學模式，是一種引導學生參與建立、檢驗與應(yīng)用自然規(guī)律概念模型的教學活動[1].在最新頒布的普通高中物理課程標準中，模型建構(gòu)是科學思維的重要組成部分.建構(gòu)模型是一種重要的科學思維方法，教師在教學中要讓學生體會建構(gòu)這些物理模型的思維方法，理解物理模型的使用條件，能通過建構(gòu)物理模型來研究實際問題[2].在新版高中教材中，呈現(xiàn)了許多能夠進行建模教學的教學素材，下面筆者結(jié)合新教材探討如何立足教材開展物理建模教學.

2 立足物理新教材開展建模教學的策略

2.1 源于教材的物理建模教學流程

經(jīng)認真研究發(fā)現(xiàn)，重視物理建模教學，是新版粵教版高中物理教材的特色之一，通過總結(jié)歸納，筆者以粵教版高中物理必修2為例，進一步梳理出新版高中物理教材所呈現(xiàn)的一般性的物理建模教學流程如圖1所示.

圖1 立足教材開展物理建模教學流程

從上述流程可以看到，高中物理教材中所設(shè)計的建模教學，首先都從創(chuàng)設(shè)情境問題切入.進一步分析新教材所創(chuàng)設(shè)的情境，筆者發(fā)現(xiàn)教材中建構(gòu)物理模型的素材主要來源于物理實驗、生活現(xiàn)象和工業(yè)化生產(chǎn)3類情境，并且以生活和生產(chǎn)情境為主，啟發(fā)師生物理建模的目的之一就是解決實際問題.筆者也發(fā)現(xiàn)，新教材提出的建模教學，大致可以劃分為創(chuàng)設(shè)情境、建立模型、完善模型、模型拓展4個環(huán)節(jié)，為師生開展物理建模提供了較好的腳手架.下面以粵教版高中物理必修2中“拋體運動”為例，具體探討各個建模教學環(huán)節(jié)相應(yīng)的教學策略.

2.2 基于教材的物理建模教學策略探討

2.2.1 善用教材挖掘問題

問題是學習知識的起點，當學生有了問題意識之后才有可能調(diào)動自己的內(nèi)在驅(qū)動力主動獲取知識，尋找問題的答案.新教材設(shè)置了具象的導入情境，作為教師則需要幫助學生從情境中挖掘出值得探索的物理問題.例如，在新教材平拋運動這節(jié)內(nèi)容中，教師展示教材呈現(xiàn)的一個簡單的演示實驗引入新課：沿水平方向扔出一塊橡皮.緊接著教師可以拋出3個問題，橡皮的運動軌跡是怎樣的？橡皮的運動是否有規(guī)律？如果有，又該如何建立物理模型探究橡皮的運動規(guī)律呢？上述3個問題，引導學生從看似簡單的一個演示實驗入手，逐步走向物理建模的思維深化過程.

提出物理建模任務(wù)后，還需要通過師生對話的方式，引導學生將注意力放在已有知識和現(xiàn)有問題之間的聯(lián)系上，幫助他們超越自己目前的知識水平到達最近發(fā)展區(qū).而師生對話的關(guān)鍵，仍然是在教材基礎(chǔ)上，設(shè)計系列針對性的引導性問題.

例如，在這里可以提示學生聯(lián)系我們之前學習過的知識，引導學生通過受力分析得知，忽略空氣阻力的話，橡皮僅受到重力作用.接著再啟發(fā)學生思考：僅在重力作用下的物體會做什么運動？學生自然就能想到必修1中學到的自由落體運動.進一步追問學生：這里橡皮的運動是自由落體運動么？引發(fā)學生認知沖突后，提示學生：這兩者有怎樣的聯(lián)系和區(qū)別？如何經(jīng)由自由落體運動去探究平拋運動的規(guī)律？由此充分借助教材的素材，從實際的實驗演示逐步引向物理模型的建構(gòu)環(huán)節(jié).

2.2.2 小組討論建立模型

針對教材中呈現(xiàn)的實際情境提出物理建模的針對性問題后，教師可以將初始建立模型的過程轉(zhuǎn)化為課堂小組討論任務(wù)，給予學生更多的建模體驗.各小組呈現(xiàn)討論的物理模型后，若出現(xiàn)不同意見時可以小組間相互辯論，以此拓展建模的思路；教師在這個環(huán)節(jié)中在各個小組間巡視，適當提供思考的腳手架，幫助學生解決物理建模過程中遇到的難題.

例如，小組討論后，有些小組的學生聯(lián)系教材前面所學內(nèi)容，大膽建立了平拋運動模型，認為橡皮的平拋運動可以分解為自由落體運動和水平方向的直線運動.他們給出的理由是：在教材的前一節(jié)內(nèi)容運動的合成與分解中就出現(xiàn)了類似的運動，即用小錘擊打彈性金屬片的運動情況分析，從運動的效果上我們可以將此過程分解為兩個同時進行的分運動，一個是在水平方向上的直線運動，另一個是在豎直方向的直線運動.這個大膽的模型猜想在某些組的學生看來有點難以置信，所以接下來教師就可以借此鼓勵小組成員設(shè)計實驗去驗證自己所建物理模型的正確性，引導全班學生共同思考：如果該模型成立，如何設(shè)計實驗檢驗豎直方向是自由落體運動，水平方向是勻速直線運動？由此逐步引導學生設(shè)計出教材中的探究性實驗，促使學生體會物理模型對探究實驗方案設(shè)計的指導價值，從而避免了照著教材探究方案機械操作的低層次思維.整個過程就是這樣一步步深入發(fā)展下去，教師在這個過程不斷地言語提示，喚醒學生腦海中已有的教材中所學知識內(nèi)容，同時啟發(fā)學生思維，對比聯(lián)想建立模型驗證自己的模型猜想.

2.2.3 師生問答完善模型

各小組將建立的模型以圖表或者文字的形式呈現(xiàn)出來后，教師對各組的模型進行點評，建議采用蘇格拉底問答法，比如“你怎么知道的？”“為什么要這么做呢？”“這個模型適用于任何情況么”等，由此引發(fā)學生的自我反思，使得學生對物理模型的理解更加深刻.此處需要注意的是，物理模型往往具有適用條件，教師需要通過蘇格拉底式問答，啟發(fā)學生對此進行分析與總結(jié).

比如在建構(gòu)平拋運動模型時，學生類比了前面教材中學過的自由落體運動規(guī)律，應(yīng)用了運動的合成與分解知識，在這里教師需要通過一問一答，引導學生注意明確平拋運動規(guī)律的適用條件是：僅在重力作用下的運動且有水平方向的初速度.再如，在教材中呈現(xiàn)了柱形和弧形兩種不同形態(tài)的噴泉，這兩種噴泉的不同形態(tài)會給學生造成錯誤的物理模型認知，有些學生會認為噴泉之所以會有柱形和弧形兩種形態(tài)是水壓大小的原因，水壓大的呈現(xiàn)柱形，水壓小的呈現(xiàn)弧形，出現(xiàn)物理模型建構(gòu)的混亂.此時，教師可以提出針對性的問題：小水滴到了最高點會怎樣運動？由此啟發(fā)學生聯(lián)想到教材前面所學的自由落體知識，并反思意識到弧形噴泉并不滿足自由落體的物理模型條件.

2.2.4 提出新問題模型應(yīng)用

模型應(yīng)用環(huán)節(jié)主要是診斷學生是否能夠?qū)⑺⒌奈锢硇履Ｐ瓦w移到其他情境中加以應(yīng)用.粵教版新教材十分注重物理模型在實驗、生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用，列舉呈現(xiàn)了大量的應(yīng)用實例.教師需要在教材基礎(chǔ)上，針對教材中的應(yīng)用實例，拋出新問題，啟發(fā)學生學會從新情境中識別物理模型并加以應(yīng)用.

例如，在粵教版必修2“運動的合成與分解”一節(jié)課中，教材用一道例題呈現(xiàn)了小船過河的實際情境，以此幫助學生進一步熟悉應(yīng)用速度和位移合成與分解的相關(guān)物理模型.在該過程中，教師可以拋出引導性問題：遇到這一類實際生活情境，應(yīng)當將實際物體抽象成怎樣的物理模型？選取怎樣的物理過程模型予以解決？又如，粵教版教材在平拋運動一節(jié)的討論與交流欄目中，呈現(xiàn)了平拋運動與自由落體運動的頻閃照片.教師可以適時地拋出新問題：如何利用頻閃相片，驗證前面實驗中建構(gòu)的物理模型，即證明平拋運動豎直方向的運動是自由落體運動，水平方向的運動是勻速直線運動？還如，教材在實踐與拓展欄目中，要求學生利用平拋運動實驗儀得到鋼球做平拋運動的軌跡，教師需要補充提示：如何利用平拋運動模型來指導該實驗，為學生更好地理解實驗方案指明思考的方向，體驗?zāi)Ｐ椭笇У膬r值.

除了教材中已有欄目設(shè)置的實際問題外，教師也需要鼓勵學生聯(lián)想物理模型在日常生活中的應(yīng)用，還可以鼓勵學生之間仿照蘇格拉底式的提問方式，針對生活中的各類現(xiàn)象，相互提問并回答加深對物理模型的靈活應(yīng)用.

3 基于物理實驗和生產(chǎn)生活現(xiàn)象建模教學的異同點分析

需要指出的是，在立足教材開展建模教學的策略中，基于物理實驗和基于生產(chǎn)生活現(xiàn)象的建模教學存在一定的差異.

仔細閱讀教材會發(fā)現(xiàn)，新粵教版高中物理教材在基于物理實驗的建模教學中，往往是先從理論上建構(gòu)物理模型，然后再在物理模型的指引下設(shè)計實驗方案，最后通過實驗方案對建構(gòu)的物理模型進行檢驗.例如，教材中平拋運動中豎直和水平方向分運動的規(guī)律探究，即采用了上述建模教學思路.

而基于生產(chǎn)生活現(xiàn)象的建模教學，新粵教版高中物理教材則主要采用從真實的生產(chǎn)生活場景中抓住現(xiàn)象的本質(zhì)特征，抽取出能夠表征現(xiàn)象本質(zhì)特征的相關(guān)物理要素，然后由物理要素組合形成新的物理模型.例如，教材中關(guān)于噴泉現(xiàn)象、傳送帶現(xiàn)象和跳遠現(xiàn)象的物理建模，都采用了類似上述的建模思路.

當然，上述兩種建模教學方式也有相似之處，它們的目的都是讓學生在學習知識的過程中掌握構(gòu)建物理模型、分析實際問題的方法，都強調(diào)引導學生歷經(jīng)物理建模的過程，深化學生的科學思維；都強調(diào)在同伴交流和師生互動環(huán)節(jié)中，培養(yǎng)實事求是、追求真理的科學態(tài)度.

4 總結(jié)與展望

上文結(jié)合新版高中物理教材提煉了立足新教材開展物理建模教學的一般流程，探討了基于物理實驗和生產(chǎn)生活現(xiàn)象建模教學的異同點.需要指出的是，物理建模教學側(cè)重對學生科學思維的培養(yǎng)，雖然新版高中物理教材呈現(xiàn)了良好的建模教學思路，但仍屬于是靜態(tài)的直接顯現(xiàn)的教學素材，在實際的建模教學課堂中，仍需要充分發(fā)揮物理教師的能動作用.

首先，教師是課堂的組織者，要引導學生針對教材中的建模素材進行針對性的討論，不同個體之間思維的碰撞能創(chuàng)造出不同的建模思路，對于學生的思維發(fā)展有極大的作用.

其次，對于教材中不同知識點的建模教學，我們要從學生的認知角度出發(fā)，充分利用好學生腦海中的已有知識概念，采取相應(yīng)的教學策略，通過認知沖突或架橋策略，糾正學生錯誤的前概念，建立起正確的物理模型.

建模過程中師生互動和同學間的交流討論較多，相對于傳統(tǒng)的教學課堂，建模教學顯得生動有趣，更能調(diào)動學生的積極性，能夠最大限度地讓每一個學生都參與進來.

展望未來，物理課堂在建模教學中倡導更加開放性的課堂，已有學者研究表明，建構(gòu)的基于學生心智模型進階的導引式建模教學模式在大班教學中取得了較好的效果，對提高學生興趣和促進靜電學心智模型的進階有積極作用[3]，然而大部分建模教學仍以教師的引導為主.未來物理教師也可以在立足教材的基礎(chǔ)上，大膽去創(chuàng)設(shè)適合物理建模教學的開放性的課堂，探索更多元化的物理建模教學策略.