以過程模型的建構(gòu)談科學(xué)思維的培養(yǎng)

金嵩洲

摘 要：由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”構(gòu)成的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是當(dāng)下物理教師關(guān)注的熱點.模型建構(gòu)是科學(xué)思維的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑.過程模型是物理模型中具有代表性的一類，在過程模型的教與學(xué)中，以實驗為起點實現(xiàn)知識重演、以思維為中心實現(xiàn)模型建構(gòu)、以應(yīng)用為落點實現(xiàn)問題解決，有利于學(xué)生真正掌握模型建構(gòu)的方法，提升思維品質(zhì)與學(xué)科素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；模型建構(gòu)；過程模型

一、引言

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn).物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個維度.[1]4而其中的 “科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是基于經(jīng)驗事實，建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運用；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑與批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.[1]5科學(xué)思維具有四個要素，即模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新.本文以“等時圓”模型的教學(xué)為例，探討這一過程在模型建構(gòu)教學(xué)中，如何進(jìn)行科學(xué)思維的培養(yǎng).

二、過程模型的建構(gòu)

我們知道，基于物理問題的特點，可以將物理模型分為以下四類：對象模型、條件模型、理論模型和過程模型，其中的過程模型是將運動變化過程理想化，分清影響物理過程的主要因素和次要因素，只保留其中的主要因素，建構(gòu)模型，從而揭示事物運動、變化的本質(zhì).

（一）以實驗為起點——從“知識重現(xiàn)”走向“知識重演”

楊振寧先生告訴我們：學(xué)科知識只是形成學(xué)科素養(yǎng)的載體，學(xué)科活動才是形成學(xué)科素養(yǎng)的渠道.一切知識，唯有成為學(xué)生探究與實踐的對象時，其學(xué)習(xí)過程才有可能成為素養(yǎng)發(fā)展的過程.因此過程模型的建構(gòu)應(yīng)以實驗為起點，展示研究對象和物理情境，在觀察、實踐中完成定性感知.

過程1：等時的觀察（聽）

教師：今天老師帶來了一個裝置（如圖1所示的等時圓裝置），裝置中三個固定直軌道位于同一豎直圓內(nèi)，軌道末端交于圓的最低點.三軌道上各有一個相同小球.如果我們將三個小球同時從各自軌道頂端靜止釋放，請你仔細(xì)觀察、仔細(xì)聽，小球運動到軌道底端，用時孰長孰短.

（教師和學(xué)生合作完成實驗，其他學(xué)生認(rèn)真觀察（聽），只聽幾乎是“嗒”的一聲，三個小球都到達(dá)了軌道底端.）

教師：小球的運動比較快，眼睛可能來不及捕捉……大家聽到了幾個聲音？

學(xué)生：一個.

教師：那說明？

學(xué)生：三個小球是同時到達(dá)軌道底端的.

過程2：等時的證明

如圖2（a）所示，ad、bd、cd是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿，a、b、c、d 位于同一圓周上， a點為圓周的最高點，d點為最低點.每根桿上都套著一個小球（圖中未畫出），三小球分別從 a、b、c處靜止釋放，用t1、t2、t3依次表示各小球到達(dá)d所用的時間，則

A. t1t2>t3

C. t3>t1>t2 D. t1=t2=t3

（先請學(xué)生試證，然后教師證明）證明：如圖2（b）所示，設(shè)某一光滑軌道與水平方向的夾角為α，圓的直徑為2R.小球沿光滑軌道做初速度為零的勻加速直線運動，加速度為a=gsinα，位移為x=2Rsinα，則運動時間為[t=2xa=4Rsinαgsinα=4Rg]，即沿各光滑軌道運動具有等時性，運動時間與軌道的傾角、長度無關(guān).

過程3：等時條件的討論

教師話鋒一轉(zhuǎn)：俗話說耳聽為虛，眼見為實！真的等時嗎？我們用慢鏡頭視頻重新演示剛才的實驗，請大家仔細(xì)觀察！

……（如圖3所示慢鏡頭截屏）哦～～待到視頻尾聲，學(xué)生中傳來小小的尖叫聲……

教師：為什么不等時！

學(xué)生（幾乎異口同聲）：因為有摩擦等阻力.

教師：那么等時圓模型要成立，到底有哪些前提條件呢？

教師引導(dǎo)，學(xué)生回答，師生共同交流總結(jié)：

（1）直軌道需在圓形區(qū)域中，軌道需光滑；

（2）軌道至少有一個端點在圓形區(qū)域的最高點或最低點（如圖2（b）），圖4有相同規(guī)律）；

（3）物體沿任意軌道的運動都是從軌道頂點靜止開始的勻加速自由下滑.

教師：大家建構(gòu)和使用模型時，一定要注意模型適用的條件.

（二）以思維為中心[2]——從“模型識別”走向“模型建構(gòu)”

陳佳洱先生告訴我們：物理學(xué)帶給我們非常珍貴的東西：一種理性的思維方式.把前人從事智力活動的思想、方法，轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)知能力和思維方式.以思維為中心，才能抓住本質(zhì)、識別真?zhèn)?、真正?xí)得.

過程1：是不是等時圓模型

如圖5（a）所示，OBCD為半圓柱玻璃的橫截面，OD為直徑，一束復(fù)色光沿AO方向從真空中射入到玻璃，在玻璃中分為兩束單色光，其中甲光沿OB方向從B點射出，乙光沿OC方向從C點射出.問：甲光從O點傳播到B點的時間與乙光從O點傳播到C點的時間是否相同？

師生交流：如圖5（b）所示，設(shè)AO光線與界面所成入射角為i，OP為任意折射光線，折射角為γ，則OP光線在玻璃中傳播用時

教師評：同一束復(fù)色光的折射光在半圓柱玻璃內(nèi)傳播時也具有等時性.但它不是我們定義的等時圓模型：1.折射光的傳播是勻速直線運動；2.入射點O不是圓形區(qū)域的最高點，出射點P不（一定）是圓形區(qū)域的最低點.

過程2：為什么不等時

如圖6（a）所示，Pa、Pb、Pc是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿，P、a、b、c、d位于同一圓周上，d點為圓周的最高點，c點為最低點.每根桿上都套著一個小滑環(huán)（圖中未畫出），三個滑環(huán)都從P點無初速釋放，用t1、t2、t3依次表示滑環(huán)到達(dá)a、b、c所用的時間，則

A. t1=t2=t3 B. t1>t2>t3

C. t1t1>t2

教師（展示題目，待學(xué)生思考片刻）：本題是不是選A.

有些學(xué)生感覺就是等時圓模型，有些學(xué)生則有質(zhì)疑.

學(xué)生：應(yīng)該不是等時圓，因為這三根直桿的某一端，并沒有同時位于此圓周的最高點或最低點.

教師：那這個問題如何解決，是不是看軌道的長度？

學(xué)生：……

教師：怎么和我們今天的主題“等時圓”聯(lián)系呢？

教師給予學(xué)生足夠的思考時間，引導(dǎo)學(xué)生同桌或四人一組討論……

學(xué)生：如圖6（b）所示，以P點為最高點，分別以Pa、Pb、Pc為弦構(gòu)造三個圓，由圖6（b）知三個圓半徑各異，答案自現(xiàn)，選B .

過程3：為什么會等時

如圖7（a）所示，OA=OB=l=10cm，A點為△BAO的最高點，其中AO邊為豎直方向.小環(huán)從桿AB頂端由靜止光滑滑下，求小環(huán)從A點到B點所用時間.已知g=10m/s2 .

生1：因為∠OAB未知，既然要求t，則t可能為定值（猜測），故令∠OAB=θ（如圖7（b）所示），則θ參量必可最終約去.2lcosθ=gcosθ·t2/2，得 t=0.2s.

教師：××同學(xué)證明得非常好，大家應(yīng)該都能接受.老師感覺這個題目，似乎和角度θ沒什么關(guān)系，時間是定值，有沒有同學(xué)能道清其中原委.大家可以討論一下……

生2：（一段比較長的時間以后）如圖7（c）所示，構(gòu)建等時圓，同樣得到t=0.2s.

教師：哦，原來這個題目中蘊含著一個等時圓，××同學(xué)真的有一雙發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)的眼睛.

生2的方法思維能力要求更高，問題的剖析及外延知識的講解可能會花費更長的時間.但當(dāng)師生共同厘清物理本質(zhì)、模型特征并有序內(nèi)化后，此法是更易被接受和有效調(diào)用的.

（三）以應(yīng)用為落點——從“模型習(xí)得”走向“問題解決”

吳加澍先生告訴我們：教學(xué)設(shè)計過程是知識“溶解”過程，把知識轉(zhuǎn)化為問題，將問題融合于情境；學(xué)生學(xué)習(xí)過程是知識“結(jié)晶”過程，在情境中思考問題，在思考問題中掌握知識.因此，模型的建構(gòu)，最終要以應(yīng)用為落點，使學(xué)生在問題解決中真正掌握模型的內(nèi)核.

[“等時圓”模型教學(xué)片段3]

（2018年浙江省11月選考）如圖8所示為某一游戲的局部簡化示意圖.

D為彈射裝置，AB是長為21m的水平軌道，傾斜直軌道BC固定在豎直放置的半徑為R=10m的圓形支架上，B為圓形的最低點，軌道AB與BC平滑連接，且在同一豎直平面內(nèi).某次游戲中，無動力小車在彈射裝置D的作用下，以v0=10m/s的速度滑上軌道AB，并恰好能沖到軌道BC的最高點.已知小車在軌道AB上受到的摩擦力為其重量的0.2倍，軌道BC光滑，則小車從A到C的運動時間是

A. 5s B. 4.8s

C. 4.4s D. 3s

（學(xué)生思考，試做……片刻之后）

教師：AB段的時間求解比較簡單，主要難點是如何求解BC段的時間.有沒有學(xué)生已經(jīng)想到方法了？

（本題難點是只顯示了圓的一部分，增加了聯(lián)想、識別的難度；且題設(shè)中是運動到C點時速度為零，不是無初速度釋放，還需要用到逆向思維，在較短的考試時間和較緊張的應(yīng)試情緒下要求學(xué)生完成此模型建構(gòu)，實為難題）

學(xué)生：……

三、過程模型建構(gòu)的建議

（一）建構(gòu)起點的層層鋪設(shè)

過程模型有諸多要素，如模型的特征、模型的適用條件、相似模型的異同比較等.有經(jīng)驗的教師一般不會采用一講到底、和盤托出的方式，而是如抽絲剝繭般層層鋪設(shè)、步步觀察、細(xì)細(xì)體會，待水到渠成時，最好由學(xué)生一語道破.

（二）錘煉思維的層層深入

在過程模型的習(xí)得過程中，如何更好地錘煉學(xué)生的思維？這就需要教師以模型為載體，以思維為中心，設(shè)計一個或一系列問題串，引導(dǎo)學(xué)生從模型出發(fā)對問題展開研究與探討，或由具體情境經(jīng)過縝密計算、推理，化歸為某一模型，或揭示問題、情境對應(yīng)的模型.

（三）運用模型的層層變化

學(xué)生能熟練運用模型解決實際問題，才是模型教學(xué)的歸宿.教師應(yīng)將模型靈活地嵌入情境，在設(shè)計形成性評價和階段性測試時，不定時“點擊”某一模型，每次設(shè)計的情境有變化，讓學(xué)生在實戰(zhàn)中一次次更深入地感悟模型.

模型教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要途徑，在模型習(xí)得與建構(gòu)的過程中，學(xué)生能體會到如何抽象具體情境，如何抓住主要、本質(zhì)因素，如何知識聯(lián)系生活、理論聯(lián)系實際.以實驗為起點、以思維為中心、以應(yīng)用為落點，使教與學(xué)不僅傳遞科學(xué)知識，更滲透科學(xué)方法，真正提升學(xué)生的科學(xué)思維.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]吳加澍.對物理教學(xué)的哲學(xué)思考[J].課程·教材·教法，2005（7）：69.