中學(xué)物理教學(xué)建模思想初探

王秋晨

[摘? ?要]中學(xué)生認為物理難以理解，定律、定理十分抽象，與實際生活聯(lián)系甚少。在科學(xué)發(fā)展的過程中，物理學(xué)家利用實際物體進行理想化與抽象化的建模思想，非常值得教育工作者借鑒。文章從建模理論入手，基于對伽利略研究中建模思想的分析，說明建模思想在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用，以及對學(xué)生物理學(xué)習(xí)的影響。

[關(guān)鍵詞]中學(xué)物理;建模;教學(xué)應(yīng)用;理想化

[中圖分類號]? ?G633.7? ? ? [文獻標識碼]? ?A? ? ? ? [文章編號]? ?1674-6058（2020）18-0033-02

2018年1月，國家教育部發(fā)布了《普通高中課程方案和全部學(xué)科課程標準（2017年版）》，相對于2003年印發(fā)的普通高中課程方案和課程標準實驗稿，2017年版更加符合新時代對人才培養(yǎng)的需要。新版的物理課程標準中，在課程內(nèi)容方面，必修1的第一主題就是“機械運動與物理模型”，其中，“物理模型”首次被納入大標題中，可見其重要性。在2003版課標中，要求學(xué)生“了解物理學(xué)研究物理模型的特點，體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用”。新版課程標準中改為要求學(xué)生“體會建構(gòu)物理模型的思維方式，認識物理模型在探索自然規(guī)律中的作用”。也就是說，學(xué)生不僅要對物理模型有一定的了解，更要對構(gòu)建物理模型的過程有深入的學(xué)習(xí)。

一、生活化物理教學(xué)現(xiàn)狀

教學(xué)生活化的教育思想層出不窮，通過實際生活現(xiàn)象引入教學(xué)內(nèi)容也得到了大多數(shù)教師的認可，于是生活化物理教學(xué)被大力推廣。然而實際生活現(xiàn)象十分復(fù)雜，許多物理規(guī)律、定律、定理是在對實際現(xiàn)象理想化與抽象化后得到的。學(xué)生難以將在學(xué)校學(xué)到的物理知識與現(xiàn)實生活有機、自然地結(jié)合起來。物理定律并沒有告訴我們真實的物體做了什么，教師也很少強調(diào)定律和定理與現(xiàn)實世界的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生會認為理論與實際沒有很大聯(lián)系?；诖耍Ｋ枷霊?yīng)被納入中學(xué)物理教學(xué)中。

二、建模思想的發(fā)展

上世紀60年代，在許多科學(xué)哲學(xué)家的推動下，模型與建模的基本科學(xué)原理大量涌出，這些研究中比較一致的觀點是模型在科學(xué)知識結(jié)構(gòu)中應(yīng)占據(jù)中心位置。這些研究的主要問題是，科學(xué)知識如何同實踐聯(lián)系起來？這并沒有唯一的答案，但可以確定的是，建立模型對學(xué)生和教師都有幫助，它可以讓人們更加批判性地思考科學(xué)的對象和理論。繼而，科學(xué)哲學(xué)家將建模理論推廣到科學(xué)教育研究中，受到了科學(xué)教育界的廣泛認可。其主要目的是在現(xiàn)象與理論之間建立聯(lián)系，盡量讓學(xué)生習(xí)得理論，要讓學(xué)生懂得，重要的是認識自然界的規(guī)律，而不是現(xiàn)象本身。

雖然這些規(guī)律只能應(yīng)用到一個理想化的世界中，但這個理想化的世界不是想象中的產(chǎn)物，而是可以從概念上代表自然界的。也就是說，建模思想是通過一個創(chuàng)造性的過程解釋現(xiàn)實，從而認識自然規(guī)律。在科學(xué)發(fā)展史上有許多科學(xué)家利用建模的方式進行科學(xué)活動，例如，亞里士多德的歸納-演繹法、伽利略的實驗數(shù)學(xué)法、培根的科學(xué)歸納法、笛卡爾的直觀-演繹法和還原思維法、牛頓的假說-演繹法和公理化法以及愛因斯坦的直覺-演繹法等，這些科學(xué)家的理論體系在當(dāng)時的背景下都可以解決許多實際問題。隨著科技的進步、理論的發(fā)展，科學(xué)學(xué)科的理論體系也隨之完善，不變的是這些經(jīng)典的理論體系依舊探討科學(xué)問題中的基本原則。所以對科學(xué)建模進行深入探究，并將其思想方法應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中，有助于學(xué)生思維的培養(yǎng)，并且可以加強學(xué)生對科學(xué)規(guī)律的認識。

三、建模中的理想化與抽象化

理想化與抽象化在建模過程中起到十分重要的作用。理想化方法是忽略干擾因素，為了理解某一部分的事物，有意地把復(fù)雜的問題簡單化。這一被簡化的問題，或是一個物體，或是一種狀態(tài)，抑或是概念上的描述。在伽利略的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的對談》中，他把這種方法稱為“實驗”，并且這個“實驗”可以分辨出單一因素對結(jié)果的影響。例如，伽利略認為，為了推斷“所有物體在空中會以相同的速度落下”，要忽略阻力的影響。于是他用“實驗”來闡述這一事實。他把在“最稀薄，阻力最小”的介質(zhì)中下落的物體與在“不那么稀薄，有更大阻力”的介質(zhì)中下落的物體進行比較，通過有限制的例子進行合理推理到完全無阻力的狀態(tài)中，這種“實驗”不同于科學(xué)實驗，無法在物化過程中實現(xiàn)，也就是物理學(xué)中提到的“理想實驗”，也叫“假想實驗”或者“思想上的實驗”。

伽利略在《關(guān)于兩門新科學(xué)的對談》中表明，在科學(xué)活動中進行理想化和抽象化是合乎規(guī)則的思考過程，這在伽利略所推廣的新科學(xué)出現(xiàn)過程中極為重要。理想化的目的不僅僅是把物體從復(fù)雜的物理狀態(tài)中解脫出來，更重要的是可以促使理論模型更具有解釋力量。對于這些需要解釋的特性，通過形式上的簡化和省略，再利用數(shù)學(xué)的方式表達可以得到有用的結(jié)果。例如，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提到的開普勒定律，就是利用這種理想化進行討論的。

我們所要關(guān)注的不是對于每一種理想化形式的嚴格定義，而是要探討在物理教學(xué)中理想化和抽象化對模型建構(gòu)的作用。所以我們認為理想化是認識主體所進行的行為，對要研究的物體可省略一些特點、簡化一些性質(zhì)，按照我們的需要做出相應(yīng)的變化。建模的結(jié)果是關(guān)于一個真實物體或事件的概念，為了理解如何用這樣的物體或概念去解釋他們所描述的世界，這要求我們知道模型產(chǎn)生科學(xué)知識的過程。

四、伽利略研究中的建模思想

伽利略把參照理論從可見物體轉(zhuǎn)到概念物體，用以模型為基礎(chǔ)的自然觀來有力地支持他的新科學(xué)。在伽利略的研究中，理想化和抽象化是其最大的特點，這種思考過程的應(yīng)用在伽利略的大部分著作中都有所體現(xiàn)。例如，著名的自由落體定律是伽利略認為不同的物體在沒有阻力的介質(zhì)中會以同樣的速度落地。但在真實的條件下，沒有阻力的介質(zhì)是不存在的，所以他的這個假設(shè)就是一個抽象的構(gòu)建。再如，關(guān)于杠桿操作原理的討論中，為了顯示杠桿是怎樣抬起重物的，伽利略把杠桿當(dāng)作沒有重量的非物質(zhì)體，可以明顯看出這里面他所說的“非物質(zhì)體”就是一個理想化的構(gòu)建。即用模型來描述一個實體。

伽利略另外常用的一種建模方式是幾何化。在《關(guān)于兩門新科學(xué)的對談》中，分析物體斜面上的加速運動時，伽利略利用幾何推理的方法，首次提出了一個假設(shè)：物體通過的距離與時間的平方成正比，并且進一步討論了這一關(guān)系能否用于實際的問題。他描述了一個“實驗”：把一個圓的銅球放在木頭挖出的槽上，再用滴水計時來測量它下落的時間。他的描述十分詳細：這個槽“非常直、平滑，而且打磨得非常光”，球則是“硬、光滑，而且非常圓的”。應(yīng)用同樣的方法，伽利略還對單擺運動的規(guī)律進行了詳細的討論。在《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中，他用理想化的方法，忽略阻力因素，推導(dǎo)出簡單的單擺運動規(guī)律，并且用幾何方法描述物理現(xiàn)象。

五、對教學(xué)的啟示

伽利略的研究有一個突出的特點，他所分析的不是實物，而是構(gòu)造的模型，以科學(xué)模型為起點，構(gòu)建科學(xué)理論。用這種方法給學(xué)生授課，其作用有：①利用模型學(xué)習(xí)可以明確講出理論直接牽涉的物體的概念特點，幫助學(xué)生了解科學(xué)知識和理論知識所要解釋的世界之間的關(guān)系，給學(xué)生提供一個能夠更加深入思考與理解的空間，同時也能夠讓學(xué)生認識到抽象化在科學(xué)推理中的優(yōu)勢。②利用模型學(xué)習(xí)可以重溫知識。例如，在動力學(xué)中，以一些特殊的運動狀態(tài)為基礎(chǔ)進行抽象化研究，可以擴大理論范圍，幫助理解一般理論的內(nèi)容和意義。③模型可以起到媒介的作用。以更清晰的方式探索科學(xué)模型的近似觀點，成為溝通理論與經(jīng)驗之間的橋梁，使學(xué)生和教師能就關(guān)于用科學(xué)理論描述世界的方法，進行提問與討論。

本文開篇提到，很多教師在教學(xué)實踐中會把生活中的實際例子引入教學(xué)，而在授課過程中，教師沒有明確描述所利用的模型想要描述的真實物體，在什么情況下、在哪些方面，模型可以代替物體，什么時候兩者又不能等同的問題。這樣一來，學(xué)生就會感到困惑，他們會認為理論就是實際物體，當(dāng)實際物體的情況與理論不同時，便會加大學(xué)生的疑惑。另一方面，如果教師直接將一般理論教給學(xué)生，省略了建模過程，就忽略了模型與實際的聯(lián)系，不僅誤導(dǎo)學(xué)生，還會使學(xué)生失去探索科學(xué)知識近似性和理想化性質(zhì)的機會。

建模思想可以成為物理課堂的一種教學(xué)模式，通過理想化和抽象化形成模型的過程，伴有創(chuàng)造、實驗和嚴格的評估。在課堂上以一個未抽象化和理想化的事物原型為基礎(chǔ)，通過教師的引導(dǎo)和理論介紹，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性進行模型構(gòu)建，這樣的建模過程可以幫助教師克服在教學(xué)過程中理論與實際相分離的情況。

本文提到的模型構(gòu)建只解釋了科學(xué)模型的一些重要特點，僅為物理教學(xué)提供參考，并不能說明科學(xué)模型的所有細節(jié)和復(fù)雜的性質(zhì)。課堂上的建模過程確實可以幫助學(xué)生改進他們對現(xiàn)實物體與理論之間關(guān)系的理解，使學(xué)生的科學(xué)知識結(jié)構(gòu)更加清晰。教師想要把這種模式應(yīng)用于中學(xué)物理課堂教學(xué)中，還需要做更加深入的研究。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

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

[2]? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[3]? 劉大椿等.一般科學(xué)哲學(xué)史[M].北京：中央編譯出版社，2016.

[4]? 王著.科學(xué)哲學(xué)與物理探究建模[M].濟南：山東教育出版社，2006.

[5]? 伽利略著，戈革譯.關(guān)于兩門新科學(xué)的對談[M].北京：北京大學(xué)出版社，2016.

[6]? 牛頓著，王克迪譯.自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

[7]? 伽利略著，周煦良等譯.關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

（責(zé)任編輯? ? 黃諾依）