初中物理模型建構(gòu)教學(xué)研究

[摘 要]在核心素養(yǎng)視角下，初中物理教學(xué)應(yīng)關(guān)注模型建構(gòu)教學(xué)。教師應(yīng)理解物理模型的內(nèi)涵，熟悉常見(jiàn)的物理模型。在模型教學(xué)中，教師可通過(guò)巧妙的教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠明了模型表象，理解模型本質(zhì)，體驗(yàn)建模過(guò)程，并通過(guò)精選的實(shí)際問(wèn)題使學(xué)生能夠習(xí)得建模能力，活化模型運(yùn)用。

[關(guān)鍵詞]初中物理;模型建構(gòu);物理模型

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中“模型建構(gòu)”是核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的要素。在核心素養(yǎng)視角下，初中物理教學(xué)應(yīng)關(guān)注模型建構(gòu)教學(xué)?；谶@樣的共識(shí)，筆者在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐，談?wù)劤踔形锢砟Ｐ徒?gòu)教學(xué)。

一、關(guān)注模型建構(gòu)教學(xué)

（一）模型建構(gòu)能力是物理的學(xué)科能力

科學(xué)建模是學(xué)生應(yīng)該具有的重要的學(xué)習(xí)理解能力，具體表現(xiàn)為學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)后獲得的，從事實(shí)經(jīng)驗(yàn)中提取事物或過(guò)程的本質(zhì)特征，形成物理概念和規(guī)律的能力;科學(xué)建模又是學(xué)生應(yīng)該具有的重要的遷移創(chuàng)新能力，具體表現(xiàn)為學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)具有的，在陌生物理問(wèn)題情境中主動(dòng)合理地建構(gòu)模型，有效地解決問(wèn)題的能力[1]?！督K省義務(wù)教育學(xué)科核心素養(yǎng)·關(guān)鍵能力框架》（試行）中也提出，建模是初中物理的關(guān)鍵能力[2]。

（二）發(fā)展模型建構(gòu)能力是物理的課程目標(biāo)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在課程目標(biāo)中對(duì)“模型建構(gòu)”提出要求，并在課程內(nèi)容中對(duì)具體的模型提出個(gè)性化的要求。而《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中也提出了“模型建構(gòu)”的教學(xué)要求。可見(jiàn)發(fā)展模型建構(gòu)能力也是初中物理的課程目標(biāo)。

二、提高教師模型教學(xué)質(zhì)量

教師對(duì)物理模型和建模等方面的認(rèn)識(shí)越深刻，教學(xué)中對(duì)物理模型內(nèi)涵的表達(dá)也就越準(zhǔn)確，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型建構(gòu)及運(yùn)用的水平也就越高。因此，教師應(yīng)明確下列三個(gè)方面的內(nèi)容。

（一）理解物理模型的內(nèi)涵

物理模型就是針對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)的抽象和概括，舍棄次要因素，抓住主要因素，形成一種能反映事物本質(zhì)特性的理想物體（過(guò)程）或假設(shè)結(jié)構(gòu)[3]，用于解決原本復(fù)雜的物理問(wèn)題。物理模型是物理學(xué)家通過(guò)豐富的想象、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗颓‘?dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)等途徑生成的思想結(jié)晶，用于對(duì)物理研究對(duì)象和過(guò)程結(jié)果的表達(dá)與解釋。例如，杠桿是對(duì)那些可以看成繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)物體的理想化表達(dá);機(jī)械能守恒可以對(duì)動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律進(jìn)行解釋;磁感線可以形象地顯現(xiàn)磁體周圍磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱等。

（二）熟悉常見(jiàn)的物理模型

教師應(yīng)熟知初中物理涉及的模型，既知其然，又知其所以然，方能做到在教學(xué)過(guò)程中根據(jù)學(xué)情靈活運(yùn)用，幫助學(xué)生提升學(xué)習(xí)理解能力和遷移創(chuàng)新能力。例如，電流表是初中物理默認(rèn)的理想電表，它的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與其串聯(lián)電器的電阻，可以忽略它對(duì)電路的影響，在判斷電路結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將其簡(jiǎn)化為導(dǎo)線，而不是沒(méi)有電阻。教師若把“電流表沒(méi)有電阻”教給學(xué)生，遇到考慮電表電阻的問(wèn)題，學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生思維混亂。

（三）明確模型教學(xué)的重心

模型教學(xué)的關(guān)注點(diǎn)不是模型的名稱，而是模型的建構(gòu)和運(yùn)用。對(duì)“杠桿”“物質(zhì)的模型”“磁感線”等在教材中有名稱的模型，教師在教學(xué)中除了講清名稱和具體內(nèi)容外，還要注意引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用其分析、解釋實(shí)際問(wèn)題;對(duì)“理想電表”“質(zhì)點(diǎn)”等在教材中沒(méi)有名稱的模型，盡管不要求學(xué)生記憶，但是教師也應(yīng)給學(xué)生講明這些模型的本質(zhì)。

三、發(fā)展學(xué)生建模水平

建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方法。教師在教學(xué)中要讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)物理模型的思維方法，理解物理模型的適用條件，能通過(guò)建構(gòu)物理模型來(lái)研究實(shí)際問(wèn)題。為了發(fā)展學(xué)生的建模水平，教師在教學(xué)中應(yīng)注意以下三個(gè)方面。

（一）體驗(yàn)建模過(guò)程，習(xí)得建模能力

對(duì)于教材中的概念教學(xué)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從物理事實(shí)的分析中總結(jié)物理概念，讓學(xué)生在物理模型建構(gòu)的體驗(yàn)中漸漸生成科學(xué)建模的能力，切不可為了所謂“高效”，就讓學(xué)生從教材中尋找結(jié)論，甚至直接告知結(jié)果。教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，創(chuàng)設(shè)物理概念建構(gòu)必備的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)問(wèn)題情境充分發(fā)表自己的理解，這時(shí)學(xué)生的回答可能既不全面也不準(zhǔn)確，需經(jīng)過(guò)教師的精準(zhǔn)引導(dǎo)完成概念的轉(zhuǎn)化。

例如，蘇科版八年級(jí)物理關(guān)于建立“分子模型”的教材內(nèi)容如下：1.學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)：（1）用素描炭筆在紙上畫(huà)一條直線，用放大鏡或低倍顯微鏡進(jìn)行觀察。（2）在一端封閉的玻璃管中注水到一半位置，然后注入酒精直至充滿。封閉管口，將玻璃管反復(fù)翻轉(zhuǎn)，使水和酒精充分混合后，觀察液面的位置。2.提出了關(guān)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的三種模型：模型①，物質(zhì)是由微粒組成的，各個(gè)微粒緊靠在一起，形成我們看到的連續(xù)體;模型②，固體是由微粒組成的，液體是連成一片的;模型③，物質(zhì)是由微粒組成的，微粒之間有空隙。3.要求學(xué)生根據(jù)活動(dòng)中觀察到的現(xiàn)象，選擇一種模型，并嘗試解釋。

【教學(xué)思路】學(xué)情a：學(xué)生課前沒(méi)有預(yù)習(xí)教材，課上在學(xué)生不看教材的情況下進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)活動(dòng)?；顒?dòng)后，投影教材中模型①和模型②，組織學(xué)生討論、評(píng)價(jià)兩種模型的正確性。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)（1）的觀察結(jié)果——“直接看是連續(xù)的直線，用放大鏡看是由間斷的點(diǎn)組成”，很快就能否定模型①中“各個(gè)微粒緊靠在一起，形成我們看到的連續(xù)體”的結(jié)論;學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)（2）的觀察結(jié)果——“酒精和水混合后的總體積變小”，可知液體不可能是連續(xù)體，從而否定模型②中“液體是連成一片的”。這時(shí)，教師要求學(xué)生綜合前面的討論，設(shè)想合理的模型。根據(jù)模型①、模型②中保留的內(nèi)容，學(xué)生很容易想到“物質(zhì)是由微粒組成的”;根據(jù)模型①、模型②中被否定的內(nèi)容，有些學(xué)生意識(shí)到微粒間有空隙，進(jìn)而提出模型：物質(zhì)是由微粒組成的，微粒之間有空隙（教材中的模型③）。

學(xué)情b：學(xué)生已閱讀教材。教師可以要求學(xué)生從教材給出的三種模型中選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，并嘗試解釋?！皩W(xué)情微變”讓學(xué)生從“提出模型”走向“選擇模型”，親身體驗(yàn)了科學(xué)建模的過(guò)程。

（二）明了模型表象，理解模型本質(zhì)

物理模型是人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所作的概括性表述。學(xué)生對(duì)于具體的物理模型既要明白其表象，又要理解其本質(zhì)。

例如，（2014年南通中考）如圖1所示，小物塊A和彈簧放在光滑的水平面上，彈簧左端固定于豎直墻面。向左移動(dòng)物塊A并壓縮彈簧至B處，靜止釋放物塊A，此后物塊的運(yùn)動(dòng)是（? ?）

A.一直加速? ? B.一直勻速

C.先加速后勻速 D.先加速后減速

本題對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)提出要求。命題者的期望：物塊A離開(kāi)彈簧前，因彈力而加速運(yùn)動(dòng);離開(kāi)彈簧后，物塊A因水平方向不受力而勻速運(yùn)動(dòng)。答案

為C。中考結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

調(diào)研結(jié)果表明：選擇D的學(xué)生認(rèn)為，物體在光滑平面不受摩擦力，題目中沒(méi)有說(shuō)明不受空氣阻力，離開(kāi)彈簧后，物塊A因空氣阻力而減速運(yùn)動(dòng)。這些學(xué)生的物理基礎(chǔ)知識(shí)很扎實(shí)，考慮問(wèn)題也很全面。問(wèn)題出在對(duì)物理模型認(rèn)識(shí)的偏差上：對(duì)“光滑平面”只知其然（表象）——不受摩擦力，不知其所以然（本質(zhì)）——摩擦力相對(duì)物體所受的其他力而言很小，可以忽略，而不是真的摩擦力為零。真正理解“光滑平面”本質(zhì)的學(xué)生不會(huì)在空氣阻力上糾纏，明晰空氣阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摩擦力。

（三）精選實(shí)際問(wèn)題，活化模型運(yùn)用

在實(shí)際問(wèn)題中“信息”是隱蔽的，學(xué)生只有根據(jù)情境完成抽象、簡(jiǎn)化、建模等系列活動(dòng)，才能得到正確的結(jié)果，做出合理的解釋。

例如，（2019年畢節(jié)市中考）如圖3甲所示某大橋的實(shí)景圖，其主通航孔橋采用雙塔雙索面斜拉橋，可逐步抽象成圖乙、圖丙、圖丁所示的模型?？梢钥闯鏊玫搅薩______（選填“杠桿”或“斜面”）的物理知識(shí)。為了減小鋼索承受的拉力，在需要與可能的前提下，可以適當(dāng)______（選填“增加”或“減小”）橋塔的高度。

本題將實(shí)際問(wèn)題——斜拉索大橋轉(zhuǎn)化為學(xué)生熟悉的杠桿模型，并用幾幅圖呈現(xiàn)出建模過(guò)程，要求學(xué)生運(yùn)用杠桿平衡的知識(shí)進(jìn)行分析。此題雖然是評(píng)價(jià)學(xué)生物理知識(shí)水平的好題，卻不是訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維的好題。為此，筆者建議此題僅保留甲、乙兩幅圖，將其還原為“實(shí)際問(wèn)題”，以用于考察學(xué)生對(duì)杠桿知識(shí)的理解。

改編后的試題：某跨海大橋的實(shí)景圖（如圖甲），其主通航孔橋采用雙塔雙索面斜拉橋，它的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為如圖乙所示的模型。為了減小鋼索承受的拉力，在需要與可能的前提下，可以適當(dāng)增加還是減小橋塔的高度？簡(jiǎn)述其理由。

通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖把實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行顯現(xiàn)，有利于學(xué)生抓住問(wèn)題本質(zhì)。學(xué)生首先要能從實(shí)際情境中分割出圖丙所示的部分，還要能將實(shí)際情境中三股鋼索簡(jiǎn)化為一股，形成圖丁所示的常見(jiàn)杠桿。相對(duì)原題而言，學(xué)生多了針對(duì)真實(shí)情境進(jìn)行抽象、簡(jiǎn)化的建模體驗(yàn)。經(jīng)常面對(duì)這樣的問(wèn)題，學(xué)生的模型建構(gòu)水平肯定會(huì)有長(zhǎng)足的發(fā)展。

培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力，教師應(yīng)該在真正厘清物理模型內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的授課內(nèi)容、學(xué)習(xí)要求以及學(xué)生的認(rèn)知水平來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué)，對(duì)學(xué)生的要求不能太高，教學(xué)進(jìn)度不能過(guò)快，要注重學(xué)生的習(xí)得與養(yǎng)成，方能達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的目的。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]郭玉英，張玉峰，姚建新.物理學(xué)科能力及其表現(xiàn)研究[J].教育學(xué)報(bào)，2016（4）：60.

[2]李寶銀.初中物理核心素養(yǎng)與關(guān)鍵能力的研究[J].物理教師，2018（2）：37-40.

[3]胡安良.物理模型的建立及在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討（中學(xué)教學(xué)教研版），2012（1）：9-12.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）