對(duì)高中物理新課標(biāo)中模型建構(gòu)的認(rèn)識(shí)

肖磊 廖長(zhǎng)山 張克彬

肖磊，河南大學(xué)卓越中學(xué)教師培養(yǎng)計(jì)劃學(xué)術(shù)導(dǎo)師，教育學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，副教授，河南大學(xué)首批“青年英才”，河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃入選者，全國(guó)課程學(xué)術(shù)委員會(huì)常務(wù)理事、全國(guó)教學(xué)論專業(yè)委員會(huì)理事，河南大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院教育學(xué)系主任。

主持人：《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的具體內(nèi)容，科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)重要方面，而模型建構(gòu)又是科學(xué)思維的要素之一。那么，我們應(yīng)如何看待模型建構(gòu)？

廖長(zhǎng)山（河南大學(xué)卓越教師班）：模型建構(gòu)作為一種認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的手段和思維方式，是學(xué)習(xí)主體對(duì)研究的具體問題和真實(shí)情境進(jìn)行客觀分析之后，在抽象和概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建能夠反映事物物理特征和相同物理屬性且方便研究的理想模型、理想實(shí)驗(yàn)、理想過(guò)程和物理概念的過(guò)程。模型建構(gòu)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，它與科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等構(gòu)成了科學(xué)思維。

模型建構(gòu)對(duì)學(xué)生發(fā)展能夠起到促進(jìn)作用，其主要表現(xiàn)在：第一，有助于學(xué)生在問題情境中抓住事物的關(guān)鍵要素。模型建構(gòu)的第一步就需要學(xué)生能夠在具體的問題情境中分清楚事物的主要因素和次要因素，如果顛倒了主次，模型建構(gòu)就無(wú)從談起。學(xué)生經(jīng)過(guò)親身建構(gòu)物理模型，在面對(duì)復(fù)雜問題時(shí)，就能準(zhǔn)確找到關(guān)鍵要素，為問題解決奠定基礎(chǔ)。

第二，有助于學(xué)生加深對(duì)物理概念、物理過(guò)程和物理系統(tǒng)的理解。物理模型有不同的種類，如物質(zhì)模型、過(guò)程模型等，模型建構(gòu)很好地詮釋了物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)背后的本質(zhì)。通過(guò)親身建構(gòu)物理模型，學(xué)生對(duì)于物理概念、物理過(guò)程等將會(huì)有更加深刻的認(rèn)識(shí)。

第三，有助于學(xué)生形成系統(tǒng)思維。模型建構(gòu)是一個(gè)系統(tǒng)化的過(guò)程，需要經(jīng)歷抽象、形成、應(yīng)用、再構(gòu)等環(huán)節(jié)。學(xué)生具備了模型建構(gòu)的能力，也就形成了嚴(yán)謹(jǐn)而又系統(tǒng)的邏輯思維。如果將模型建構(gòu)比作一棵樹，那么抓住事物的關(guān)鍵要素就是樹根，物理概念、物理過(guò)程等方面的深度學(xué)習(xí)就是樹干和樹枝，系統(tǒng)思維的形成便是果實(shí)。

主持人：模型建構(gòu)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的重要內(nèi)容，需要借助特定的內(nèi)容載體——物理模型方能形成。那么，新課程標(biāo)準(zhǔn)中滲透的物理模型有哪些，能否舉例說(shuō)明？

廖長(zhǎng)山（河南大學(xué)卓越教師班）：新課程標(biāo)準(zhǔn)中滲透的物理模型主要有物質(zhì)模型、過(guò)程模型、條件模型、相互作用模型等。

第一，物質(zhì)模型。物質(zhì)模型是根據(jù)研究的問題或情境，抓住事物的主要因素，忽略次要因素，并對(duì)事物的主要因素進(jìn)行抽象與概括后最終所形成的模型，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、純電阻等。其中，質(zhì)點(diǎn)模型是學(xué)生在高中物理學(xué)習(xí)中所接觸到的第一個(gè)模型。學(xué)生建立質(zhì)點(diǎn)模型時(shí)，需要充分分析研究的問題或情境，然后明確地分辨出主要因素和次要因素，最終建立適合研究的質(zhì)點(diǎn)模型。構(gòu)建質(zhì)點(diǎn)模型可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和分析問題的能力，使學(xué)生透過(guò)事物的表象分析本質(zhì)，然后抓住主要因素，結(jié)合研究的需要，對(duì)物體的特征進(jìn)行抽象與概括。

第二，過(guò)程模型。過(guò)程模型是為了研究物體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程，建立在物體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究對(duì)象的屬性和需要，將運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的主要因素保留，忽略次要因素，簡(jiǎn)化研究問題，揭示事物本質(zhì)的理想過(guò)程，如平拋運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、牛頓第二定律等。過(guò)程模型的建立較為復(fù)雜，以平拋運(yùn)動(dòng)為例來(lái)說(shuō)，學(xué)生在構(gòu)建平拋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程模型中，首先要借助于質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行科學(xué)推理，將平拋運(yùn)動(dòng)軌跡分為水平方向上的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向上的自由落體運(yùn)動(dòng)。建立平拋運(yùn)動(dòng)模型過(guò)程中，至少運(yùn)用到了質(zhì)點(diǎn)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)三個(gè)模型，這可以提高學(xué)生科學(xué)推理和綜合應(yīng)用模型的能力。

第三，條件模型。條件模型是將研究對(duì)象的外部條件進(jìn)行理想化處理后建構(gòu)的完美模型，如勻強(qiáng)磁場(chǎng)、光滑平面、恒定電流等。在此，以勻強(qiáng)磁場(chǎng)模型建構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明——?jiǎng)驈?qiáng)磁場(chǎng)在實(shí)際的生活中并不存在，蹄形磁鐵和通電螺線管中的磁場(chǎng)均不是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，但為了方便物理問題的研究，便將其理想化為勻強(qiáng)磁場(chǎng)。勻強(qiáng)磁場(chǎng)的建立，為學(xué)生下一步的科學(xué)推理奠定了基礎(chǔ)，如推導(dǎo)導(dǎo)體在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中切割磁感線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的規(guī)律、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。勻強(qiáng)磁場(chǎng)條件模型的建立，可使學(xué)生掌握研究物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的基本思路和方法，在面對(duì)復(fù)雜的物理情境時(shí)，知道怎樣對(duì)研究對(duì)象的外部條件進(jìn)行理想化處理。

第四，相互作用模型。相互作用模型是為了更好地對(duì)物體間的關(guān)系進(jìn)行定性與定量描述，而將系統(tǒng)與外界的相互作用變量表示為系統(tǒng)的狀態(tài)變量函數(shù)，如萬(wàn)有引力、重力、安培力等。比如，萬(wàn)有引力是描述物體相互作用的概念，而表征萬(wàn)有引力的公式給出了物體的質(zhì)量以及物體之間的距離與萬(wàn)有引力的定量關(guān)系。萬(wàn)有引力模型的建立，使學(xué)生對(duì)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的相互作用規(guī)律有了清晰的認(rèn)識(shí)，可以解釋為什么地球圍繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)象，有助于學(xué)生夯實(shí)物理基礎(chǔ)知識(shí)，提升科學(xué)思維能力。

主持人：培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力是物理課程教學(xué)的重要目標(biāo)，那么，在具體的教學(xué)實(shí)踐中，如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型建構(gòu)呢？

張克彬（河南大學(xué)卓越教師班）：在物理教學(xué)過(guò)程中，如何引導(dǎo)學(xué)生理解物理模型的本質(zhì)，并恰當(dāng)選用物理模型，或?qū)?fù)雜問題轉(zhuǎn)化成物理模型，這是教師需重點(diǎn)關(guān)注的問題。一般而言，物理模型建構(gòu)需要經(jīng)歷抽象、形成、應(yīng)用、再構(gòu)等階段。

第一，在抽象階段，主要是根據(jù)研究問題確定主要因素與次要因素，進(jìn)而圍繞主要因素，忽略次要因素，抽象出研究對(duì)象的本質(zhì)特征。需要注意的是，對(duì)同一研究對(duì)象，當(dāng)研究問題改變后，主要因素與次要因素也會(huì)隨之改變，其特征也有所差別。例如，在火車過(guò)橋情境中，當(dāng)車長(zhǎng)遠(yuǎn)小于橋長(zhǎng)時(shí)，因火車的長(zhǎng)度、形狀為次要因素可忽略，可抓住火車的質(zhì)量這個(gè)主要因素將其抽象成質(zhì)點(diǎn);當(dāng)車長(zhǎng)大于或近似于橋長(zhǎng)時(shí)，火車的長(zhǎng)度和形狀為主要因素不可忽略，那么火車不能抽象成質(zhì)點(diǎn)。

第二，在形成階段，主要是根據(jù)抽象出的特征建構(gòu)合適的物理模型以表征研究對(duì)象。理想化和類比法是形成模型的重要方式。其中，理想化是將主要因素理想化建構(gòu)出模型。例如，建構(gòu)理想氣體等壓過(guò)程，即將氣體變化過(guò)程所處的環(huán)境進(jìn)行理想化。類比法是通過(guò)已知情境與未知情境的類比，建構(gòu)出未知情境的模型。例如，運(yùn)動(dòng)的合成與分解模塊中“小船渡河”模型的形成便是基于已知的原始物理模型。物理學(xué)史上經(jīng)典的模型建構(gòu)過(guò)程為我們形成物理模型提供了典范，教師需深刻剖析經(jīng)典建模過(guò)程，帶領(lǐng)學(xué)生親身體驗(yàn)建模過(guò)程，體會(huì)其中的物理方法和思想，從而提升學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

第三，在應(yīng)用階段，主要是根據(jù)建構(gòu)的物理模型或其變式尋求解決問題的路徑。模型的變式即圍繞某一模型從不同角度拓展或融合其他模型，從而衍生出新的模型，運(yùn)用模型變式解決問題更有助于知識(shí)系統(tǒng)化。在此階段，教師應(yīng)密切聯(lián)系生活情境，引導(dǎo)學(xué)生善用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生抽象本質(zhì)特征形成物理模型的能力。例如，萬(wàn)有引力模型融合圓周運(yùn)動(dòng)模型又可衍生出多星系統(tǒng)模型。在教學(xué)中，教師可編制由不同水平題目組成的題組，將學(xué)生分析、解答問題的過(guò)程上升為抽象、形成及應(yīng)用模型的過(guò)程。

第四，在再構(gòu)階段，主要是教師根據(jù)學(xué)生應(yīng)用物理模型的水平確定是否需要再構(gòu)。如果學(xué)生能夠順利將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為物理模型，即說(shuō)明其具備模型建構(gòu)能力，否則需要再次建構(gòu)。在此階段，側(cè)重點(diǎn)不在于引導(dǎo)學(xué)生重新建構(gòu)模型，而是要針對(duì)學(xué)生在建構(gòu)模型過(guò)程中出現(xiàn)的問題對(duì)癥下藥。要針對(duì)的問題包括：在抽象階段，主要因素與次要因素的分析是否得當(dāng)、是否忽略模型建構(gòu)的前提條件等;在形成階段，物理情境是否過(guò)于理想化而脫離實(shí)際、對(duì)經(jīng)典模型建構(gòu)過(guò)程的理解是否透徹等;在應(yīng)用階段，是否能運(yùn)用建構(gòu)的模型解決問題等。