面向高中生物理模型建構(gòu)能力提升的教學(xué)探析

李金秀，楊曉輝，劉瀚文

（1.赤峰學(xué)院 物理與智能制造工程學(xué)院；2.赤峰學(xué)院 圖書館，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

在新一輪課程改革中，新課標(biāo)進(jìn)一步明確了中學(xué)教育的定位、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化了課程有效實(shí)施的制度建設(shè)保障，對學(xué)校、教師以及學(xué)生都提出了不同層次的要求和所期望達(dá)到的成果等對課程方案做了調(diào)整，主要以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)虒W(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)評價(jià)等方面提出新要求，更加注重課程內(nèi)容的情境化，關(guān)注學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力等相關(guān)內(nèi)容。研究和制定了各階段核心素養(yǎng)所要達(dá)到的水平層次和學(xué)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。可見，新課標(biāo)對各方面都落實(shí)到具體環(huán)節(jié)且更加具有指導(dǎo)意義。

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)與各學(xué)科交叉性強(qiáng)和實(shí)踐性強(qiáng)的一門科學(xué),高中物理課程是自然科學(xué)領(lǐng)域中體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)、重視基礎(chǔ)性和選擇性、適應(yīng)時(shí)代性的一門基礎(chǔ)課程。學(xué)科核心素養(yǎng)是2017年高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中提出的新概念。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面[1]?？茖W(xué)思維是核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生由具體到抽象、復(fù)雜到簡單、感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的過程中對客觀事物的本質(zhì)屬性和內(nèi)在規(guī)律不斷思維化的過程。模型建構(gòu)與科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素組成了科學(xué)思維，模型建構(gòu)是運(yùn)用模型來分析處理物理問題的重要方法。本文通過研讀新課程標(biāo)準(zhǔn)，分析中學(xué)物理教材內(nèi)容和組織、學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)等結(jié)合研習(xí)、見習(xí)的體會(huì)，談?wù)劰P者在培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力的一些思考與設(shè)想。

2 物理模型建構(gòu)能力概述

“模型”一詞最早產(chǎn)生于拉丁文中的“moldulus”這個(gè)單詞，中文翻譯是系數(shù)、模型、尺度、樣本的意思。模型是對原型的升華和思維抽象過程，是原型的簡化，是對客觀存在和主觀反應(yīng)進(jìn)行抽象加工從而反應(yīng)事物本質(zhì)和規(guī)律的產(chǎn)物，是人們?yōu)榱诉_(dá)到一定的目的研究某一事物所采用的工具，是有助于提高人類文化素養(yǎng)和科學(xué)意識(shí)的方法。

物理模型是對物理問題進(jìn)行具體化、抽象化的概括處理，是揭示問題的本質(zhì)特征和規(guī)律來解決生活中實(shí)際問題的一種理想化構(gòu)造、理想化物體、理想化過程和結(jié)果的描述或模擬[2]。在建立模型解決問題時(shí)應(yīng)確定研究對象、分析研究對象的狀態(tài)、抓住狀態(tài)的變化過程和采用何種方法來解決問題等因素。因此，研究者會(huì)從不同的視角對物理模型進(jìn)行不同的歸類，本文主要研究中學(xué)教學(xué)，結(jié)合新課標(biāo)要求，筆者把高中階段主要學(xué)習(xí)的物理模型分為對象模型、過程模型、狀態(tài)模型、條件模型、問題模型，如表1。

表1 高中階段常見模型

物理模型建構(gòu)能力是學(xué)生在認(rèn)識(shí)物理模型和物理模型建構(gòu)實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，從所面對的物理環(huán)境中選擇恰當(dāng)?shù)难芯繉ο螅仡櫼阎Ｐ筒⒔Y(jié)合所研究對象的特征和過程，將復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化為物理模型，應(yīng)用所建立的物理模型來解決面對的物理問題，同時(shí)還要會(huì)把頭腦中已建構(gòu)的模型遷移到新的情境中，再對所建立的物理模型進(jìn)行驗(yàn)證、反饋和評價(jià)，形成新認(rèn)知的一種綜合能力。包含選擇恰當(dāng)研究對象的能力、模型建立能力、模型應(yīng)用能力、模型遷移和拓展能力、反饋評價(jià)能力等，如圖1所示。

圖1 物理模型建構(gòu)能力

課程標(biāo)準(zhǔn)對高中物理模型建構(gòu)教學(xué)也提出了要求。2003年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“舊課標(biāo)”）要求：認(rèn)識(shí)物理模型在物理學(xué)中發(fā)展的作用，了解物理學(xué)研究中物理模型的特點(diǎn)，體會(huì)模型在研究物理中的應(yīng)用和在探索自然規(guī)律中的作用。在以往的教學(xué)中，教育工作者也很重視物理模型教學(xué)，但是舊課標(biāo)著重是讓學(xué)生知道有哪些重要的物理模型，然后直接運(yùn)用這些模型去解決問題，這就造成了教師教完重要的物理模型后，學(xué)生要解決的問題大多都是理想化模型，也就是“是什么，直接用”的過程，顯然不利于學(xué)生解決真實(shí)情境的問題。所以2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“新課標(biāo)”）提出新要求：學(xué)生具有構(gòu)建模型的意識(shí)和能力，教學(xué)中要根據(jù)物理模型的特點(diǎn)，聯(lián)系生產(chǎn)生活環(huán)境，從多個(gè)角度創(chuàng)設(shè)情境，提出與物理學(xué)有關(guān)的問題，引導(dǎo)學(xué)生討論，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，能通過建構(gòu)物理模型來研究和解決實(shí)際問題[3]。這說明當(dāng)給學(xué)生一個(gè)真實(shí)的問題，學(xué)生首先要知道把真實(shí)情境處理成一個(gè)物理模型，還要知道怎么建構(gòu)一個(gè)合理的、科學(xué)的模型。顯然，這樣的要求一定是伴隨著一個(gè)真實(shí)的情境或者問題而產(chǎn)生的，是“為什么，怎么建”的過程。新課標(biāo)對物理模型建構(gòu)所要達(dá)到的水平進(jìn)行了細(xì)化，如表2。

表2 模型建構(gòu)水平

3 高中生物理模型建構(gòu)能力現(xiàn)狀分析

物理模型根源于現(xiàn)實(shí)生活，又高于生活，最后又回歸生活，它不是憑空想象的，而是對研究對象科學(xué)的、正確的分析處理之后的物理形態(tài)。這個(gè)建構(gòu)過程不是學(xué)生機(jī)械記憶和套用，而是學(xué)生形象思維和抽象思維貫穿過程，有助于學(xué)生對所學(xué)習(xí)的知識(shí)產(chǎn)生更深層次的認(rèn)知。中學(xué)物理模型的建構(gòu)過程一般是把實(shí)際問題或情境簡化為物理模型，運(yùn)用科學(xué)方法和知識(shí)來得到實(shí)際問題的解，再對現(xiàn)實(shí)問題的解進(jìn)行檢驗(yàn)、修改、深化和拓展，最后回譯到問題或者情境，看是否合乎實(shí)際，如圖2所示。中學(xué)物理模型建構(gòu)側(cè)重于問題解決的過程，表現(xiàn)為學(xué)生對學(xué)知識(shí)的“想用，會(huì)用，能用”的一種物理意識(shí)。

圖2 物理模型建構(gòu)過程

侯新杰等人在對高中生物理模型建構(gòu)能力的調(diào)查中采用了問卷編制及訪談設(shè)計(jì)的方法，從物理模型的含義、物理模型的本質(zhì)、物理模型的效用、物理建模的目的、物理建模實(shí)踐能力等各維度對學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)超過一半的學(xué)生對物理模型的含義有錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，忽略了對物理模型本質(zhì)的理解[4]。同時(shí)學(xué)生模型建構(gòu)的分析能力、運(yùn)用能力、驗(yàn)證能力都處于比較低的水平層次，大多數(shù)學(xué)生只重視物理規(guī)律和物理概念的學(xué)習(xí)。在物理模型建立時(shí)，學(xué)生對所建立的物理模型特征和適用范圍還沒有形成清晰的認(rèn)識(shí)，并不能很好的聯(lián)系其他學(xué)科知識(shí)的來建立物理模型。耿娜基于建構(gòu)主義理論、最近發(fā)展區(qū)理論結(jié)合文獻(xiàn)法、問卷調(diào)查法、訪談法對高一學(xué)生物理模型應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查。發(fā)現(xiàn)學(xué)生對物理模型的概念、規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不足；其次學(xué)生對物理模型的適用條件不清晰，運(yùn)用物理模型來解決問題的能力不足；同時(shí)還存在抓不住主要因素，忽略次要因素等問題[5]。林棟梁在高三學(xué)生物理模型應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查研究中，發(fā)現(xiàn)高三學(xué)生對基礎(chǔ)物理模型認(rèn)識(shí)不夠深入，缺少物理模型的建構(gòu)意識(shí)，物理模型遷移應(yīng)用存在困難等問題[6]。

綜上，學(xué)生對模型建立的過程沒有得到很好的發(fā)展，缺乏模型建構(gòu)能力的系統(tǒng)訓(xùn)練，也不能從題目中或者實(shí)際情境中提煉物理模型，學(xué)生不能在模型建構(gòu)過程中尋找相關(guān)因素，忽略次要因素，明確主要因素。

4 提升高中生模型建構(gòu)能力的教學(xué)策略

本文以適切情境為載體，通過問題逐步引導(dǎo)，讓學(xué)生經(jīng)歷物理模型建構(gòu)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力，促進(jìn)科學(xué)思維的進(jìn)階，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。筆者提出了在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力的教學(xué)策略。

4.1 創(chuàng)設(shè)適切情境，展開建?；顒?dòng)

情境是模型建構(gòu)的載體和展開基礎(chǔ)，在教學(xué)中，教師可以利用趣味性實(shí)驗(yàn)、視頻、圖片、認(rèn)知沖突等來創(chuàng)設(shè)情境。不管采用那種策略來創(chuàng)設(shè)情境，要抓住模型建構(gòu)的原材料，突出真實(shí)情境，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)意識(shí)，創(chuàng)設(shè)提出科學(xué)問題的適切情境，情境要貼近學(xué)生生活，圍繞教學(xué)活動(dòng)的目的，符合學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，去繁存簡，利于學(xué)生基于情境運(yùn)用一定的科學(xué)思維方法，展開思維分析活動(dòng)。

體驗(yàn)情境1：實(shí)際生活情境。在建立自由落體運(yùn)動(dòng)模型的教學(xué)中，教師首先展示一些常見的生活情景圖，例如余暉落葉、雪花飄飄、跳水運(yùn)動(dòng)、跳傘運(yùn)動(dòng)、人跑步、搬運(yùn)貨物等生活情景讓學(xué)生進(jìn)行分類歸納，讓學(xué)生比較不同類別的差異點(diǎn)，相同類別的不同點(diǎn)。教師提示學(xué)生將情景圖按照運(yùn)動(dòng)軌跡、速度是否恒定、是否需要人為參與進(jìn)行分類，運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度進(jìn)行分類，來體會(huì)分類歸納的必要性。教師在引導(dǎo)學(xué)生從中選擇簡單的運(yùn)動(dòng)來研究，引出物體只受重力和阻力的研究對象，歸納落體運(yùn)動(dòng)的共同特征。在探究下落快慢的影響因素時(shí)，教師仍然可以創(chuàng)設(shè)一系列的情境，例如學(xué)生實(shí)驗(yàn)用到的紙片，為了減小空氣阻力的影響，紙片又改成了紙團(tuán)，雖然實(shí)驗(yàn)器材沒有改變但是問題已經(jīng)發(fā)生了變化，由于質(zhì)量不同的紙團(tuán)，無法控制受到的阻力完全相同，教師需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)新的情境。抽出空氣的牛頓管，同時(shí)釋放紙片和鐵片，下落的快慢幾乎相同。慢放下落的過程，發(fā)現(xiàn)紙團(tuán)還是比鐵片下落的慢一點(diǎn)。最后，讓學(xué)生觀察在高真空環(huán)境下鋼球和羽毛同時(shí)下落的場景。

體驗(yàn)情境2：物理學(xué)史情境。學(xué)生在對教師提出的生活情景分類后，教師利用是否需要人為參與的分類引出亞里士多德對自然中落體運(yùn)動(dòng)的解釋，即“越重的物體下落的越快”。用自相矛盾的故事過渡到伽利略質(zhì)疑亞里士多德對自然現(xiàn)象的解釋，否定了“重物比輕物下落快”的論斷。

體驗(yàn)情境3：探究實(shí)驗(yàn)情境。教師通過播放視頻或演示牛頓管實(shí)驗(yàn)，分析空氣阻力對物理下落的影響。通過實(shí)驗(yàn)探究、觀察和推理來建構(gòu)自由落體運(yùn)動(dòng)模型。

設(shè)計(jì)意圖：在情境1中沒有急于建立自由落體模型，而是從建立落體運(yùn)動(dòng)入手。因?yàn)橐獜膶?shí)際情境到建立自由落體模型，中間需要一定的邏輯層次。通過呈現(xiàn)生活情景，讓學(xué)生從簡單的運(yùn)動(dòng)開始研究，這樣更容易找到研究對象，利于學(xué)生就此展開討論，而又不會(huì)受到其他無關(guān)因素的干擾。學(xué)生經(jīng)歷分析、判斷的過程比較容易將解決問題的路徑指向受力分析，雖然學(xué)生還沒有系統(tǒng)學(xué)過受力分析，但是并不影響利用簡單的力學(xué)知識(shí)來分析出重力和阻力這兩個(gè)影響因素，從而將思維活動(dòng)引向下一個(gè)關(guān)鍵性問題。再通過物理學(xué)史、牛頓管實(shí)驗(yàn)等教學(xué)活動(dòng)來建立自由落體運(yùn)動(dòng)模型。在實(shí)驗(yàn)中，紙片，紙團(tuán)，牛頓管，真空環(huán)境中的球和羽毛下落等情境已經(jīng)逐漸從實(shí)際生活過渡到實(shí)驗(yàn)環(huán)境模型建構(gòu)中，教師創(chuàng)設(shè)適切的情境，并不完全是實(shí)際情境，也包括半理想，甚至是理想化的實(shí)驗(yàn)情境，關(guān)鍵是這些情境之間能符合邏輯逐級(jí)過渡，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。

4.2 聚焦問題設(shè)計(jì)，引領(lǐng)學(xué)生思考

在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)了適切的情境，接下來就是圍繞情境設(shè)計(jì)模型建構(gòu)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)活動(dòng)。模型建構(gòu)關(guān)鍵是要在情境中設(shè)計(jì)與物理學(xué)有關(guān)的，有邏輯層次的系列問題，學(xué)生在問題的引領(lǐng)下，通過解決這些相互關(guān)聯(lián)的系列問題，經(jīng)歷模型建構(gòu)的思維活動(dòng)過程，從而體會(huì)和學(xué)習(xí)模型建構(gòu)的方法。例如在自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)中所設(shè)計(jì)的問題，如圖3所示。

圖3 自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)的問題設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)意圖：從常見的生活情境引入課題，教師提問從哪種運(yùn)動(dòng)研究開始，用分類歸納的科學(xué)方法引出亞里士多德是如何研究運(yùn)動(dòng)和伽利略利用歸謬法如何質(zhì)疑越重的物體下落的越快，接著，學(xué)生在哪個(gè)物體運(yùn)動(dòng)最簡單的問題引領(lǐng)下，對四個(gè)情境進(jìn)行分析，提出下落快慢的影響因素是什么的問題，從而找到了落體運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)相關(guān)因素。再提出這兩個(gè)因素是如何影響物體下落的？進(jìn)一步運(yùn)用控制變量法展開研究，在這個(gè)過程中，讓學(xué)生體會(huì)空氣阻力徹底去除并不符合實(shí)際情況，從而理解自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)際是一個(gè)與真實(shí)生活有一定差別的理想模型。抓大放小，當(dāng)阻力大小和重力相比可以忽略時(shí)，重力成為主要因素，阻力是次要因素，從而完成自由落體運(yùn)動(dòng)模型建構(gòu)。在自由落體運(yùn)動(dòng)模型建構(gòu)完成時(shí)，教師又提出自由落體運(yùn)動(dòng)模型實(shí)際意義的問題，讓學(xué)生又回歸生活，并且嘗試對雨滴從云層高處下落的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分解，了解自然中運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，把復(fù)雜問題簡單化，簡單問題模型化，一個(gè)實(shí)際生活中較復(fù)雜的問題，就轉(zhuǎn)化成若干個(gè)可以展開研究的理想化模型，從而知道理想模型在現(xiàn)實(shí)生活中并不存在，感受真實(shí)運(yùn)動(dòng)和理想模型之間的關(guān)系，明白建立模型是研究問題的起點(diǎn)，體會(huì)模型建構(gòu)的重要性。

4.3 經(jīng)歷思維過程，提升建模能力

以情境為載體，通過問題引領(lǐng)，經(jīng)歷模型建構(gòu)的過程。學(xué)生經(jīng)歷了一系列教師精心設(shè)計(jì)的情境和問題結(jié)合物理知識(shí)對情境進(jìn)行分類歸納，討論質(zhì)疑，實(shí)驗(yàn)探究，邏輯推理等過程，體會(huì)在實(shí)際情境中建構(gòu)模型的一般方法，提升了模型建構(gòu)能力，促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展。例如在自由落體模型的教學(xué)中，設(shè)計(jì)實(shí)際問題讓學(xué)生在解決問題的過程中，運(yùn)用模型建構(gòu)的方法，經(jīng)歷模型建構(gòu)的思維活動(dòng)過程，讓學(xué)生體會(huì)和學(xué)習(xí)建構(gòu)模型的重要性，模型建構(gòu)能力才能真正得到提升。

4.4 情境問題訓(xùn)練，發(fā)展建模能力

傳統(tǒng)教育中，比較多的是處理非情境化問題，主要是用到物理知識(shí)，數(shù)學(xué)工具進(jìn)行推導(dǎo)和演算。當(dāng)一個(gè)情境化問題出現(xiàn)時(shí)，需要學(xué)生能綜合運(yùn)用物理知識(shí)來分析、判斷、簡化、抽象等科學(xué)思維方法來將問題處理成一個(gè)非情境化問題，如圖4。學(xué)生要具備這樣的能力，就需要首先具備模型建構(gòu)的能力，而這種能力并不是在解題中獲得的，需要教師從教學(xué)整體架構(gòu)的視覺創(chuàng)設(shè)豐富的、適切的情境。

圖4 解題思維過程

例如在自由落體運(yùn)動(dòng)課程最后，教師創(chuàng)設(shè)雨滴從高空云層下落的情境化問題，學(xué)生首先要將情境與已建立的自由落體運(yùn)動(dòng)模型關(guān)聯(lián)，由于不滿足只受重力，可以初步判斷不是自由落體運(yùn)動(dòng)。這時(shí)老師補(bǔ)充關(guān)于空氣阻力的相關(guān)知識(shí)，解釋阻力和下落速度有關(guān)，剛下落時(shí)，速度較小，空氣阻力與重力相比可以忽略，這一段運(yùn)動(dòng)抽象為自由落體運(yùn)動(dòng)，隨著下落速度越來越大，阻力不斷增大，最后阻力趨近于重力，進(jìn)一步分析，等效于物體不受力，這一段運(yùn)動(dòng)抽象為勻速直線運(yùn)動(dòng)，這樣就將情境化問題，雨滴怎么動(dòng)，轉(zhuǎn)化為非情境化問題。學(xué)生通過解決雨滴從高空云層下落運(yùn)動(dòng)的實(shí)際問題，運(yùn)用相關(guān)物理知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合分析、判斷、簡化、抽象等方法，將情境化問題轉(zhuǎn)化為非情境化問題，感受真實(shí)運(yùn)動(dòng)和理想模型之間的關(guān)系，發(fā)展了模型建構(gòu)能力。

6 結(jié)語

模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)是一個(gè)長期過程，不能一蹴而就，需要貫穿在教學(xué)過程的始終，循序漸進(jìn)的培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)意識(shí)和能力。本文通過對自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)的設(shè)想，筆者認(rèn)識(shí)到在物理課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的實(shí)際情境，提出能引發(fā)學(xué)生思考的問題，不僅有助于激發(fā)學(xué)生求知欲，掌握模型建立的方法步驟，學(xué)會(huì)應(yīng)用物理模型解決實(shí)際問題，也有助于學(xué)生思維得到提升，認(rèn)知得到發(fā)展。但本文分析和研究范圍較小，提出的模型建構(gòu)教學(xué)策略有限，沒有很強(qiáng)的代表性，期望后續(xù)有關(guān)這一方面的研究能夠盡可能地拓寬研究范圍，做到更全面，提供多樣化的教學(xué)方式，從多個(gè)途徑培養(yǎng)學(xué)生的建構(gòu)模型的能力。所謂“教學(xué)有法，而無定法“，教師在課堂教學(xué)中還要不斷優(yōu)化教學(xué)方式，多提供給學(xué)生模型建構(gòu)的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。