基于物理建模能力的科學(xué)思維培養(yǎng)研究

檀辰馨

（南京航空航天大學(xué)附屬高級(jí)中學(xué)，江蘇 南京 210007）

在教學(xué)實(shí)踐中，常常有學(xué)生反映“課堂聽(tīng)講一聽(tīng)就懂、課后做題一籌莫展”的情況。出現(xiàn)這一問(wèn)題的主要原因在于學(xué)生缺少建模能力，導(dǎo)致其無(wú)法將題目信息與所學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)。因此，在平時(shí)的教學(xué)中，教師要有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，重視科學(xué)思維的培育，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

一、建模教學(xué)實(shí)施策略

兒童認(rèn)知發(fā)展理論認(rèn)為，認(rèn)知的發(fā)展是在已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)外部的同化或順應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有知識(shí)的圖式擴(kuò)充或改變，以及對(duì)外部知識(shí)的自主構(gòu)建。因此，建模教學(xué)必須基于學(xué)生原有的認(rèn)知基礎(chǔ)，充分發(fā)揮學(xué)生的個(gè)體主動(dòng)性，讓學(xué)生經(jīng)歷模型構(gòu)建全過(guò)程，重塑原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的跨越式發(fā)展。

在學(xué)生心智模型發(fā)展理論中，兒童心智模型主要分為三類(lèi)：初始心智模型（Initial Models）、綜合心智模型（Synthetic Medels）和科學(xué)心智模型（Scientific Models）。初始心智模型中，學(xué)生的知識(shí)要素呈碎片狀，各知識(shí)要素之間不能?chē)@核心要素建立起聯(lián)系，此時(shí)學(xué)生的思維主要表現(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)思維和迷思概念；綜合心智模型中，學(xué)生的知識(shí)要素之間能夠建立起一定聯(lián)系，但是存在錯(cuò)誤或缺失，或知識(shí)要素之間存在錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)具有了一定的科學(xué)思維基礎(chǔ)；科學(xué)心智模型則是指學(xué)生能?chē)@核心概念建立起知識(shí)要素之間的正確聯(lián)系，排除無(wú)關(guān)要素，使自我認(rèn)知與客觀情況達(dá)成一致，初步確立了科學(xué)思維的標(biāo)準(zhǔn)。

初始心智模型是學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的起點(diǎn)，教師在課堂中要做的就是引導(dǎo)學(xué)生圍繞核心概念在知識(shí)要素之間建立聯(lián)系，不斷修正和完善心智模型，逐漸向科學(xué)心智模型進(jìn)化?；趯W(xué)生心智模型進(jìn)階的脈絡(luò)，建模教學(xué)可以分為以下三個(gè)步驟：（1）模型表征與構(gòu)建。對(duì)于新概念或新情境，學(xué)生僅有一些生活經(jīng)驗(yàn)，能夠聯(lián)想到若干關(guān)聯(lián)概念，但各認(rèn)知要素仍處于零碎、混亂的狀態(tài)，認(rèn)知處于初始心智模型階段。為了幫助學(xué)生理解核心要素，發(fā)掘核心要素與其他要素之間的關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建模型的潛能，教師可以采用多重表征來(lái)構(gòu)建初始模型，即對(duì)同一對(duì)象采用多種形式進(jìn)行描述和表達(dá)。另外，為了幫助學(xué)生理解情境，教師還可以通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)、提出真實(shí)問(wèn)題等方式構(gòu)建生活化、形象化、具體化的學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生探究模型中各相關(guān)要素之間的關(guān)系，達(dá)到初步構(gòu)建物理模型的目標(biāo)。（2）模型分析與修正。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)初始物理模型進(jìn)行分析、檢驗(yàn)，以評(píng)估初始物理模型的不足與可能存在的錯(cuò)誤，可以采用的方式包括實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、現(xiàn)象解釋、邏輯分析等。當(dāng)出現(xiàn)初始物理模型數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符的情況時(shí)，會(huì)引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，此時(shí)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)反思、反復(fù)修正，逐漸實(shí)現(xiàn)向科學(xué)心智模型的進(jìn)階，以此實(shí)現(xiàn)原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的更新。（3）模型應(yīng)用與拓展。經(jīng)過(guò)多次修正后，學(xué)生基本完成了科學(xué)物理模型的構(gòu)建。此時(shí)，教師可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)全新的情境，讓學(xué)生用已建立的物理模型分析并解決問(wèn)題。之后，引導(dǎo)學(xué)生在新建立的物理模型和原有物理模型之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的同化和遷移，從而逐漸構(gòu)建起物理學(xué)科的整體模型結(jié)構(gòu)，達(dá)到提升學(xué)生科學(xué)思維能力的目標(biāo)。

二、建模教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐

以“電場(chǎng)概念模型的構(gòu)建”為例，學(xué)生對(duì)這一抽象模型存在理解困難，因此無(wú)法完成知識(shí)的自主構(gòu)建。若教師一味地講授，不引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主構(gòu)建，則其很難實(shí)現(xiàn)心智模型的進(jìn)階，自然也就不能真正理解、掌握知識(shí)。

通過(guò)前期學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)有了初步的知識(shí)儲(chǔ)備，能理解基本的受力模型和運(yùn)動(dòng)模型。因此，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從已有認(rèn)知出發(fā)，通過(guò)類(lèi)比、尋找、聯(lián)系等方法，自主構(gòu)建新的電場(chǎng)概念模型。學(xué)生對(duì)模型的構(gòu)建必須基于對(duì)真實(shí)情境的認(rèn)知，否則就失去了立足點(diǎn)。在教學(xué)中，首先教師可以讓學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)，類(lèi)比重力場(chǎng)模型，選擇電場(chǎng)產(chǎn)生的初始模型。然后創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，讓學(xué)生通過(guò)多重表征獲得感官體驗(yàn)，從多個(gè)角度發(fā)掘與電場(chǎng)模型可能相關(guān)的物理要素，并思考它們之間的關(guān)系，構(gòu)建出初步的電場(chǎng)模型。學(xué)生很可能會(huì)根據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，直接將電場(chǎng)模型與受力模型畫(huà)上等號(hào)，認(rèn)為可以用靜電力的大小來(lái)描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱。這說(shuō)明了其心智模型中存在要素錯(cuò)誤、要素關(guān)系錯(cuò)誤等問(wèn)題。此時(shí)，教師應(yīng)通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，拋出矛盾點(diǎn)以引發(fā)認(rèn)知沖突：如果電場(chǎng)模型只與受力相關(guān)，那么為什么某一點(diǎn)的電場(chǎng)沒(méi)有發(fā)生變化而小球的受力卻發(fā)生了變化呢？這時(shí)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)用初始模型是無(wú)法解釋這一現(xiàn)象的，從而主動(dòng)反思、修正初始模型，形成科學(xué)的電場(chǎng)模型，并拓展已建立的電場(chǎng)模型，將其遷移、應(yīng)用到不同的外部條件中。

在上述的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷完整的物理模型構(gòu)建過(guò)程，促使學(xué)生的認(rèn)知圖式發(fā)展、心智模型逐級(jí)進(jìn)階。學(xué)生在此過(guò)程中體驗(yàn)了建模過(guò)程、掌握了建模方法、獲得了建模能力，實(shí)現(xiàn)了核心素養(yǎng)的提升。

三、建模教學(xué)的效果評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)本次建模教學(xué)的效果，教師可通過(guò)反饋練習(xí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行半定量測(cè)試。以筆者所在學(xué)校為例，高中某年級(jí)共有4個(gè)班級(jí)，每個(gè)班級(jí)的學(xué)生數(shù)為43人。將這4個(gè)班級(jí)分別編為A班、B班、C班和D班，其中A班和B班為同層次班級(jí)（標(biāo)記為層次1），C班和D班為同層次班級(jí)（標(biāo)記為層次2），層次1班級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)高于層次2班級(jí)。4個(gè)班級(jí)由筆者和另一位相同教齡的物理教師共同執(zhí)教，其中筆者（標(biāo)記為教師甲）執(zhí)教A、C班，另一位物理教師（標(biāo)記為教師乙）執(zhí)教B、D班。

兩名執(zhí)教教師分別在A班和D班進(jìn)行建模教學(xué)（A班、D班為實(shí)驗(yàn)組），在B班和C班進(jìn)行常規(guī)教學(xué)（B班、C班為對(duì)照組）。在完成教學(xué)后，兩名教師給學(xué)生布置相關(guān)習(xí)題，習(xí)題涉及“電場(chǎng)概念”“電場(chǎng)強(qiáng)度概念”“幾種典型的電場(chǎng)”3個(gè)知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)2道習(xí)題。測(cè)試結(jié)果顯示：（1）在兩個(gè)層次的組別里，實(shí)驗(yàn)組的正答率都高于對(duì)照組。由此可見(jiàn)，建模教學(xué)對(duì)學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)有促進(jìn)作用。（2）層次1班級(jí)中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組之間的差距明顯小于層次2班級(jí)。這說(shuō)明建模教學(xué)對(duì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)比較薄弱的學(xué)生影響更大，筆者認(rèn)為這是因?yàn)閷哟?班級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)本來(lái)就比較好，其自主構(gòu)建模型的能力也較強(qiáng)，但層次2班級(jí)學(xué)生自主構(gòu)建模型的能力較弱，因此通過(guò)建模教學(xué)可以幫助他們更容易理解核心概念，學(xué)習(xí)效果的提升幅度更大。（3）在同一層次組，對(duì)于不同難度的測(cè)試題，層次1班級(jí)和層次2班級(jí)的數(shù)據(jù)差異也有所不同：對(duì)于較簡(jiǎn)單的題目，正答率差別不大，但對(duì)于有一定難度的題目，層次1班級(jí)的正答率明顯高于層次2班級(jí)。

基于上述結(jié)果，可以初步得出以下結(jié)論：（1）建模教學(xué)對(duì)學(xué)生構(gòu)建模型、理解概念有積極影響；（2）建模教學(xué)對(duì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較弱的學(xué)生幫助更大；（3）建模教學(xué)對(duì)促進(jìn)學(xué)生深入理解核心概念、突破教學(xué)難點(diǎn)有積極作用。

模型構(gòu)建是解決物理問(wèn)題的第一步，在建模教學(xué)中，教師除了要積極引導(dǎo)，還要注意兩點(diǎn)：第一，確保學(xué)生深度參與。學(xué)生自主構(gòu)建是提升其建模能力的重要前提。因此，在模型構(gòu)建環(huán)節(jié)，要貫徹“學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的原則，讓學(xué)生深度參與、主動(dòng)構(gòu)建。第二，重視思維階梯的搭建。提升學(xué)生的建模能力不可能一蹴而就，教師在教學(xué)中要循序漸進(jìn)，從簡(jiǎn)單的物理模型開(kāi)始，有意識(shí)地通過(guò)真實(shí)生活情境培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，給學(xué)生搭建適度的思維階梯，為他們的自主學(xué)習(xí)提供適當(dāng)?shù)穆淠_點(diǎn)，從而助推其思維進(jìn)階。