立足科學(xué)思維培養(yǎng)的物理建模教學(xué)探究

倪子元|浙江省杭州第四中學(xué)

新課標(biāo)的最大特點(diǎn)是育人導(dǎo)向的轉(zhuǎn)變，認(rèn)為核心素養(yǎng)可學(xué)、可教且可評(píng)，教學(xué)須以此為依歸進(jìn)行升級(jí)轉(zhuǎn)型。建模是物理學(xué)常用的研究方法，也是高中物理的教學(xué)重點(diǎn)和學(xué)生應(yīng)具備的關(guān)鍵能力。建模教學(xué)要求學(xué)生基于原有認(rèn)識(shí)，觀察、分析物理現(xiàn)象以形成初步的心智模型，再通過(guò)推理、論證等復(fù)雜的認(rèn)知行為對(duì)心智模型進(jìn)行修正，最終形成物理模型，旨在幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中發(fā)展自己的模型，并使其最終與科學(xué)模型達(dá)成一致［1］。因此，教師要遵循學(xué)生的思維發(fā)展規(guī)律，以學(xué)習(xí)進(jìn)階的關(guān)鍵“階”點(diǎn)為依托，不斷突破學(xué)生現(xiàn)階段的認(rèn)知水平，促使其由經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)轉(zhuǎn)變，逐步建立起物理模型。

高中物理建模教學(xué)不能僅定位于關(guān)鍵能力培養(yǎng)，而更應(yīng)有科學(xué)思維、研究方法以及“遷移和應(yīng)用”層面的考量?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《課程標(biāo)準(zhǔn)》”），在“學(xué)業(yè)質(zhì)量水平5”中要求“能將較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型”，這對(duì)教師提出了非常高的要求。思想是行動(dòng)的先導(dǎo)，教師如果不能深刻領(lǐng)會(huì)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的育人意圖，就很難以建模教學(xué)的思想為指導(dǎo)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。下面，筆者以人教版普通高中教科書(shū)《物理》必修第一冊(cè)第一章中的“質(zhì)點(diǎn)”教學(xué)為例，談?wù)勅绾瓮ㄟ^(guò)物理建模教學(xué)培養(yǎng)科學(xué)思維，發(fā)揮物理學(xué)科的育人價(jià)值。

一、內(nèi)容解析及目標(biāo)設(shè)定

（一）教材及課標(biāo)解析

“質(zhì)點(diǎn)”是高中物理的開(kāi)篇內(nèi)容，作為高中生學(xué)習(xí)的第一個(gè)理想化對(duì)象模型，它是形象性和抽象性的統(tǒng)一，是學(xué)生由感知升華到科學(xué)思維的產(chǎn)物。對(duì)于剛接觸高中物理的學(xué)生來(lái)說(shuō)，教師在新的教學(xué)理念指導(dǎo)下進(jìn)行的教學(xué)，會(huì)讓他們有不同于以往的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，并得到學(xué)法示范。

相較于之前的課標(biāo)偏重知識(shí)理解和應(yīng)用層次，《課程標(biāo)準(zhǔn)》更強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷模型建構(gòu)過(guò)程，體會(huì)建構(gòu)物理模型的思維方式，認(rèn)識(shí)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用。這是由《課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)核心素養(yǎng)的課程性質(zhì)決定的。意圖很明顯，即讓學(xué)生“通過(guò)實(shí)際問(wèn)題認(rèn)識(shí)建模方法，然后應(yīng)用這個(gè)方法去解決實(shí)際運(yùn)動(dòng)問(wèn)題”。學(xué)生在此過(guò)程中收獲的不僅僅是知識(shí)和技能，更是解決問(wèn)題的方法，這正是新課程所倡導(dǎo)的重過(guò)程、重方法理念的體現(xiàn)。因此，教師的教學(xué)實(shí)踐也要朝著有利于學(xué)生核心素養(yǎng)培育的方向升級(jí)轉(zhuǎn)型或者優(yōu)化：首先，要理解課標(biāo)精神和教材編寫(xiě)意圖；其次，課堂教學(xué)中要更關(guān)注學(xué)生的科學(xué)思維過(guò)程，注重讓他們經(jīng)歷建模的過(guò)程，體會(huì)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用，初步掌握科學(xué)抽象理想化模型的方法，滲透抓住主要因素、忽略次要因素的哲學(xué)思想。

（二）教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

根據(jù)上述分析，筆者認(rèn)為“質(zhì)點(diǎn)”教學(xué)可從兩個(gè)方面設(shè)置教學(xué)目標(biāo)：一是以學(xué)生為主體，了解學(xué)生認(rèn)知水平，以學(xué)定教強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)；二是深刻領(lǐng)會(huì)和把握“模型建構(gòu)”學(xué)業(yè)水平層次要求。

教學(xué)中，使用來(lái)源于學(xué)生生活中的物理現(xiàn)象設(shè)置問(wèn)題情境，可引起學(xué)生的共鳴，激發(fā)其探究動(dòng)機(jī)，有利于學(xué)生重現(xiàn)物理研究過(guò)程。描述物體運(yùn)動(dòng)對(duì)高一學(xué)生來(lái)說(shuō)并不陌生，而如何讓他們意識(shí)到自己已經(jīng)具備對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行初步研究的能力，則是教師在授課過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)突出的環(huán)節(jié)。此外，引導(dǎo)學(xué)生將已有的經(jīng)驗(yàn)描述“科學(xué)”化，最終形成質(zhì)點(diǎn)模型，是教學(xué)的難點(diǎn)。要突破對(duì)重、難點(diǎn)的教學(xué)，教師應(yīng)做到如下三點(diǎn)：了解學(xué)生是怎樣建構(gòu)運(yùn)動(dòng)物體形象的；知道如何避免錯(cuò)誤的建構(gòu)；知道如何暴露學(xué)生大腦中的建構(gòu)過(guò)程。

二、立足科學(xué)思維培養(yǎng)的建模教學(xué)設(shè)計(jì)

建模教學(xué)理論的核心觀點(diǎn)是認(rèn)為物理學(xué)是基于模型開(kāi)展推理的，通過(guò)應(yīng)用如圖形、圖表、數(shù)學(xué)方程等來(lái)表征具體的物理情境，從而開(kāi)始模型建構(gòu)過(guò)程［2］。因此在建模教學(xué)的具體實(shí)施中，教師要對(duì)學(xué)生的前認(rèn)知進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生從前認(rèn)知出發(fā)，經(jīng)歷科學(xué)思維過(guò)程，自主建構(gòu)模型。教師的主要任務(wù)是啟發(fā)引領(lǐng)學(xué)生“激惑（興趣目標(biāo)）—自尋（經(jīng)驗(yàn)探尋）—交流（豐富辨別）—正解（建構(gòu)正解）—應(yīng)用評(píng)析”。模型概念本身固然重要，但建模意識(shí)和思維過(guò)程更加重要。因此在具體的教學(xué)過(guò)程中，教師要稚化自己的思維，站在學(xué)生的認(rèn)知水準(zhǔn)上，引導(dǎo)學(xué)生逐漸地去“發(fā)現(xiàn)”理想化模型。這種不同于演繹法，更有別于概念講授法的教學(xué)流程，更能培養(yǎng)學(xué)生的建模意識(shí)和建模能力。具體到“質(zhì)點(diǎn)”教學(xué)，教師可以按照以下五個(gè)步驟分解課堂，一步一步地引領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)起質(zhì)點(diǎn)模型。

（一）感受需求

課堂上，教師先給出幾個(gè)學(xué)生生活中常見(jiàn)物體的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)情境，讓學(xué)生描述。此時(shí)，學(xué)生往往會(huì)有難以言明的感覺(jué)。接著，教師給出描述的要求。在明確要描述的關(guān)鍵點(diǎn)后，學(xué)生成功描述物體的運(yùn)動(dòng)，體驗(yàn)到成功的喜悅，從而產(chǎn)生對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行適當(dāng)描述的強(qiáng)烈沖動(dòng)。

（二）顯化過(guò)程

教師可讓每個(gè)學(xué)生根據(jù)如下要求作四幅圖。

（1）水平桌面上靜止的籃球、靜止的乒乓球和旋轉(zhuǎn)的乒乓球。

（2）地球繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。

（3）空中豎直下落的乒乓球和羽毛球。

（4）站在水平地面上的“你”和講臺(tái)的受力圖。

學(xué)生畫(huà)完后，教師在巡視、交流的基礎(chǔ)上，選擇有典型意義的作品投影，并請(qǐng)“作者”陳述自己的創(chuàng)作過(guò)程。該環(huán)節(jié)的重點(diǎn)在于挖掘?qū)W生對(duì)實(shí)物進(jìn)行非寫(xiě)實(shí)“處理”時(shí)的想法及其緣由。以下為根據(jù)這一設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)的一個(gè)案例。

繪制籃球和乒乓球的時(shí)候，大部分學(xué)生并不會(huì)關(guān)注其實(shí)際大小的比例關(guān)系，而都用一個(gè)小球代替，有些學(xué)生甚至已經(jīng)能用一個(gè)極小的黑點(diǎn)代替，但也有部分學(xué)生美術(shù)速寫(xiě)般地畫(huà)出籃球及其條紋。這表明，學(xué)生此時(shí)還沒(méi)有用“點(diǎn)”來(lái)代替球的概念，但是他們大多能根據(jù)作圖的需要，合理地縮小兩個(gè)球的體積。而對(duì)于旋轉(zhuǎn)的乒乓球，學(xué)生都畫(huà)出了它的球狀，并利用線條等符號(hào)呈現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)特征。

繪制地球繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，學(xué)生都會(huì)用兩個(gè)點(diǎn)或小球分別代替地球和太陽(yáng)。

繪制乒乓球下落和羽毛球下落時(shí)，學(xué)生用小球或點(diǎn)替代乒乓球，而羽毛球則都用實(shí)際形狀近似畫(huà)出。表述理由時(shí)，學(xué)生提及羽毛球的形狀和下落時(shí)球體形狀的上下位置會(huì)影響它所受空氣阻力的大小。

繪制自己和講臺(tái)的時(shí)候，大部分學(xué)生使用了形似的畫(huà)法或用方塊乃至點(diǎn)替代，并正確畫(huà)出了二力示意圖。

學(xué)生本來(lái)就具有一定的將實(shí)際的復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化處理的需求和能力，因此教師可設(shè)計(jì)情境，讓他們?cè)谛蜗笞鳟?huà)的過(guò)程中體現(xiàn)這種需求和能力，在陳述為什么這樣處理的邏輯“理由”時(shí)顯現(xiàn)這種需求和能力。在將觀察到的實(shí)物或已有的表象落在紙上畫(huà)成圖像的過(guò)程中，學(xué)生能逐漸提煉出這樣的認(rèn)識(shí)：立足于不影響所表達(dá)的物理情境，不同物體可以有不同的加工處理方式。這就是一個(gè)體驗(yàn)建模經(jīng)歷的過(guò)程。教師是這個(gè)過(guò)程中提供素材的搭橋者，引領(lǐng)學(xué)生到達(dá)建立概念的彼岸，并充分關(guān)注科學(xué)概念和學(xué)生自我需求的契合。

如此，通過(guò)情境和問(wèn)題，可讓學(xué)生根據(jù)描述的需要，將一個(gè)個(gè)具體的運(yùn)動(dòng)物體形象清晰化，使其在簡(jiǎn)化處理的過(guò)程中進(jìn)一步了解自己是怎樣簡(jiǎn)化的，并在不同的處理方式中逐漸明確建模需求。

（三）深入情境

教師可先設(shè)計(jì)一個(gè)情境（配合大屏幕投影的圖片），展示物體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，讓學(xué)生進(jìn)行描述。由于動(dòng)態(tài)的整體或局部運(yùn)動(dòng)情形極其復(fù)雜，學(xué)生很難描述全面。

此時(shí)，教師再設(shè)計(jì)如下情境，引導(dǎo)學(xué)生更加深入地開(kāi)展有方向性的思考。

在學(xué)校的同學(xué)（甲）想知道去北京出差的老師（乙）乘坐的高鐵到了哪里，甲會(huì)怎么問(wèn)？乙又會(huì)怎么回答？此時(shí)正好甲知道自己爸爸（丙）也在同列高鐵上，想讓丙去找到乙，甲會(huì)怎么跟丙說(shuō)？

通過(guò)這樣的真實(shí)情境設(shè)置，可讓學(xué)生在提問(wèn)和回答的過(guò)程中體會(huì)到：有時(shí)候只需要把高鐵的大致位置描述清楚就可以了，而有時(shí)候就必須說(shuō)清楚高鐵車(chē)廂和座位位置；對(duì)于不同的情況，高鐵本身的形狀有時(shí)可以忽略，有時(shí)又必須交代清楚。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生需要考慮火車(chē)的長(zhǎng)度、形狀、兩地間隔距離等與所研究問(wèn)題的關(guān)系，這就是一個(gè)思維加工的過(guò)程。

隨后，教師呈現(xiàn)一張“幾個(gè)高矮胖瘦不同的人站著合影，旁邊還擺放著一些物體”的照片，請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行不同人和物體的受力分析，引導(dǎo)學(xué)生將關(guān)注點(diǎn)聚焦在“物體重力大小不同，導(dǎo)致受力情況不一樣”上。在分析的過(guò)程中，學(xué)生也會(huì)發(fā)現(xiàn)二力平衡的分析完全可以不考慮物體的形狀。設(shè)置這個(gè)情境的目的是想強(qiáng)調(diào)：質(zhì)點(diǎn)概念來(lái)自于受力分析的相關(guān)問(wèn)題，當(dāng)然也可以應(yīng)用于受力分析問(wèn)題中。由于現(xiàn)行教材先講運(yùn)動(dòng)學(xué)再講動(dòng)力學(xué)，所以從運(yùn)動(dòng)描述中引入質(zhì)點(diǎn)概念是必然的選擇，但教師要防止學(xué)生簡(jiǎn)單地以數(shù)學(xué)中的空間“點(diǎn)”概念來(lái)理解物理中的“質(zhì)點(diǎn)”概念。在后續(xù)對(duì)動(dòng)力學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生會(huì)真切感受到質(zhì)點(diǎn)模型的必要性和重要性。

如此，教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、布置任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生在觀察情境并完成描述任務(wù)的過(guò)程中，逐漸明白研究對(duì)象的大小、形狀、體積等對(duì)所研究問(wèn)題的影響，使其進(jìn)一步思考“如果沒(méi)有影響，是不是可以用更簡(jiǎn)單的方式來(lái)處理物體”。學(xué)生通過(guò)自己和其他學(xué)生提供的具體經(jīng)驗(yàn)，逐漸從具象場(chǎng)景走向概括化場(chǎng)景，初步抽象出建立模型的需求和模型的雛形。

（四）得出模型

在充分思考與討論的基礎(chǔ)上，學(xué)生自己閱讀理解教材中質(zhì)點(diǎn)的定義及物體可以視作質(zhì)點(diǎn)的條件，對(duì)其中的兩個(gè)要素“質(zhì)量”和“點(diǎn)”進(jìn)行合理想象，使思維從形象過(guò)渡到抽象，逐漸形成初步認(rèn)知。

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)應(yīng)是學(xué)生在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，積極主動(dòng)形成正確的科學(xué)概念，建構(gòu)自身知識(shí)體系的一個(gè)過(guò)程。因此，這種知識(shí)體系的建構(gòu)應(yīng)該包含獲得知識(shí)所需要的物理方法和科學(xué)思維。學(xué)生是建構(gòu)的主體，而教師主要是起到引領(lǐng)、點(diǎn)撥的作用。教師的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是引導(dǎo)學(xué)生反復(fù)多次地將已有的經(jīng)驗(yàn)與新知識(shí)相互調(diào)和作用，從而形成自身的知識(shí)體系；二是讓學(xué)生感受到形成概念過(guò)程中所經(jīng)歷的途徑和方法。在后續(xù)類(lèi)似點(diǎn)電荷、單擺、點(diǎn)光源等概念的建立過(guò)程中，也需要應(yīng)用相似的方法。

物理源于生活實(shí)際，接觸的對(duì)象極其寬泛復(fù)雜，研究對(duì)象與外界也有著各種各樣的聯(lián)系，但作為一門(mén)自然科學(xué)，它又需要能夠簡(jiǎn)化且合理地對(duì)自然現(xiàn)象加以解釋。在這樣的源于復(fù)雜歸于簡(jiǎn)化的科學(xué)研究過(guò)程中，正確地形成概念、建立理想化模型便成為一種基本的研究方法和技能。因此在講解概念時(shí)，教師要找準(zhǔn)學(xué)生存在的前概念，使學(xué)生最終能夠理解不以（體積）大小、不以（幾何）形狀、不以（質(zhì)量）輕重、不以（運(yùn)動(dòng)）繁簡(jiǎn)來(lái)判斷物體是否可視作質(zhì)點(diǎn)。從哲學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，這就是在觀察事物的過(guò)程中，根據(jù)要研究的問(wèn)題，抓住矛盾的主要方面，忽略次要方面，從而對(duì)物體進(jìn)行科學(xué)合理的簡(jiǎn)化處理，迅速得到正確結(jié)果的辯證思維方式。

（五）應(yīng)用評(píng)析

物理概念的本質(zhì)往往和概念建立的實(shí)際價(jià)值密不可分。因此概念的“來(lái)龍”（為什么要建立這個(gè)概念）“去脈”（概念的應(yīng)用及其條件）較之于概念的定義更能體現(xiàn)其價(jià)值?！耙粋€(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)就是質(zhì)點(diǎn)”這句話很簡(jiǎn)單，卻包含了去除次要因素，抓住本質(zhì)去研究問(wèn)題，建立理想化模型的科學(xué)方法。這種研究問(wèn)題的方法始終貫穿于高中物理教學(xué)中，并且對(duì)學(xué)生畢業(yè)后的思維發(fā)展、探究能力提升等也大有裨益。因此學(xué)習(xí)“質(zhì)點(diǎn)”概念，學(xué)生不能僅記定義，而是要領(lǐng)會(huì)物理實(shí)質(zhì)并學(xué)會(huì)模型的建構(gòu)流程。

建模教學(xué)的最后一環(huán)，教師要安排學(xué)生對(duì)剛學(xué)的質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行適度的進(jìn)階式應(yīng)用，而且這種應(yīng)用的問(wèn)題情境可以讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)，例如在筆者之前的授課中，就有學(xué)生提出初中學(xué)過(guò)的杠桿、工作中的定滑輪是否可以被視作質(zhì)點(diǎn)之類(lèi)的問(wèn)題情境。在學(xué)生應(yīng)用質(zhì)點(diǎn)模型的過(guò)程中，教師可引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展交互式的生生評(píng)點(diǎn)。這種應(yīng)用和評(píng)析的過(guò)程，是學(xué)生進(jìn)一步強(qiáng)化模型概念和如何處理實(shí)際情境的思維強(qiáng)化過(guò)程。明確任務(wù)（目標(biāo)）后，學(xué)生必定先搜索自己可見(jiàn)的現(xiàn)象或者表象，用通俗的語(yǔ)言進(jìn)行初步描述，再經(jīng)過(guò)教師的提示和引導(dǎo)，作出更加抽象的描述，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)在達(dá)成目標(biāo)的過(guò)程中，可以采用忽略次要因素、抓住主要因素的本質(zhì)描述法，最終成功建模。

綜上，物理學(xué)在研究問(wèn)題時(shí)經(jīng)常要把復(fù)雜的事物簡(jiǎn)單化，這是一種本領(lǐng)和智慧，但簡(jiǎn)約不等于簡(jiǎn)單，大道至簡(jiǎn)之中還蘊(yùn)含著大美。因此，物理建模并不是一種孤立的科學(xué)方法，而是需要觀察、分析、綜合、抽象、概括、歸納等方法的相互配合，這些正是基于核心素養(yǎng)的課程所要求培育的科學(xué)思維。教師要將教學(xué)內(nèi)容放到整個(gè)物理學(xué)進(jìn)程的背景中去考慮，引導(dǎo)學(xué)生不斷經(jīng)歷實(shí)際情境和物理本質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化，并對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期訓(xùn)練。只有這樣，學(xué)生才能逐漸學(xué)會(huì)用物理的眼光觀察客觀世界，用科學(xué)思維解決實(shí)際問(wèn)題，其科學(xué)思維品質(zhì)才能得到有效提升。這樣的物理教學(xué)，才是培育學(xué)生核心素養(yǎng)的育人“場(chǎng)”。