依托多樣化建模方式發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

雪飛虎

摘要：物理模型的建構(gòu)是形成科學(xué)思維的重要基礎(chǔ)和有效方法，而高中物理教材中建模方法十分豐富，應(yīng)深入建模方式方法，采取合理的策略，才能讓學(xué)生更好地體驗(yàn)建模過(guò)程，掌握建模方法，逐步形成建模思想，發(fā)展學(xué)科思維能力。

關(guān)鍵詞：物理模型；建模意義；建模方法；建模策略

高中物理模型建構(gòu)，是教學(xué)的重要內(nèi)容，更是發(fā)展學(xué)科思維的重要途徑。要把握建模策略，讓學(xué)生了解建模的意義與作用，體驗(yàn)建模的思維角度和思維過(guò)程，領(lǐng)會(huì)建模思想方法，逐步培養(yǎng)思維能力。

一、還原物理史本色，挖掘建模的作用與意義

（一）從物理學(xué)史入手，了解模型作用

光學(xué)中，從光束抽象出“光線”模型后，為量化研究光現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)，才能通過(guò)實(shí)驗(yàn)、借助幾何手段來(lái)描述反射、折射等一些列規(guī)律，從而誕生了幾何光學(xué)。學(xué)生了解光線的歷史地位和作用，會(huì)很好地把握這種思維的方式，從而建好用好光學(xué)模型。這樣的史實(shí)在物理學(xué)中十分豐富，作用顯著。

（二）從問(wèn)題入手，挖掘建模意義

“質(zhì)點(diǎn)”模型的建立，是通常物體都有一定的形狀與體積，在坐標(biāo)系中描述物體位置時(shí)，出現(xiàn)了“困難”。可以引導(dǎo)學(xué)生思考：“能否將物體看做一個(gè)幾何點(diǎn)”等問(wèn)題，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，很多情況下物體的體積和形狀是無(wú)關(guān)或次要因素，完全可以把它看成有一定質(zhì)量的“幾何點(diǎn)”，就可以簡(jiǎn)單地描述其在坐標(biāo)系中的具體位置；再經(jīng)過(guò)研究質(zhì)點(diǎn)的位置變化、位置變化快慢等問(wèn)題，而認(rèn)識(shí)到質(zhì)點(diǎn)的建立是量化研究高中運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)，使學(xué)生較好地把握以質(zhì)點(diǎn)為起點(diǎn)，研究位置、位移、速度、加速度等概念的路徑，不僅有利于該運(yùn)動(dòng)模型的建立，更有利于運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)體系的建構(gòu)。

（三）從矛盾入手，挖掘建模價(jià)值

原子的核核結(jié)構(gòu)模型，湯姆生的猜想與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大相徑庭。這個(gè)突出的矛盾引發(fā)人們深入思考。通過(guò)對(duì)α粒子的在通過(guò)金箔時(shí)的“行為”特點(diǎn)分析，得出核式結(jié)構(gòu)模型。使學(xué)生了解研究微觀世界的方式與方法，領(lǐng)悟模型的價(jià)值。

（四）從科技發(fā)展入手，挖掘深遠(yuǎn)影響

通過(guò)回旋加速器的發(fā)明歷史的研究，使學(xué)生領(lǐng)會(huì)到：用人工的方式打開了研究微觀物質(zhì)世界的大門，將人類認(rèn)識(shí)世界的手段提高到新的境界，有著其深遠(yuǎn)的意義和影響。

二、多視角、多方法建模，提高學(xué)生思維能力

教學(xué)中，要以多視角切入，根據(jù)模型特點(diǎn)，采用不同的方式、方法進(jìn)行建模并豐富的建模方法。

（一）從理論出發(fā)，抽象模型

比較典型的是平拋運(yùn)動(dòng)模型。教材是從水平和豎直方向的受力特點(diǎn)出發(fā)得出的結(jié)論。這不僅有利于模型的建立、體現(xiàn)“變曲為直”的思想方法；再經(jīng)過(guò)驗(yàn)證驗(yàn)證，使分解與合成的思想的建立更加嚴(yán)謹(jǐn)，同時(shí)，也滲透了力的獨(dú)立作用原理。

（二）從體驗(yàn)出發(fā)，感知模型

體驗(yàn)是認(rèn)知起點(diǎn)，如橫波模型。讓學(xué)生手牽手（各質(zhì)點(diǎn)）站成一排“模擬”橫波傳播過(guò)程，體驗(yàn)后一個(gè)質(zhì)點(diǎn)“模仿”前一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的“行為”，而質(zhì)點(diǎn)并不遷移，使學(xué)生得到初步的感性認(rèn)識(shí)；以此為基礎(chǔ)，再利用“繩波”和橫波演示儀、教學(xué)視頻等的演示及研究，建立起波動(dòng)在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出周期性，并傳遞運(yùn)動(dòng)形式與傳播能量的清晰模型。

（三）從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，探究或驗(yàn)證模型

這是建模的最根本的方法之一，很多模型都是在實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上形成的。再如平拋運(yùn)動(dòng)，教材先用平拋豎落儀進(jìn)行驗(yàn)證，但該實(shí)驗(yàn)只能粗略地證明平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)與自由落體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，由此得出的結(jié)論顯然說(shuō)服力不夠充分，所以教材又設(shè)計(jì)了對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)頻閃照相的照片進(jìn)行分析，搞清楚兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，讓教學(xué)更嚴(yán)謹(jǐn)和有說(shuō)服力。

（四）從實(shí)際出發(fā)，歸納模型

如彈簧模型。在教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)探索中，學(xué)生得出F=kx的規(guī)律并不困難，教師還必須引導(dǎo)學(xué)生：豎直懸掛彈簧實(shí)驗(yàn)時(shí)，若彈簧的自重較大，上述規(guī)律是否成立？學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)彈簧自重的影響，認(rèn)清“輕彈簧”的條件，從而將彈簧分為“輕彈簧”和“重彈簧”兩類模型；還可以就重彈簧進(jìn)行深入研究，使學(xué)生的認(rèn)知更加完整和深入；這樣拓展學(xué)生思維的視角，有利于學(xué)科思維能力的提高。

（五）從方法出發(fā)，形成模型

就拿勻速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，在采用實(shí)驗(yàn)探究法的基礎(chǔ)上，還用了多樣的數(shù)據(jù)處理、微分、積分等方法，才能建立起完整的“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”模型，對(duì)剛剛?cè)雽W(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，掌握起來(lái)既復(fù)雜又困難。要充分考慮學(xué)生認(rèn)識(shí)水平和基礎(chǔ)，注意多采用類比、比擬等方法幫助學(xué)生理解，并分階段逐步完成。

（六）從表述出發(fā)，描述模型

理想氣體，是狀態(tài)模型。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出的結(jié)論可以用文字、公式以及圖像表述，其中，公式和圖像描述方式又有多種。學(xué)生完全熟練把握多種描述方法并不容易，要分類、分步研究；另外，解題應(yīng)用中要突出方法選擇的意識(shí)培養(yǎng)，等等。

（七）從模擬出發(fā)，建構(gòu)模型

有很多模型，難于或無(wú)法直接觀察，教材就采用模擬的方法幫助學(xué)生建立模型。如原子核式結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和分子熱運(yùn)動(dòng)等各類模型，突出了直觀性、形象性，便于學(xué)生掌握，在解決教學(xué)疑難問(wèn)題時(shí)均可借鑒。

（八）從遷移出發(fā)，拓展模型

帶電粒子在電場(chǎng)中的“類平拋運(yùn)動(dòng)”。經(jīng)過(guò)電場(chǎng)力與重力大小的比較，抽象出帶電粒子重力可以不計(jì)的實(shí)物模型后，隨即可將平拋運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行遷移，建立起類平拋運(yùn)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)模型的進(jìn)一步拓展，并且使學(xué)生領(lǐng)會(huì)到“類化”方法處理問(wèn)題、記憶規(guī)律的優(yōu)越性。

三、把握操作策略，增強(qiáng)建模的實(shí)效性

教學(xué)中，盡管建模的方式方法有所不同，但都采取了以下幾個(gè)操作策略。

（1）體驗(yàn)性策略。學(xué)生對(duì)模型建構(gòu)要有最基本的切身體驗(yàn)。利用學(xué)生的感知覺(jué)、親身經(jīng)歷和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，作為建模的基礎(chǔ)；以物理思維過(guò)程的體驗(yàn)為核心的建模才有實(shí)效。（2）事實(shí)性策略。尊重物理學(xué)史原貌，“還原”真實(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程并體現(xiàn)建模學(xué)科思維價(jià)值和思想價(jià)值。（3）實(shí)驗(yàn)性策略。物理學(xué)的基石在于實(shí)驗(yàn)，又是培養(yǎng)學(xué)科能力和科學(xué)態(tài)度基本途徑，要發(fā)揮發(fā)揮探究和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的作用。（4）問(wèn)題性策略。要進(jìn)行問(wèn)題情境創(chuàng)設(shè)，以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)思維進(jìn)行建模，在問(wèn)題解決中提高學(xué)科思維能力。（5）深刻性策略。就是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理模型本質(zhì)。學(xué)生體驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)和思維的基礎(chǔ)上把握內(nèi)在聯(lián)系，深刻領(lǐng)會(huì)學(xué)科特點(diǎn)和實(shí)質(zhì)。

總之，教師需要依托教材，采取必要的操作策略，研究建模方法、挖掘建模思想，以提高自身的水平和學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張恩德.論科學(xué)歷史任務(wù)的學(xué)科核心素養(yǎng)價(jià)值[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（5）：510.

[2]王鵬.物理模型在課堂教學(xué)中的作用與實(shí)施策略[J].中學(xué)物理，2017（3）：1415.