基于科學思維指導下物理模型的教學設計策略

呂 征

(浙江省寧波市鎮海龍賽中學 315201)

一、理想化思維指導下物理模型教學設計

理想化思維的特點是忽略或摒棄原型中的次要因素，突出原型主導因素，突出主要矛盾.結合物理教學中理想模型方法應用的主要三種形式：理想模型、理想過程和理想實驗.其中“理想模型”是一種高度抽象的理想客體，顯然實際的物體是具有多種屬性的，次要因素和主導因素也是具有相對性的，理想化方法加工時忽略或摒棄的條件是什么？為什么是這樣的條件而不是那樣的條件？在科學思維的哪一水平層級來突出原型主導因素？在教學呈現的程序中怎樣突出主要矛盾？以下《單擺》教學設計片段.

1.情境觀察

①鐘擺擺動；②吊燈受風吹后的擺動；③蕩秋千時秋千的擺動

2.引導設問

把懸掛的物體看作一個什么樣模型既能使問題得到簡化又能解答實際問題？學生一般能簡單表述為懸掛物體是擺，都類似用一根繩子掛著一個球狀的物體.實際問題如何轉化為物理問題，實際物體又如何抽象為物理模型的呢？

3.理想化思維指導下設計六種相似性擺動

[演示1]金屬絲下懸掛一小鋼球，讓小鋼球在豎直面平面內擺動；[演示2]細線下懸掛一小鋼球，讓小鋼球在豎直面平面內擺動；[演示3]橡皮筋下懸掛一小鋼球，讓小鋼球在豎直面平面內擺動；[演示4]鐵鏈下懸掛一小鋼球，讓小鋼球在豎直面平面內擺動；[演示5]細線下懸掛一乒乓球，讓乒乓球在豎直面平面內擺動；[演示6]細線下懸掛一大木球，讓大木球在豎直面平面內擺動.

4.運用理想化方法加工建構模型

運用理想化方法加工實際物體抽象成為物理模型時，誰是次要因素，誰是主導因素，忽略或摒棄誰，在教學設計時需要把對比條件具體化出來，在科學思維的水平層級來突出原型主導因素，在呈現的對比演示程序中突出主要矛盾.

[演示1]和[演示2]比較可知，為了簡化研究問題，要求連接小球的細連接體質量m細比小球的質量m球小得多，條件要滿足：m細<

[演示4]和[演示2]比較，目的是使研究對象由剛體變為質點，變多體為單體.

[演示2]和[演示3]比較可知，為了簡化研究問題，要求連接小球的連接體伸長量Δl比連接體本身的長度l小得多，條件要滿足：Δl<

[演示2]和[演示6]比較可知，為了簡化研究問題，要求懸掛小球的半徑r比細線本身的長度l小得多，條件要滿足：r<

二、抽象思維指導下物理模型教學設計

科學思維是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程，抽象思維的特點是具有概括性、邏輯性、間接性，是抽取事物最本質的特性而形成概念，并運用概念模型進行推理、判斷的思維活動.科學思維的發展是在掌握和運用知識技能的過程中才能完成的.指導模型建構教學設計中抽象思維和形象思維需要集體參與. 以下《簡諧振動》教學設計片段.

1.從具象到抽象，定義振子的位移

[引導性提問] 在運動研究中我們首先要記錄運動物體在不同時刻的具體位置，即運動物體的位移大小和方向.做來回往復運動的振子如何確定它的位移呢？

[引導對比 學生概括] 根據位移知識，先要明確振子的初始位置.對比不同位置的特征，平衡位置作為振子位移的初始位置O點，運動描述最簡單.

2.概括實驗記錄，抽象彈簧振子運動模型

[提問歸納 枚舉方法] 運動學的研究方法中有哪些記錄運動物體在不同時刻的位移的實驗方法和手段呢？

[實驗記錄的轉換] 要正確認識概括抽象的不同要求，有些知識點屬于“懂”的級別，有些知識點屬于“會”的級別.概括連拍照片的實驗記錄雖然具有直觀性，但如果缺乏實驗抽象思維的指導，優選方案的環節也僅僅是學生感性化思維的表現，僅屬于“懂”的級別，難以達到“會”的層次.

對比豎直振子離開靜止位置時的位移x與直角坐標系縱坐標軸.按照記錄的順序，把照片連接成一長排集合，然后粘貼到黑板上.

3.創設論證環節，定性抽象運動模型特征

[問題提出] 觀察照片水平的排列方向蘊涵時間的流逝，橫坐標可以代表時間t軸.觀察到彈簧振子的位移隨時間在發生變化.彈簧振子的位移-時間圖象是一條什么樣的曲線呢？

[推理環節]學生1：位移-時間圖象是幾段直線相連.

學生2：位移-時間圖象是幾段曲線相連.

學生3：位移-時間圖象是余弦(正弦)曲線.

[論證評價]假設學生1正確，圖1的x-t圖象表示振子是勻速直線往復運動，實驗觀察的結果振子是變速往復運動，學生1結論可以否定.

假設學生2正確，圖2的x-t曲線圖象，分析0～T/4過程中，曲線的斜率變小，速度變小，實驗觀察振子從最大位移向平衡位置運動過程中振子是加速運動的，學生2結論也可以否定.

假設學生3正確，圖3的x-t曲線圖象，與實驗中振子的變速運動分析和連拍照片對比都很接近，是不是就是余弦(正弦)曲線還需要進一步的論證.

4.結合數理方法，抽象定量運動模型

[擬合驗證] 運用特殊值來驗證，科學實驗的信度并不理想. 運用計算機的擬合計算來驗證學生3的猜想，把測量數據進行擬合計算作出曲線.

由對彈簧振子運動的位移與時間的關系的研究，可以得出簡諧振動的位移與時間的關系是一條正弦(余弦)曲線，它不是質點的軌跡，并由此定義簡諧振動.

[再從抽象到具象]

[問題再提出]不光要讓學生說得出，寫得出，抽象得出x-t圖象，還要能設計得出一種能連續描繪振動位移的實驗裝置，計錄到彈簧振子的位移隨-時間變化是一條正弦(余弦)曲線呢？

如何實現把不同時刻的位移分開來呢？

[體驗 質疑] 互助合作模擬振動繪制振動圖象.在學生調試中發現曲線不均勻，圖形很不完美.進一步發現，時間的流逝是均勻的，拉動通過的距離與時間應成正比x=vt才能實現時空的等效轉換.

三、演繹思維指導下物理模型教學設計

演繹思維方法的特點是以一般概念、原理為前提推導出個別結論的思維方法.演繹推理把最一般性作為邏輯出發點，按照事物本身的轉化關系把事物聯系完整地復制出來，使科學知識結合成一個嚴密的體系，顯示出建構知識體系的強有力的功能.

教學實踐表明，即使對于比較好的學生，新授課完成后基本處于“懂”，部分處于“會”的狀態.科學思維水平也僅處于1，2級水平.原因是只經歷新授課學習后的學生知識結構基本是“單一結構水平”，少數量好學生各知識點間會有一些聯系，大多數學生的知識結構不會自動發展成內容豐富、關系清晰、功能強大的知識結構，需要科學思維指導下的復習課教學設計解決學生知識結構的優化問題. 選取器件模型“質譜儀模型的演化”復習課為例.

1.模型構建的程序性物理知識清晰了嗎？

展示課本例題的情境，如何把各個知識點之間的聯系清晰的聯立起來呢？

2.模型構建條件變化了能理清共同點，區別點嗎？

單個帶電粒子經過電場加速，垂直磁場邊界入射磁場，偏轉的運動規律熟悉了，模型運用的背景知識清楚了.如果研究對象入射粒子從單一變為一叢，或電性變為不同，比荷也不相同，或入射點位置不同，入射速度大小和方向不同等模型構建的條件發生了變化.如何分類理清共同點，區別點呢？

3.模型構建從單一結構水平到多元、關聯結構水平內化的途徑搭建了嗎？

高考最后一題往往是一個復雜的問題或過程，既要能夠把它們分解開來，研究細節，發現隱含條件和變化特征，還要能夠把它們聯系起來，尋找相互之間存在的關系，從而解決問題，就要掌握應用模型的方法和策略，還需要通過訓練加以內化.搭建從單一結構水平到多元、關聯的結構水平的可攀登的思維臺階，這樣的教學訓練才能達到內化的目標.

(1) 特殊性當R=a時，圓心剛好在B點，與y軸交點C的縱坐標：y=R+Rsinθ.

如圖5搭建“膨脹圓”的軌跡，即在同一磁場中旋轉相等的時間，速度的方向始終平行.可以判斷：所有離子旋轉過150°相同圓心角.

當然從“懂”到“會”再到“熟”和“巧”并進一步內化，其中過程往往伴隨著不斷的試錯，并且錯誤常常是十分頑固的，不能期望一次的訂正就能一勞永逸解決問題，但是根據解決問題的需要建構恰當的物理模型的體驗與經歷，并由此獲得正確的思維流程和領略規范要求，是物理學科核心素養提升的最好途徑.有意識的運用科學思維來指導物理概念、物理規律、物理模型等的教與學，對于培養學生的科學思維能力，具有很重要的促進意義.