對物理教學中模型建構的研究與實踐

馬朝華 崔琰

摘 要：《普通高中物理課程標準（2017版）》中將模型建構列為科學思維的要素之一.發展學生模型建構的思維能力是發展學生物理學科核心素養的一個重要方面.因此，有必要研究模型建構的基本路徑，并通過教學實例說明模型建構教學的思路，以實現更有效地促進在課堂教學中發展學生的模型建構思維能力的目標.

關鍵詞：模型建構;科學思維;教學策略

文章編號：1008-4134（2019）17-0013中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A

物理學是自然領域的一門基礎學科，自然界中物質種類繁多、運動錯綜復雜，各種現象間相互聯系、相互影響，幾乎每個具體的實際問題都涉及到多種因素.在物理學研究中，根據研究的問題和內容，在一定條件下，從研究對象多維的具體圖象中，抓住最具有本質特征的圖象，建立一個易于研究、能從主要方面反映研究對象的新圖象，這就建構出了“物理模型”.模型建構的方法是科學研究中的常用方法，模型建構思維也是一種重要的科學思維方式，《普通高中物理課程標準（2017版）》將模型建構列為科學思維素養的要素之一，因此，研究如何在物理教學過程中培養學生的模型構建能力是非常重要的.

1 對模型建構價值的認識

1.1 有助于形成知識結構發展認知

學生的學習雖與科學家的研究有所不同，但就學習者或研究者的主體而言，都是探索對未知事物的認識過程，當面對一個客觀的物質現象或過程時，復雜的組成因素會使他們難以把握其本質和規律.通過模型建構，關注主要因素，忽略對象系統中的非本質因素，將復雜的物質現象和過程進行抽象的概括和簡化，進行形象化的表征，有利于發現物理現象、物理規律在一定條件下必然發生、發展和變化的規律，并在此基礎上形成系統的、自洽的、嚴密的物理理論體系.例如，運動和力關系的知識結構就可以看作是在研究不同模型的過程中形成的：研究質點、剛體等對象模型，在光滑表面、恒定不變的力等條件模型的情況下，進行勻速運動、勻變速運動等運動過程.我們用模型的建構思想，豐富了學生對運動多樣性的認識，形成了知識體系.

1.2 有助于解釋物質現象和過程

“證據、模型和解釋”被認為是統一的科學概念與過程，其中，證據指的是對事實或飾演的觀察結果，但這僅是對物質現象和過程的一種描述;解釋指的是把現有的科學知識和新的證據組合成具有內在一致性的、符合邏輯的說明;模型則是利用證據來進行科學解釋的一種工具，它能將已有知識與新的證據聯系起來.例如，光電效應現象，與經典電磁理論矛盾，愛因斯坦則利用光的波粒二象性模型做出了完美的解釋.學生可以自主構建模型來進行探究學習，也可以直接使用科學家們已經研究成熟的模型進行科學解釋.

1.3 有助于預測和控制

模型反映事物某一方面的本質屬性，能夠用于解決同一類問題，在面對新情境時，可以通過模型把握住問題的共性和本質，就能對新情境中可能出現的結果進行預測，指明進一步研究的方向，或者采取有效的措施促進現象向預設的方向發展或控制現象的發生發展.例如，用一個經典故事來說什么叫模型，模型就是火車時刻表，有了時刻表才知道火車是否晚點，如果沒有時刻表這樣的東西，鐵路員工和乘客將無所遵循.可以說物理模型提供給人們一種解決物理問題的方法或者方向，利用建立的物理模型來實現研究者或學習者有目的地解決問題.

物理模型的建立是一個創新的過程，學生在學習物理模型的過程中，需要通過分析和抽象，抓住事物的關鍵要素，加深對概念、過程和系統的理解，形成系統思維，這是一個培養學生創新性思維的過程，因此，發展學生的模型建構思維方式也是重要的教學目標之一.

2 發展學生模型建構思維的教學思路

高中階段的模型建構思維表現在能夠分析模型所涉及的各個要素及其結構，使用模型解釋物理現象和過程，闡明物理概念和原理，在真實的情境中具有構建模型的意識和能力等.因此，可以基于實際問題解決的思路來設計促進學生模型建構思維發展的教學.即從實際情景中抽象出物理問題，再以物理方法和工具進行研究，并將研究結論用來解決實際問題，這個過程可以概括為“實際問題→物理問題→物理解決方案→實際解決方案”.在這個過程中，所提出的物理解決方案，則常是以物理模型的形式表現出來的;實際解決方案，則是模型的拓展應用，用來解決起初提出的實際問題.基于這個思路，為了在課堂教學實踐中更易于把握模型建構過程的階段性，明確各階段模型建構教學的目標，我們將課堂實踐中模型建構教學的過程分為四個階段，即描述階段、建立階段、修正階段和應用拓展階段，如圖1所示.

2.1 描述階段

模型建構過程是依托于具體的問題情境，因此，教學中首先給學生提供真實的問題情境，讓學生根據已有的知識和經驗，建構起對當前情境的理解，并將自己的這種理解表達出來.這就是建立模型前的準備，即描述清楚情境和問題，以及研究的方向.

例如，質點是高中物理學習的第一個物理模型，在教學時，教師常會采用火車過橋的情境，一列火車在鐵軌上行駛，如何描述它的運動情況呢？在描述階段，學生就要依據所遇到的問題，結合已有的認知，嘗試用一些合適的模型對研究的問題進行描述.學生雖然不清楚火車的具體傳動結構，但他們知道這些結構是復雜的，其運動也是復雜的，就是外在表現出來的車輪的運動也是復雜的，要準確詳細地描述其所有部件的運動情況就很難做到了.這就要仔細確認所遇到的問題，以及我們想研究的主要問題，比如是關心車輪的轉動，還是列車整體的運動？如果我們只關心列車整體的運動時，就可以認為列車上的運動情況完全相同，選擇用車上面的一個點的運動來表示列車的運動.這樣就初步確立了建立“質點”模型的思路.

2.2 建立階段

基于現象的觀察和分析，在描述中預設了一些能描述現象的參數、條件或關系.在建立模型的階段，就要進一步分析問題情境中的組成部分和各部分之間的關系，包括確定研究對象、建立描述研究對象的狀態或過程的變量、探究將各變量建立聯系的規律，并且要反復比較預測和實際情境的差異，提煉模型，同時建立起此模型的適用范圍.例如，簡諧運動是一個典型的運動模型，它建立在對彈簧振子運動的描述基礎上，如圖2所示的彈簧振子的頻閃照片，兩個坐標軸分別代表了時間t和小球的位移x，它反映了小球在平衡位置附近往復運動過程中的位移隨時間變化的關系，可以看作是小球運動的位移-時間圖象，由圖可以看出，小球運動時的位移與時間的關系很像正弦函數的關系，這個函數關系，即是我們預設的運動模型中參數間的關系.

2.3 修正階段

在修正階段，可以利用不同實驗或評價方法來檢驗模型的內在一致性;也可以利用建立的模型解釋新的實證.在此過程中，模型若能夠表現出持續一致的有效性，該模型被驗證為正確;若存在一定的問題，就要修改參數及其關系.一旦模型被驗證，模型就是一致的，模型應用可回應建模的目的，對問題進行解釋.模型是在一定目的的前提下，利用理想化等方法建立的，具有自身的局限性，這一點可以在修正過程中明確模型的適用范圍.例如，在建立單擺簡諧運動模型的過程中，我們進行了小角度的近似處理，也就是偏角很小的情況下，擺球對于平衡位置的位移x的大小，與擺角θ所對應的弧長、θ角所對應的弦都近似相等，才可以推導出擺球受到的回復力與它偏離平衡位置的位移成正比，方向總是指向平衡位置，因此單擺作為簡諧運動的模型，要用實際擺球的運動進行檢驗，以確定理想化條件是否合理.

2.4 應用拓展階段

在應用拓展階段，利用模型對現象或事實進行解釋和辨別，或者利用建立的模型來解釋新情境或復雜情境，甚至在已建立模型基礎上進行延伸，再建構一個新的模型，這樣就使模型得到了延伸和拓展，這樣也就能通過建構不同的物理模型研究綜合性的實際問題.例如，用圓周運動的模型分析天體運動，用磁感線、勻強磁場等模型分析磁場和電磁感應問題.

建模的這四個階段在每個模型建構教學的實例中未必會界限分明地出現，有的建模過程簡單、有的復雜，建模的幾個階段有可能重疊在一起，但其整體的思維過程是一致的.

3 促進學生建構模型思維發展的教學案例——自由落體運動

3.1 基于模型建構教學的學習目標分析

教材在“勻變速直線運動的研究”一章中，前幾節學習了勻變速直線運動的速度與時間、位移與時間、速度與位移的關系，即描述勻變速運動的幾個物理量遵循的規律.“自由落體運動”作為一個典型的運動實例，由學生利用勻變速直線運動的規律進行研究.要研究自由落體運動，首先就要在復雜的落體運動中，建立自由落體運動的模型，因此，本節學習內容中的一個很重要的學習目標，就是引領學生學會將實際的落體運動抽象出自由落體運動這個理想模型，體會建構模型的思維過程，促進學生模型建構能力的發展.教學過程設計見表1.

3.2 教學過程設計

描述階段情景1：觀察生活中常見的落體運動（視頻和演示）.紙片的下落、樹葉從枝頭的下落、粉筆頭的下落、小石子的下落

問題1：生活中這些常見的運動，有什么相同或不同的特點？下落過程有什么規律？

學生活動1：落紙實驗.讓兩個相同的紙片下落，觀察下落情況是否相同，進一步思考問題1情景1給學生提供了一個真實的情景，把生活中常見落體運動在這里集中展示，把學生思考的方向聚焦在落體運動上.在這個基礎上通過問題1由學生歸納其共性，都是從靜止開始下落的運動，其特點除了初速度為零之外，就是下落，下落過程的規律性則看不出共同的特點;同時也通過這個問題，啟發學生明確要研究的物理問題是物體下落的運動.活動1中，學生的操作不同，兩個紙片的運動則會出現不同的結果.在學生明確了研究問題為落體運動的基礎上，再次感受實際問題的復雜性，體會建立理想模型的必要性

建立階段問題2：下落過程的復雜性是由什么原因造成的？物體下落的快慢與什么因素有關？

問題3：如果簡化處理，物體只受重力，物體下落的快慢與物體受到的重力是否有關？

初步建立模型：自由落體運動問題2是針對運動的復雜性，分析導致運動復雜性的原因，從復雜的問題中抽象出要研究的物理問題.問題3的分析，讓學生認識到，建立模型要依據研究的問題，分析簡化處理的方式，也就是分析建立模型的條件.同時，這個問題也是建立自由落體模型的核心問題.在分析這幾個問題之后，實際上已經有了初步的模型，并且利用這個模型可以解釋所觀察得到的現象或事實

修正階段演示：牛頓管實驗第一次：管內有空氣時，觀察管內羽毛和小金屬片的下落情況

第二次：將管內空氣抽出去，再次觀察管內羽毛和小金屬片的下落情況

情景2：月球上的落體運動（視頻）自由落體這個模型是否正確需要去檢驗.牛頓管的對比實驗，就起到檢驗的作用.這個對比實驗，所對比的是要簡化的條件，通過實驗現象的對比分析來判斷處理的是否合適、是否正確，也就是驗證所預設的模型條件.如果現象與建立的模型一致，則可以說是建立了合理的物理模型.通過牛頓管的演示實驗，驗證了沒有空氣阻力、只受重力作用時物體下落的快慢是一樣的，與物體所受重力大小無關.情景2展示月球上的落體運動視頻，在月球上羽毛和錘子的同時落地，既增加了實驗普適性的驗證，又進一步明確了模型的條件

應用拓展階段學生活動2：能否讓小紙片和粉筆頭的下落情況基本相同呢？試一試，說明依據活動2是模型的應用拓展過程，讓學生嘗試設計方案使紙片和粉筆頭下落情況相同，就是要利用模型來解釋現象以及預測、控制結果.學生通過分析，想到當空氣阻力和重力（次要因素和主要因素）相比可以忽略時，實際的落體運動就可以抽象成物理理想模型，這樣就可以實現同時落地.當捏緊的小紙團和粉筆頭同時落地的現象呈現在學生面前的時候，也就表明了學生對利用模型有了進一步的認識.這個活動既有建模條件理解的目的，也有將模型再次回歸到實際解釋問題的目的，同時對近似條件的處理，也更拓展了模型的應用價值

中學物理教學中，很多內容都能以物理模型為基礎進行學習，也就是說物理模型教學滲透在物理概念的形成、物理規律的掌握和物理問題的解決等各種學習過程中.在進行物理模型建構教學中可以考慮利用原始物理問題，為學生提供建模情景，利用實驗演示創設物理情境，為學生提供建模支持，利用物理模型整合教學內容，促進學生模型思維能力的發展.

參考文獻：

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