立足新教材開展建模教學策略探討
——以高中物理必修2“拋體運動”為例

劉姝芳 許桂清 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

建模教學是一種科學和數學學科的探究教學模式，是一種引導學生參與建立、檢驗與應用自然規律概念模型的教學活動[1].在最新頒布的普通高中物理課程標準中，模型建構是科學思維的重要組成部分.建構模型是一種重要的科學思維方法，教師在教學中要讓學生體會建構這些物理模型的思維方法，理解物理模型的使用條件，能通過建構物理模型來研究實際問題[2].在新版高中教材中，呈現了許多能夠進行建模教學的教學素材，下面筆者結合新教材探討如何立足教材開展物理建模教學.

2 立足物理新教材開展建模教學的策略

2.1 源于教材的物理建模教學流程

經認真研究發現，重視物理建模教學，是新版粵教版高中物理教材的特色之一，通過總結歸納，筆者以粵教版高中物理必修2為例，進一步梳理出新版高中物理教材所呈現的一般性的物理建模教學流程如圖1所示.

圖1 立足教材開展物理建模教學流程

從上述流程可以看到，高中物理教材中所設計的建模教學，首先都從創設情境問題切入.進一步分析新教材所創設的情境，筆者發現教材中建構物理模型的素材主要來源于物理實驗、生活現象和工業化生產3類情境，并且以生活和生產情境為主，啟發師生物理建模的目的之一就是解決實際問題.筆者也發現，新教材提出的建模教學，大致可以劃分為創設情境、建立模型、完善模型、模型拓展4個環節，為師生開展物理建模提供了較好的腳手架.下面以粵教版高中物理必修2中“拋體運動”為例，具體探討各個建模教學環節相應的教學策略.

2.2 基于教材的物理建模教學策略探討

2.2.1 善用教材挖掘問題

問題是學習知識的起點，當學生有了問題意識之后才有可能調動自己的內在驅動力主動獲取知識，尋找問題的答案.新教材設置了具象的導入情境，作為教師則需要幫助學生從情境中挖掘出值得探索的物理問題.例如，在新教材平拋運動這節內容中，教師展示教材呈現的一個簡單的演示實驗引入新課：沿水平方向扔出一塊橡皮.緊接著教師可以拋出3個問題，橡皮的運動軌跡是怎樣的？橡皮的運動是否有規律？如果有，又該如何建立物理模型探究橡皮的運動規律呢？上述3個問題，引導學生從看似簡單的一個演示實驗入手，逐步走向物理建模的思維深化過程.

提出物理建模任務后，還需要通過師生對話的方式，引導學生將注意力放在已有知識和現有問題之間的聯系上，幫助他們超越自己目前的知識水平到達最近發展區.而師生對話的關鍵，仍然是在教材基礎上，設計系列針對性的引導性問題.

例如，在這里可以提示學生聯系我們之前學習過的知識，引導學生通過受力分析得知，忽略空氣阻力的話，橡皮僅受到重力作用.接著再啟發學生思考：僅在重力作用下的物體會做什么運動？學生自然就能想到必修1中學到的自由落體運動.進一步追問學生：這里橡皮的運動是自由落體運動么？引發學生認知沖突后，提示學生：這兩者有怎樣的聯系和區別？如何經由自由落體運動去探究平拋運動的規律？由此充分借助教材的素材，從實際的實驗演示逐步引向物理模型的建構環節.

2.2.2 小組討論建立模型

針對教材中呈現的實際情境提出物理建模的針對性問題后，教師可以將初始建立模型的過程轉化為課堂小組討論任務，給予學生更多的建模體驗.各小組呈現討論的物理模型后，若出現不同意見時可以小組間相互辯論，以此拓展建模的思路；教師在這個環節中在各個小組間巡視，適當提供思考的腳手架，幫助學生解決物理建模過程中遇到的難題.

例如，小組討論后，有些小組的學生聯系教材前面所學內容，大膽建立了平拋運動模型，認為橡皮的平拋運動可以分解為自由落體運動和水平方向的直線運動.他們給出的理由是：在教材的前一節內容運動的合成與分解中就出現了類似的運動，即用小錘擊打彈性金屬片的運動情況分析，從運動的效果上我們可以將此過程分解為兩個同時進行的分運動，一個是在水平方向上的直線運動，另一個是在豎直方向的直線運動.這個大膽的模型猜想在某些組的學生看來有點難以置信，所以接下來教師就可以借此鼓勵小組成員設計實驗去驗證自己所建物理模型的正確性，引導全班學生共同思考：如果該模型成立，如何設計實驗檢驗豎直方向是自由落體運動，水平方向是勻速直線運動？由此逐步引導學生設計出教材中的探究性實驗，促使學生體會物理模型對探究實驗方案設計的指導價值，從而避免了照著教材探究方案機械操作的低層次思維.整個過程就是這樣一步步深入發展下去，教師在這個過程不斷地言語提示，喚醒學生腦海中已有的教材中所學知識內容，同時啟發學生思維，對比聯想建立模型驗證自己的模型猜想.

2.2.3 師生問答完善模型

各小組將建立的模型以圖表或者文字的形式呈現出來后，教師對各組的模型進行點評，建議采用蘇格拉底問答法，比如“你怎么知道的？”“為什么要這么做呢？”“這個模型適用于任何情況么”等，由此引發學生的自我反思，使得學生對物理模型的理解更加深刻.此處需要注意的是，物理模型往往具有適用條件，教師需要通過蘇格拉底式問答，啟發學生對此進行分析與總結.

比如在建構平拋運動模型時，學生類比了前面教材中學過的自由落體運動規律，應用了運動的合成與分解知識，在這里教師需要通過一問一答，引導學生注意明確平拋運動規律的適用條件是：僅在重力作用下的運動且有水平方向的初速度.再如，在教材中呈現了柱形和弧形兩種不同形態的噴泉，這兩種噴泉的不同形態會給學生造成錯誤的物理模型認知，有些學生會認為噴泉之所以會有柱形和弧形兩種形態是水壓大小的原因，水壓大的呈現柱形，水壓小的呈現弧形，出現物理模型建構的混亂.此時，教師可以提出針對性的問題：小水滴到了最高點會怎樣運動？由此啟發學生聯想到教材前面所學的自由落體知識，并反思意識到弧形噴泉并不滿足自由落體的物理模型條件.

2.2.4 提出新問題模型應用

模型應用環節主要是診斷學生是否能夠將所建立的物理新模型遷移到其他情境中加以應用.粵教版新教材十分注重物理模型在實驗、生產、生活中的廣泛應用，列舉呈現了大量的應用實例.教師需要在教材基礎上，針對教材中的應用實例，拋出新問題，啟發學生學會從新情境中識別物理模型并加以應用.

例如，在粵教版必修2“運動的合成與分解”一節課中，教材用一道例題呈現了小船過河的實際情境，以此幫助學生進一步熟悉應用速度和位移合成與分解的相關物理模型.在該過程中，教師可以拋出引導性問題：遇到這一類實際生活情境，應當將實際物體抽象成怎樣的物理模型？選取怎樣的物理過程模型予以解決？又如，粵教版教材在平拋運動一節的討論與交流欄目中，呈現了平拋運動與自由落體運動的頻閃照片.教師可以適時地拋出新問題：如何利用頻閃相片，驗證前面實驗中建構的物理模型，即證明平拋運動豎直方向的運動是自由落體運動，水平方向的運動是勻速直線運動？還如，教材在實踐與拓展欄目中，要求學生利用平拋運動實驗儀得到鋼球做平拋運動的軌跡，教師需要補充提示：如何利用平拋運動模型來指導該實驗，為學生更好地理解實驗方案指明思考的方向，體驗模型指導的價值.

除了教材中已有欄目設置的實際問題外，教師也需要鼓勵學生聯想物理模型在日常生活中的應用，還可以鼓勵學生之間仿照蘇格拉底式的提問方式，針對生活中的各類現象，相互提問并回答加深對物理模型的靈活應用.

3 基于物理實驗和生產生活現象建模教學的異同點分析

需要指出的是，在立足教材開展建模教學的策略中，基于物理實驗和基于生產生活現象的建模教學存在一定的差異.

仔細閱讀教材會發現，新粵教版高中物理教材在基于物理實驗的建模教學中，往往是先從理論上建構物理模型，然后再在物理模型的指引下設計實驗方案，最后通過實驗方案對建構的物理模型進行檢驗.例如，教材中平拋運動中豎直和水平方向分運動的規律探究，即采用了上述建模教學思路.

而基于生產生活現象的建模教學，新粵教版高中物理教材則主要采用從真實的生產生活場景中抓住現象的本質特征，抽取出能夠表征現象本質特征的相關物理要素，然后由物理要素組合形成新的物理模型.例如，教材中關于噴泉現象、傳送帶現象和跳遠現象的物理建模，都采用了類似上述的建模思路.

當然，上述兩種建模教學方式也有相似之處，它們的目的都是讓學生在學習知識的過程中掌握構建物理模型、分析實際問題的方法，都強調引導學生歷經物理建模的過程，深化學生的科學思維；都強調在同伴交流和師生互動環節中，培養實事求是、追求真理的科學態度.

4 總結與展望

上文結合新版高中物理教材提煉了立足新教材開展物理建模教學的一般流程，探討了基于物理實驗和生產生活現象建模教學的異同點.需要指出的是，物理建模教學側重對學生科學思維的培養，雖然新版高中物理教材呈現了良好的建模教學思路，但仍屬于是靜態的直接顯現的教學素材，在實際的建模教學課堂中，仍需要充分發揮物理教師的能動作用.

首先，教師是課堂的組織者，要引導學生針對教材中的建模素材進行針對性的討論，不同個體之間思維的碰撞能創造出不同的建模思路，對于學生的思維發展有極大的作用.

其次，對于教材中不同知識點的建模教學，我們要從學生的認知角度出發，充分利用好學生腦海中的已有知識概念，采取相應的教學策略，通過認知沖突或架橋策略，糾正學生錯誤的前概念，建立起正確的物理模型.

建模過程中師生互動和同學間的交流討論較多，相對于傳統的教學課堂，建模教學顯得生動有趣，更能調動學生的積極性，能夠最大限度地讓每一個學生都參與進來.

展望未來，物理課堂在建模教學中倡導更加開放性的課堂，已有學者研究表明，建構的基于學生心智模型進階的導引式建模教學模式在大班教學中取得了較好的效果，對提高學生興趣和促進靜電學心智模型的進階有積極作用[3]，然而大部分建模教學仍以教師的引導為主.未來物理教師也可以在立足教材的基礎上，大膽去創設適合物理建模教學的開放性的課堂，探索更多元化的物理建模教學策略.