新課標背景下物理模型法在初中物理教學中的應用研究

宋佳欣，崔虹云

(佳木斯大學理學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

當今世界，各個領域的建設飛速發展。其中，教育教學知識的更新速度超乎異常，伴隨著新發展、新事物的產生，新知識極速盛產，社會競爭愈加激烈。放眼觀之，物理知識多數通過物理模型的方式呈現。在新課改的推動下，義務教育對初中物理教學的水平和層次提出了更高的要求，著重關注在物理教學的有效性上，期望能夠通過教學方法的改進，提升物理課堂質量和效率[1]。物理模型法以其“直觀化、理想化、抽象化、簡化問題”[2]等特點，在教學過程中，如何使學生學會利用物理模型法掌握物理知識，培養其物理建模能力和抽象概括能力，是教育者著重實行的教育內容。在建模過程中，將理論與實際有效結合，提出并分析解決問題，加強學生物理學習能力，為學生后續學習新知打下建模思維基礎。

1 物理模型法的相關理論

1.1 物理模型的概念及分類

根據國內外學者已發表的文獻和研究成果，目前對物理模型的定義頗多。綜合來看，在新課標的背景下，物理模型可以理解為：根據研究的問題和內容，在一定條件下，抓住最具其本質特征的圖象，從多維的具體圖象中，建立起一個便于研究、突出本質的新圖象，也是為了便于研究物理問題、探討研究對象本質，科學抽象地對研究對象進行的一種簡化描述和模擬[3]。

關于物理模型的分類，至今沒有具體統一的分類標準，對物理模型的分類也存在著理解差異，但大致思想方向相同。如若按模型教學功能分為對象模型、過程模型、條件模型、數學模型；按模型表征方式可分為具體模型、語言模型等；按模型設計思想可分為理想化模型、探索性物理模型[4]。理想化模型作為中學物理教學中常用的基礎模型，在解決實際物理問題中應用效果顯著。本文中主要以理想化物理模型進行相應的教學設計，有利于培養學生建模思維能力和應用模型分析、解決問題的能力。

1.2.物理模型法教學的含義及作用

所謂物理模型法教學，是指建立符合要求模型的教學和應用模型解決實際問題的教學，也指為了抓住研究對象的主要因素，化繁為簡，能夠清晰地反映出其本質特性而建立起來的科學、抽象模型的教學[5]。在初中物理教學中，建立物理模型不僅僅局限于將實際問題簡捷化，這種建模思想在物理研究的整個框架結構中具有舉足輕重的作用。因此，采用物理模型法教學，有利于學生加深對物理概念、規律等的理解，樹立嚴謹清晰的科學邏輯思維，將復雜抽象問題簡易化，明確問題的實質，對學生各方面能力的提升具有一定程度的積極作用。而如何正確有效地引導學生建立物理模型，形成科學建模思想并應用物理模型解決問題，促進學生物理學習能力以及對事物的正確獨判能力，是現階段教育教學工作者需要加強關注力度去踐行和反思的主要教學培養義務。

2 物理模型法在初中物理教學中的應用策略

對于初中階段的學生而言，學生的思維形式大多還處于形象思維向抽象思維的過度階段，教師應以學生為主體，抓住初中生的年齡特點與性格特征，嚴格遵循初中學生的認知發展規律，從簡單明顯的物理現象出發，使其對物理建模形成一個感性的認識。利用學生對事物的好奇心，本著貼近學生生活、現象明顯的原則，盡量選取能夠激發學生求知欲，與理論知識緊密相連的生活經驗內容，創設具體問題情境，引導學生建構對應物理模型，利用模型解決實際問題，讓物理建模思想在學生頭腦中根深蒂固，形成反應機制，幫助學生物理學習，提高學生學習積極性。

2.1 課前聯系日常生活，幫助學生引入物理模型建構思想

物理源于生活，也用于生活。物理學以“物質及其基本結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律以及所使用的實驗手段和思維方法”作為研究內容，是一門基礎自然科學。因此，物理學科的學習，需要學生擁有理性思維，進行邏輯推理，尤其需要學生具備豐富的空間想象力[6]。學生在物理學習之前，根據實際生活環境，對某些物理觀念及物理現象的理解有了初步的印象認識，但并不全面，缺乏一定的準確性。教師在課前準備時，除嚴格分析教材內容外，以學生的角度，聯系學生大多一致的印象共同點，找出與物理建模緊密相關的生活素材，進行歸納整理，根據整理內容，分析得出最能夠被學生接受理解，適合作為課題舉例的生活素材，讓學生在心理上能夠明確一個方向，正確引入物理模型建構思想，有效合理地制定相關的教學計劃和教學內容。

2.2 創設物理問題情境，促進學生激發建模思維

在情境創設過程中，教師要實事求是，以事實為基礎依據，結合教材課本內容，創設出利于學生建構物理模型的情境，以便學生靈活分析具體物理問題，激發模型建構思想。例如，在“凝華”的教學中，教師可選取學生日常生活中熟悉的物理現象，如以“窗花”這一生活實例，創設“霜的形成”的問題情境，調動學生的好奇心，引導學生提取自我認知中的生活經驗，提出自己的猜想，形成可類比的情境，引導學生的思維焦點從現象轉向本質，為“凝華”的概念建模打下基礎，有助于后期學習任務的完成。

2.3 抓住問題本質，引導學生建立基本的物理模型

利用物理建模解決實際問題的方法以及正確應用模型的過程，是一種嚴密的思維方法和科學方式。為明確研究問題的主要矛盾，需合理取舍次要因素，抓住主要因素和必要因素，排除其他因素對建模過程的影響[7]，從而讓學生對研究對象的本質規律有更為清晰直觀的認識。抓住問題本質，學會如何取舍主次因素，做出正確對應的抽象，是物理建模的關鍵所在。

在構造物理模型和分析運用的過程中，教師作為引導者，需要正確引領學生明確以上要求，促進學生抽象思維能力的發展，鍛煉學生靈活分析問題的能力，讓學生更深層次了解物理模型的必要性，以培養學生構建物理模型的能力，從而進一步實現物理模型的基本建立。

2.4 引領學生完善具體模型，應用規律解決實際問題

促進學生對模型建構的理解，是物理模型法教學的核心，也是應用物理模型解決實際問題的基礎。教師在物理建模的過程中，需引導學生深入剖析物理問題，對抽象所得的物理模型與相似模型作出正確判斷及修正。通過分析完善具體模型，拓展學生思維空間及方式，從物理本質出發，探究其中所蘊含的物理規律及其與模型的內在聯系，學以致用。利用問題變式，克服思維定勢，培養學生靈活應變的邏輯思維，將學到的模型進行遷移應用，使學生能夠發現問題、探尋規律，通過對問題抽象、理想化處理、構建對應的物理模型，提高學生問題解決能力和創新能力。

3 應用物理模型法的初中物理教學設計

在初中物理教學中，應用物理模型法有很多難點突破困難，主要原因是由于學生沒有構建出一個符合問題解決的物理模型。對于初中生，學生們此時物理邏輯思維正處于培養塑成階段，對物理研究對象本質理解在頭腦中沒有準確清晰的物理模型作為支撐，僅限于在生活中對物理現象的模糊認識。采用物理模型法教學，教師引導學生研究物理問題、情境等，運用簡化、抽象等方法，將研究對象的本質抽象得出并深度理解，構建合適的物理模型，解決實際問題。下面以《杠桿》部分內容的教學為例，深度探究物理模型法在初中物理教學應用。

3.1 內容分析

“杠桿”是人教版初中物理八年級下冊“簡單機械”章節中第一節的內容，也是初中物理教學重難點之一。杠桿作為最基本的簡單機械，生活中隨處可見其應用實例。在教學中，采用物理模型法，引導學生從生活轉到物理，將生活中的杠桿抽象模型化，總結共性，作圖觀察，了解杠桿五要素，加深學生對杠桿的認識和理解。

3.2 學情分析

該階段的學生正處于經驗思維轉向理論思維的過程，在杠桿這節內容的學習中，學生難免仍習慣借助于自我經驗認知去理解學習，影響學生的物理建模，干擾對杠桿的正確認識。

3.3 教學思路設計

杠桿作為一個典型的理性化模型，即無論大小形狀，只要是可以受力，繞著固定點轉動的硬棒，都可視為杠桿。在生活中，杠桿的應用隨處可見，如桿秤、指甲刀等工具的應用。教師將生活中“杠桿”實例作為課堂導入，設計實驗。學生親身體驗，觀察分析，由教師引領學生將其抽象化為具體的杠桿模型，加深學習印象，進一步解決實際難題。杠桿模型建構過程如圖1。

圖1 杠桿模型建構過程

在課堂開始前，教師展示生活中有關杠桿應用實例圖，如撬石頭、筷子夾物等，引導學生觀察這些工具在使用時有何共同特征。聯系生活實例導入課堂，能夠減輕學生對學習物理新知的畏難心理，體現“從生活走向物理，從物理走向社會”的教育理念，感受物理之美。教師組織學生使用羊角錘拔釘子，學生親身體驗，隨后引入杠桿和支點的基本概念，展開課堂教學。通過類比，以圖2 中的木棒進行分析，為引入杠桿模型作鋪墊。

圖2 撬石圖例[8]

教師引導學生對木棒的受力分析，向學生提出問題：在撬石頭的過程中，有哪些力作用？哪個力使木棒轉動，哪個力阻礙木棒轉動？學生積極討論回答，從而引出動力F1、動力臂l1、阻力F2、阻力臂l2的含義。在學生觀察分析的基礎上，教師總結杠桿五要素內容，繼續引導學生結合生活經驗，將實際工具抽象成杠桿模型，分析主次因素，提煉木棒的主觀表象本質特征，將木棒的問題研究簡易化處理，排查如木棒的粗細程度、支點受到的摩擦等其他因素，在整個建模過程中，這些因素對建模過程幾乎沒有誤差影響，所以可進行忽略，從而進行初步的模型建構，由圖2 中的“木棒”提取簡化并抽象得出杠桿模型如圖3 所示。

圖3 杠桿模型

教師引導學生建立具體杠桿模型，使杠桿模型的理解在頭腦中存有初步印象，為其他杠桿教學內容的學習奠定基礎。教師指導學生練習杠桿五要素作圖，加深學生對杠桿的理解認識。學生已經對杠桿五要素含義有所掌握，此時再由教師引導學生思考：若要使杠桿達到平衡狀態，其中的動力、動力臂、阻力、阻力臂之間是否存在一定的規律？師生共同探究，提出猜想，設計并進行探究實驗。開闊思路，分析并利用建構杠桿模型過程中的主次因素，探究因果本質，能夠讓學生對杠桿五要素的理解在學習過程中形成逐次進階的物理過程。通過對杠桿平衡條件的探究，得到具體實驗數據，分析得出實驗結論即杠桿的平衡條件：F1l1=F2l2。

在課堂學習結束后，學生若遇到關于杠桿的探究難題，仍可嘗試在頭腦中提取出對應模型來解決實際問題，在解題過程中，逐漸提升學生物理模型建構的能力。

4 結語

在初中階段，學生的抽象思維由經驗思維發展轉變，具體表現為抽象能力較弱，理解物理知識相對困難。采用物理模型法教學，能夠讓學生形成基本的建模意識，幫助學生理解抽象難懂的物理知識，清晰物理問題、規律等研究的形成過程。根據初中階段學生的認知發展規律、思維方式及特點，循序漸漸，將培養學生的物理抽象思維能力和物理模型建構能力貫穿于整個物理課堂教學中，充分發揮教師自身引導者的功能，促進學生對模型建構與物理知識的深度理解，豐富拓展自身整體的系統建模構架，為之后更高層次的物理學習奠定夯實基礎。