基于模型轉變的高中物理靜電教學例析

摘 要：高中物理教學的核心是建立結構化的模型。學生思考問題時建立的心智模型與物理模型之間存在著明顯區別，引導學生將心智模型轉變為物理模型有助于發展學生的科學推理、科學論證、批判反思等能力。為解決高中物理靜電教學中存在的教師對課堂教學節奏把握不佳等問題，教師應實施基于模型轉變的教學，通過創設情境引導學生建立心智模型，讓學生通過推理、預測、驗證，不斷修正模型，進而將心智模型轉變為物理模型，從而掌握物理知識，能夠運用物理知識解決實際問題。

關鍵詞：心智模型；物理模型；模型轉變；高中物理；靜電教學

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）17-0131-04

約翰遜·萊爾德以皮亞杰的建構主義理論為基礎，提出建構“心智模型”的觀點，研究學習者思維的表征、推理和轉變過程；在此基礎上，海斯特斯結合學習科學、科學史與科學哲學、認知心理學、語言學、神經科學、空間感知心理學等提出“建模理論”，認為物理建模教學的目的是生成心智模型，并經由科學推理、解釋與檢驗轉變為物理模型［1］。本研究融合上述觀點，提出基于模型轉變的物理教學方式：學生在教師設置的問題情境下，形成心智模型，進行科學推理、科學論證、批判反思，促使心智模型轉變為物理模型。

一、高中物理靜電教學困難與模型轉變教學優勢

（一）高中物理靜電教學存在困難

高中物理靜電教學困難，歸納起來就是教師難以控制“放”和“收”的度。一部分教師演示大量實驗、開展手工制作活動，放任學生在課堂上嬉笑玩鬧，難以控制課堂節奏，只得草草收場；與此相反，一部分教師傾向于盡快引出物理學原理，無視學生的相異觀點，采用歸納的方式直接得出結論，這樣做貌似提高了效率，事實上學生對物理知識的理解缺乏深度。

造成這些教學現象的原因有二。一是教學目的存在偏差，部分教師的關注點只落在問題解決，對建立模型過程中學生的思維發展缺乏重視與深刻理解。二是部分教師受經驗主義觀念的影響，將科學知識當作線性積累的、客觀不變的真理，進而忽視科學發展中的波折與爭論，試圖引導學生根據經驗機械地推導出結論，使教學變了味道。

（二）將模型轉變運用于物理教學的優勢

心智模型指的是問題情境在人們頭腦中被認知和概念化后所產生的真實或想象情境的心理描述。物理模型是物理知識結構化的呈現形式。物理教學中模型轉變的目標是使心智模型轉變為物理模型，通過討論、理解、評估他人的模型，或是通過檢驗呈現的模型來進一步了解我們的心智模式是否能讓我們進一步去理解、描述、解釋和預測現象或事件。若是符合，則模型將會被強化，模型即可以被使用；若必須否定模型時，則模型必須改變，此時需要修正模型或是拒絕模型，從而構建一個新的模型。

建模理論認為，科學知識的發展是一個不斷生成模型與修正模型的過程。物理教學可以看作重演發現科學知識的過程，學生使用他們已有的知識去整合新的信息，進而拓展他們的知識。在整合過程中，來自現象觀察、直接經驗，或是許多表征的交互作用經由心智的運作建立得到心智模型，然后通過推理、預測、檢驗和解釋，使心智模型轉變為物理模型。可見，物理教學的思維目標是模型轉變，模型轉變有利于理解科學發展的過程。基于模型轉變開展高中物理教學符合學生認識新知識、完善知識體系的規律，教師不應只關注問題的解決而忽略了建模過程的教學。

二、基于模型轉變的靜電教學路徑

哈倫提出的建模過程分為五個步驟：模型選擇、模型建立、模型驗證、模型分析與模型應用［2］。與科學發展的過程類似，物理教學也是通過提出心智模型、檢驗心智模型的過程來實現教學目標。

分析“心智模型建模”與“物理模型建模”兩種過程可知，建模的途徑是先創設情境促進學生建立心智模型，然后在與證據的交互作用中豐富、轉變模型，以達到建構物理模型的目標。基于此，教師設定物理教學模型轉變路徑如下：創設情境建立心智模型—基于心智模型進行推理—預測與檢驗心智模型—評估、分析并轉變為物理模型—應用與解釋物理模型。下面以“靜電的防止與利用”教學為例進行具體闡述。

通過本節課的學習，學生應理解靜電平衡狀態的形成過程，知道處于靜電平衡的導體內部電場強度處處為零；了解尖端放電、靜電屏蔽現象，了解靜電防止的原理；知道靜電吸附原理，了解靜電吸附在靜電除塵等技術中的應用；關注生活、生產中的靜電現象，體會物理學與生產、生活的緊密聯系。本節課包含靜電平衡、尖端放電、靜電屏蔽、靜電吸附等四個方面的內容。

（一）創設情境建立心智模型

首先，教師展示電容器萊頓瓶，通過摩擦起電的方式產生靜電，連接電容器儲存電荷，然后讓學生體驗電容器放電帶來的觸電感，引導學生觀察電容器兩極板用導線連接時的放電現象，深化學生對電容器放電的認識。學生得出結論：可以通過放電或者中和的方式減少靜電的傷害。

本實驗設計模擬教材介紹的生活中脫毛衣時產生靜電的過程，有利于增加學生的感性認識，調動學生認真觀察與思考物理現象。

接下來，教師介紹“法拉第籠”。教師提出問題：在籠外高壓放出電火花的情況下，你是否敢待在鐵籠中？學生都認為此時待在籠中不可能安然無恙。

考慮到學生沒有相關的生活經驗，不容易建立靜電感應的心智模型，教師于是創設具有強烈的認知沖突與探究樂趣的問題情境。

（二）基于心智模型進行推理

結合“法拉第籠”，引導學生溯因：探究金屬導體在電場中電荷的移動。為了描述學生的心智模型，請學生在黑板上用不同顏色的磁鐵代表正負電荷，描述電荷的受力與運動過程（如圖1所示）。引導學生思考問題：電荷會一直運動下去嗎？在哪里聚集？會產生什么現象？

通過歸納電荷的受力和運動特點，可以得出感應電荷聚集的位置，推斷出感應電荷產生的附加電場的方向，與外電場疊加以后，合場強會逐漸變弱直至為0，最終演繹出靜電平衡的模型。

（三）預測與檢驗心智模型

科學家非常重視預測。赫茲認為，我們對自然的認識最重要的問題是對未來的預測，以便根據預測來設計檢驗方案。拉卡托斯認為，一個理論是否具有競爭力，最重要的依據是其是否具有更強的預測力，能夠預測到更多現象的理論才能在競爭中“適者生存”。在模型轉變教學中，學生在熟悉模型結構和推理的基礎上做出預測，設計定量測量程序，比較模型與數據。當數據與預測相符時，學生更加堅定自己的想法，而構建了錯誤模型的學生大多接受了不相容模型的正確性，開始改變原有模型。

在靜電平衡教學中，教師引導學生預測：在靜電平衡的情況下，電荷最終會如何分布？會出現怎樣的現象？如果金屬形狀不規則，電荷將如何分布？學生預測后，教師引導學生分組實驗（靜電屏蔽實驗裝置如圖2所示）。

實驗一：驗證導體內部場強為零。實驗現象：籠內驗電器金屬箔片不張開。

實驗二：驗證電荷分布在外表面。實驗現象：籠外驗電器金屬箔片張開。

實驗三：驗證尖端電荷更密。實驗現象：尖端驗電羽張角較大（如下頁圖3所示）。

（四）評估與分析心智模型，將其轉變為物理模型

本研究構建了建模能力分析量表（如表1所示），采用半結構式訪談法和錄制視頻回放分析法，考查學生在面對實驗現象時心智模型的特點和心智模型向物理模型轉變的情況，通過繪制模型圖、預測與檢驗、分析、交流與論證等方式，繪制學生動態建模過程的完整圖景。

表1 建模能力分析量表

[測評層次 具體表現 水平1

經驗觀察 直覺回答 沒有觀察到相關現象，也無法回答出相關且正確的因素 關注實體 觀察到具體現象，但無法回答出相關且正確的因素 水平2

解釋規則 單一因素 回答出一種與理論相關的因素 多重因素 回答出兩種及以上與理論相關的因素，但沒有涉及因素之間的關系 水平3

因果關系 交互關系 注意到多種因素，而且試圖聯系各種因素，形成交互關系，但沒有運用理論術語和規則 延伸關系 注意到多種因素，而且試圖聯系各種因素，形成交互關系，各交互關系形成某種抽象的數學表達形式 水平4

理論系統 科學理論 注意到多種因素，而且試圖聯系各種因素，形成交互關系，同時運用多種抽象形式的理論術語和推理方式 ]

教學活動的高潮是請各小組報告和討論檢驗的結果，學生可以在分析與評價的過程中獲得整體經驗。模型轉變需要達到兩個重要目標：一是促進對物理模型結構化和客觀性的理解，二是讓學生的物理直覺與科學觀念一致。

學生最后整合出靜電平衡的物理模型：凈電荷分布在金屬外表面，金屬內部沒有凈電荷且場強處處為零，在金屬外表面尖端的電荷分布更密。

在討論之后觀看“法拉第籠”視頻：雖然籠外電壓很高，但是籠內的人安然無恙。學生結合“法拉第籠”實驗，分析防靜電包裝袋、電腦主機箱、信號線等物品中蘊含的物理原理，明確外電場不會對殼內的儀器產生影響，順勢引出靜電屏蔽的概念。

（五）應用與解釋物理模型

基于模型轉變的高中物理課堂的最后一個環節，可以讓學生運用轉變后的物理模型解決實際問題，從而加深學生對模型的理解。

教師演示靜電馬達實驗：將杯子底部釘上圖釘放在支架上做成馬達，兩側的絕緣柱貼上鋸齒狀的金屬箔片，讓箔片與起電機相連。揺動起電機，仔細觀察，馬達旋轉起來了（靜電馬達裝置如圖4所示）。是什么驅動馬達旋轉起來呢？

教師提供三種不同材質的馬達給學生探索：金屬杯、貼鋁箔條的塑料杯以及普通塑料杯。學生發現金屬杯兩邊劇烈搖晃而不轉動，教師引導學生解釋實驗現象：金屬杯在外電場中產生感應電荷，靠近電極兩側的圓弧部分受到徑向的電場力，兩側受到的引力會平衡，使金屬杯子幾乎不轉動。貼鋁箔條的塑料杯與不貼鋁箔條的塑料杯效果相同，都可以順利轉動，這是什么原因？之前已經發現導體表面越尖銳位置處電荷密度越大，如果在尖端附近產生的電場足夠強，會產生怎樣的現象？在強電場作用下，物體越尖銳位置處附近電荷密度大，電場強度劇增，致使這里的空氣被電離而產生氣體放電現象，被電離的空氣正、負離子與尖端附近電性相同的空氣離子被排斥而飛向遠方，形成的“電風”足以吹滅蠟燭（“電風”吹蠟燭實驗裝置如圖5所示）。用風來解釋靜電馬達的旋轉，可以使放電的過程可視化，從而解釋靜電馬達的旋轉。

學生觀察自制靜電除塵器（靜電除塵器裝置如圖6所示），用塑料瓶作為煙囪，鋸條作為尖端放電的一極，貼在瓶子內壁的鋁箔片作為吸塵的另一極，將感應起電機的正極連接鋁箔片，負極連接鋸條，艾條燃燒產生煙霧，轉動感應起電機，可以看見明顯的吸附除塵現象。教師引導學生用尖端放電來解釋靜電除塵器的原理：負極（鋸條）處的電荷聚集較多，電場較大，容易吸附附近的空氣分子并將其電離為正離子和電子，正離子吸附在負極，電子使煙塵帶負電，煙塵在靜電力的作用下會運動到正極的金屬片上被吸附。

教師引導學生討論生活中尖端放電與靜電吸附的應用，展示避雷針、燃氣灶電子點火器、靜電復印等素材，讓學生課后觀察、思考這些儀器的原理。

模型轉變作為科學思維的重要內容，能有效優化物理教學，對發展學生的思維能力有重要的作用，但是目前針對基于模型轉變、融合核心素養培養的教學模式的研究仍有待進一步深入。

參考文獻

［1］HESTENES D.Toward A Modeling Theory of Physics Instruction［J］.American Journal of Physics， 1987，55（5）：440-454.

［2］姜連國，郭玉英.基于物理建模的學習進階及其指導策略［J］.物理教師，2016（8）：5.

［3］翟小銘，郭玉英，項宇軒.物理建模教學例析：以“靜電現象的應用”教學為例［J］.物理教師，2015（7）：5.

［4］翟小銘，郭玉英.科學建模能力評述：內涵，模型及測評［J］.教育學報，2015（6）：9.

［5］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

注：本文系廣西教育科學“十四五”規劃2023年度自籌經費一般課題“‘三新’背景下物理科學思維培養的研究”（2023C437）的研究成果。

（責編 劉小瑗）