金嵩洲

摘 要：由“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”構(gòu)成的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是當(dāng)下物理教師關(guān)注的熱點(diǎn).模型建構(gòu)是科學(xué)思維的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑.過(guò)程模型是物理模型中具有代表性的一類，在過(guò)程模型的教與學(xué)中，以實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn)實(shí)現(xiàn)知識(shí)重演、以思維為中心實(shí)現(xiàn)模型建構(gòu)、以應(yīng)用為落點(diǎn)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決，有利于學(xué)生真正掌握模型建構(gòu)的方法，提升思維品質(zhì)與學(xué)科素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；模型建構(gòu)；過(guò)程模型

一、引言

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn).物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)維度.[1]4而其中的 “科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑與批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品格.[1]5科學(xué)思維具有四個(gè)要素，即模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新.本文以“等時(shí)圓”模型的教學(xué)為例，探討這一過(guò)程在模型建構(gòu)教學(xué)中，如何進(jìn)行科學(xué)思維的培養(yǎng).

二、過(guò)程模型的建構(gòu)

我們知道，基于物理問(wèn)題的特點(diǎn)，可以將物理模型分為以下四類：對(duì)象模型、條件模型、理論模型和過(guò)程模型，其中的過(guò)程模型是將運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程理想化，分清影響物理過(guò)程的主要因素和次要因素，只保留其中的主要因素，建構(gòu)模型，從而揭示事物運(yùn)動(dòng)、變化的本質(zhì).

（一）以實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn)——從“知識(shí)重現(xiàn)”走向“知識(shí)重演”

楊振寧先生告訴我們：學(xué)科知識(shí)只是形成學(xué)科素養(yǎng)的載體，學(xué)科活動(dòng)才是形成學(xué)科素養(yǎng)的渠道.一切知識(shí)，唯有成為學(xué)生探究與實(shí)踐的對(duì)象時(shí)，其學(xué)習(xí)過(guò)程才有可能成為素養(yǎng)發(fā)展的過(guò)程.因此過(guò)程模型的建構(gòu)應(yīng)以實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn)，展示研究對(duì)象和物理情境，在觀察、實(shí)踐中完成定性感知.

過(guò)程1：等時(shí)的觀察（聽）

教師：今天老師帶來(lái)了一個(gè)裝置（如圖1所示的等時(shí)圓裝置），裝置中三個(gè)固定直軌道位于同一豎直圓內(nèi)，軌道末端交于圓的最低點(diǎn).三軌道上各有一個(gè)相同小球.如果我們將三個(gè)小球同時(shí)從各自軌道頂端靜止釋放，請(qǐng)你仔細(xì)觀察、仔細(xì)聽，小球運(yùn)動(dòng)到軌道底端，用時(shí)孰長(zhǎng)孰短.

（教師和學(xué)生合作完成實(shí)驗(yàn)，其他學(xué)生認(rèn)真觀察（聽），只聽?zhēng)缀跏恰班钡囊宦?，三個(gè)小球都到達(dá)了軌道底端.）

教師：小球的運(yùn)動(dòng)比較快，眼睛可能來(lái)不及捕捉……大家聽到了幾個(gè)聲音？

學(xué)生：一個(gè).

教師：那說(shuō)明？

學(xué)生：三個(gè)小球是同時(shí)到達(dá)軌道底端的.

過(guò)程2：等時(shí)的證明

如圖2（a）所示，ad、bd、cd是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿，a、b、c、d 位于同一圓周上， a點(diǎn)為圓周的最高點(diǎn)，d點(diǎn)為最低點(diǎn).每根桿上都套著一個(gè)小球（圖中未畫出），三小球分別從 a、b、c處?kù)o止釋放，用t1、t2、t3依次表示各小球到達(dá)d所用的時(shí)間，則

A. t1t2>t3

C. t3>t1>t2 D. t1=t2=t3

（先請(qǐng)學(xué)生試證，然后教師證明）證明：如圖2（b）所示，設(shè)某一光滑軌道與水平方向的夾角為α，圓的直徑為2R.小球沿光滑軌道做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度為a=gsinα，位移為x=2Rsinα，則運(yùn)動(dòng)時(shí)間為[t=2xa=4Rsinαgsinα=4Rg]，即沿各光滑軌道運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性，運(yùn)動(dòng)時(shí)間與軌道的傾角、長(zhǎng)度無(wú)關(guān).

過(guò)程3：等時(shí)條件的討論

教師話鋒一轉(zhuǎn)：俗話說(shuō)耳聽為虛，眼見(jiàn)為實(shí)！真的等時(shí)嗎？我們用慢鏡頭視頻重新演示剛才的實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)大家仔細(xì)觀察！

……（如圖3所示慢鏡頭截屏）哦～～待到視頻尾聲，學(xué)生中傳來(lái)小小的尖叫聲……

教師：為什么不等時(shí)！

學(xué)生（幾乎異口同聲）：因?yàn)橛心Σ恋茸枇?

教師：那么等時(shí)圓模型要成立，到底有哪些前提條件呢？

教師引導(dǎo)，學(xué)生回答，師生共同交流總結(jié)：

（1）直軌道需在圓形區(qū)域中，軌道需光滑；

（2）軌道至少有一個(gè)端點(diǎn)在圓形區(qū)域的最高點(diǎn)或最低點(diǎn)（如圖2（b）），圖4有相同規(guī)律）；

（3）物體沿任意軌道的運(yùn)動(dòng)都是從軌道頂點(diǎn)靜止開始的勻加速自由下滑.

教師：大家建構(gòu)和使用模型時(shí)，一定要注意模型適用的條件.

（二）以思維為中心[2]——從“模型識(shí)別”走向“模型建構(gòu)”

陳佳洱先生告訴我們：物理學(xué)帶給我們非常珍貴的東西：一種理性的思維方式.把前人從事智力活動(dòng)的思想、方法，轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)知能力和思維方式.以思維為中心，才能抓住本質(zhì)、識(shí)別真?zhèn)?、真正?xí)得.

過(guò)程1：是不是等時(shí)圓模型

如圖5（a）所示，OBCD為半圓柱玻璃的橫截面，OD為直徑，一束復(fù)色光沿AO方向從真空中射入到玻璃，在玻璃中分為兩束單色光，其中甲光沿OB方向從B點(diǎn)射出，乙光沿OC方向從C點(diǎn)射出.問(wèn)：甲光從O點(diǎn)傳播到B點(diǎn)的時(shí)間與乙光從O點(diǎn)傳播到C點(diǎn)的時(shí)間是否相同？

師生交流：如圖5（b）所示，設(shè)AO光線與界面所成入射角為i，OP為任意折射光線，折射角為γ，則OP光線在玻璃中傳播用時(shí)

教師評(píng)：同一束復(fù)色光的折射光在半圓柱玻璃內(nèi)傳播時(shí)也具有等時(shí)性.但它不是我們定義的等時(shí)圓模型：1.折射光的傳播是勻速直線運(yùn)動(dòng)；2.入射點(diǎn)O不是圓形區(qū)域的最高點(diǎn)，出射點(diǎn)P不（一定）是圓形區(qū)域的最低點(diǎn).

過(guò)程2：為什么不等時(shí)

如圖6（a）所示，Pa、Pb、Pc是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿，P、a、b、c、d位于同一圓周上，d點(diǎn)為圓周的最高點(diǎn)，c點(diǎn)為最低點(diǎn).每根桿上都套著一個(gè)小滑環(huán)（圖中未畫出），三個(gè)滑環(huán)都從P點(diǎn)無(wú)初速釋放，用t1、t2、t3依次表示滑環(huán)到達(dá)a、b、c所用的時(shí)間，則

A. t1=t2=t3 B. t1>t2>t3

C. t1t1>t2

教師（展示題目，待學(xué)生思考片刻）：本題是不是選A.

有些學(xué)生感覺(jué)就是等時(shí)圓模型，有些學(xué)生則有質(zhì)疑.

學(xué)生：應(yīng)該不是等時(shí)圓，因?yàn)檫@三根直桿的某一端，并沒(méi)有同時(shí)位于此圓周的最高點(diǎn)或最低點(diǎn).

教師：那這個(gè)問(wèn)題如何解決，是不是看軌道的長(zhǎng)度？

學(xué)生：……

教師：怎么和我們今天的主題“等時(shí)圓”聯(lián)系呢？

教師給予學(xué)生足夠的思考時(shí)間，引導(dǎo)學(xué)生同桌或四人一組討論……

學(xué)生：如圖6（b）所示，以P點(diǎn)為最高點(diǎn)，分別以Pa、Pb、Pc為弦構(gòu)造三個(gè)圓，由圖6（b）知三個(gè)圓半徑各異，答案自現(xiàn)，選B .

過(guò)程3：為什么會(huì)等時(shí)

如圖7（a）所示，OA=OB=l=10cm，A點(diǎn)為△BAO的最高點(diǎn)，其中AO邊為豎直方向.小環(huán)從桿AB頂端由靜止光滑滑下，求小環(huán)從A點(diǎn)到B點(diǎn)所用時(shí)間.已知g=10m/s2 .

生1：因?yàn)椤螼AB未知，既然要求t，則t可能為定值（猜測(cè)），故令∠OAB=θ（如圖7（b）所示），則θ參量必可最終約去.2lcosθ=gcosθ·t2/2，得 t=0.2s.

教師：××同學(xué)證明得非常好，大家應(yīng)該都能接受.老師感覺(jué)這個(gè)題目，似乎和角度θ沒(méi)什么關(guān)系，時(shí)間是定值，有沒(méi)有同學(xué)能道清其中原委.大家可以討論一下……

生2：（一段比較長(zhǎng)的時(shí)間以后）如圖7（c）所示，構(gòu)建等時(shí)圓，同樣得到t=0.2s.

教師：哦，原來(lái)這個(gè)題目中蘊(yùn)含著一個(gè)等時(shí)圓，××同學(xué)真的有一雙發(fā)現(xiàn)問(wèn)題本質(zhì)的眼睛.

生2的方法思維能力要求更高，問(wèn)題的剖析及外延知識(shí)的講解可能會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間.但當(dāng)師生共同厘清物理本質(zhì)、模型特征并有序內(nèi)化后，此法是更易被接受和有效調(diào)用的.

（三）以應(yīng)用為落點(diǎn)——從“模型習(xí)得”走向“問(wèn)題解決”

吳加澍先生告訴我們：教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程是知識(shí)“溶解”過(guò)程，把知識(shí)轉(zhuǎn)化為問(wèn)題，將問(wèn)題融合于情境；學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程是知識(shí)“結(jié)晶”過(guò)程，在情境中思考問(wèn)題，在思考問(wèn)題中掌握知識(shí).因此，模型的建構(gòu)，最終要以應(yīng)用為落點(diǎn)，使學(xué)生在問(wèn)題解決中真正掌握模型的內(nèi)核.

[“等時(shí)圓”模型教學(xué)片段3]

（2018年浙江省11月選考）如圖8所示為某一游戲的局部簡(jiǎn)化示意圖.

D為彈射裝置，AB是長(zhǎng)為21m的水平軌道，傾斜直軌道BC固定在豎直放置的半徑為R=10m的圓形支架上，B為圓形的最低點(diǎn)，軌道AB與BC平滑連接，且在同一豎直平面內(nèi).某次游戲中，無(wú)動(dòng)力小車在彈射裝置D的作用下，以v0=10m/s的速度滑上軌道AB，并恰好能沖到軌道BC的最高點(diǎn).已知小車在軌道AB上受到的摩擦力為其重量的0.2倍，軌道BC光滑，則小車從A到C的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是

A. 5s B. 4.8s

C. 4.4s D. 3s

（學(xué)生思考，試做……片刻之后）

教師：AB段的時(shí)間求解比較簡(jiǎn)單，主要難點(diǎn)是如何求解BC段的時(shí)間.有沒(méi)有學(xué)生已經(jīng)想到方法了？

（本題難點(diǎn)是只顯示了圓的一部分，增加了聯(lián)想、識(shí)別的難度；且題設(shè)中是運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)時(shí)速度為零，不是無(wú)初速度釋放，還需要用到逆向思維，在較短的考試時(shí)間和較緊張的應(yīng)試情緒下要求學(xué)生完成此模型建構(gòu)，實(shí)為難題）

學(xué)生：……

三、過(guò)程模型建構(gòu)的建議

（一）建構(gòu)起點(diǎn)的層層鋪設(shè)

過(guò)程模型有諸多要素，如模型的特征、模型的適用條件、相似模型的異同比較等.有經(jīng)驗(yàn)的教師一般不會(huì)采用一講到底、和盤托出的方式，而是如抽絲剝繭般層層鋪設(shè)、步步觀察、細(xì)細(xì)體會(huì)，待水到渠成時(shí)，最好由學(xué)生一語(yǔ)道破.

（二）錘煉思維的層層深入

在過(guò)程模型的習(xí)得過(guò)程中，如何更好地錘煉學(xué)生的思維？這就需要教師以模型為載體，以思維為中心，設(shè)計(jì)一個(gè)或一系列問(wèn)題串，引導(dǎo)學(xué)生從模型出發(fā)對(duì)問(wèn)題展開研究與探討，或由具體情境經(jīng)過(guò)縝密計(jì)算、推理，化歸為某一模型，或揭示問(wèn)題、情境對(duì)應(yīng)的模型.

（三）運(yùn)用模型的層層變化

學(xué)生能熟練運(yùn)用模型解決實(shí)際問(wèn)題，才是模型教學(xué)的歸宿.教師應(yīng)將模型靈活地嵌入情境，在設(shè)計(jì)形成性評(píng)價(jià)和階段性測(cè)試時(shí)，不定時(shí)“點(diǎn)擊”某一模型，每次設(shè)計(jì)的情境有變化，讓學(xué)生在實(shí)戰(zhàn)中一次次更深入地感悟模型.

模型教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要途徑，在模型習(xí)得與建構(gòu)的過(guò)程中，學(xué)生能體會(huì)到如何抽象具體情境，如何抓住主要、本質(zhì)因素，如何知識(shí)聯(lián)系生活、理論聯(lián)系實(shí)際.以實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn)、以思維為中心、以應(yīng)用為落點(diǎn)，使教與學(xué)不僅傳遞科學(xué)知識(shí)，更滲透科學(xué)方法，真正提升學(xué)生的科學(xué)思維.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]吳加澍.對(duì)物理教學(xué)的哲學(xué)思考[J].課程·教材·教法，2005（7）：69.