張永剛 朱巧萍

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 物理建模教學(xué)

高中物理教學(xué)的根本任務(wù)是在初中物理知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)培養(yǎng)和提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》把物理學(xué)科核心素養(yǎng)分為物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)部分，其中科學(xué)思維被定義為“從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(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程……”.[1]由此可見，建模是科學(xué)思維這一核心素養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維的前提和依據(jù).

David Hestenes在認(rèn)知建模理論中把心智模型定義為“思維的個(gè)體建模”，認(rèn)為學(xué)習(xí)者必須借助于某種方式來表征自己的心智模型才能和外界進(jìn)行溝通.這種表征過程促進(jìn)了心智模型的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)個(gè)體建模的過程.[2]物理建模的過程是讓學(xué)生針對具體的物理問題，聯(lián)想生活現(xiàn)象中與此相關(guān)的某一畫面、某一過程、某一情境，找出解決問題的主要因素，忽略次要因素，在頭腦中建構(gòu)一個(gè)簡化的模型，其實(shí)質(zhì)是形象思維向抽象思維的一個(gè)轉(zhuǎn)化過程,也是心智模型的發(fā)展過程.教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”本質(zhì)上都是一個(gè)不斷建構(gòu)、完善、應(yīng)用、檢驗(yàn)物理模型的過程.因此，本文主要探究培養(yǎng)學(xué)生物理建模意識和能力的具體教學(xué)策略.

2 影響學(xué)生建構(gòu)物理模型的因素

2.1 高中生思維發(fā)展特點(diǎn)

皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論把兒童的認(rèn)知發(fā)展分為感知運(yùn)動、前運(yùn)算、具體運(yùn)算和形式運(yùn)算4個(gè)階段.高中生的思維已經(jīng)超越了對具體的、可感知事物的依賴，開始進(jìn)入形式運(yùn)算階段，此階段的顯著特點(diǎn)是形象思維開始向抽象思維過渡.形象思維源于直接的生活情境，是對某個(gè)概念、過程、狀態(tài)形象描述的一種認(rèn)知能力；抽象思維必須在形象思維的基礎(chǔ)上進(jìn)行，是對許多物理情境進(jìn)行概括和總結(jié)的過程.建構(gòu)物理模型的過程也正是從形象思維開始，逐步向抽象思維轉(zhuǎn)化的一個(gè)過程.學(xué)生建構(gòu)物理模型的意識和能力與抽象思維的發(fā)展?fàn)顩r密切相關(guān)，直接取決于形象思維向抽象思維轉(zhuǎn)化的意識傾向.

2.2 學(xué)生原有知識經(jīng)驗(yàn)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生原有知識經(jīng)驗(yàn)的重要作用.學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)、物理概念、物理規(guī)律等原有知識經(jīng)驗(yàn)都是學(xué)生進(jìn)行抽象思維的基礎(chǔ).物理建模是抽象思維的過程，學(xué)生原有知識經(jīng)驗(yàn)自然就成了建模的“基本原料”.如果學(xué)生缺乏這些“基本原料”，抽象思維就無法進(jìn)行，物理建模也無從談起.因此，學(xué)生原有知識經(jīng)驗(yàn)就是物理建模的基礎(chǔ).

2.3 物理知識的遷移能力

遷移是一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響.學(xué)生原有知識經(jīng)驗(yàn)豐富多彩、包羅萬象.在具體的建模過程中，學(xué)生必然要思考如何在已有知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建構(gòu)適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠矸治龊徒鉀Q物理問題,這個(gè)過程即為物理知識的遷移過程.因此，物理知識的遷移能力對學(xué)生建模意識和能力的培養(yǎng)至關(guān)重要.

2.4 教師的引導(dǎo)作用

物理教師的建模思維在教學(xué)過程中起著關(guān)鍵的引導(dǎo)作用.教師要全面系統(tǒng)地掌握物理教學(xué)中的重難點(diǎn)和學(xué)生普遍存在的疑點(diǎn)，準(zhǔn)確理解教材的思路主旨，綜合學(xué)科知識特點(diǎn)和學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，進(jìn)行科學(xué)合理、實(shí)事求是地建構(gòu)物理模型.在“先建構(gòu)，后應(yīng)用”模型的基礎(chǔ)上培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生體驗(yàn)物理模型對問題解決的實(shí)用性，其實(shí)質(zhì)也是教師引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)探究的過程.

3 培養(yǎng)學(xué)生建模意識和能力的策略

物理建模教學(xué)的主旨在于結(jié)合日常生活經(jīng)驗(yàn)，通過對物理現(xiàn)象的分析，達(dá)到對物理概念、物理規(guī)律認(rèn)識和利用的目的.其中規(guī)律建模、過程建模、一模多用等策略都發(fā)揮著重要的教學(xué)作用.

3.1 聯(lián)系生活，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)思想實(shí)驗(yàn)，突出規(guī)律建模的基礎(chǔ)

物理建模過程必須以學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生的抽象思維，培養(yǎng)和提升學(xué)生的物理觀念.

教學(xué)案例：物質(zhì)觀念及其守恒定律的建模教學(xué).

物質(zhì)觀念及其守恒定律是學(xué)生科學(xué)世界觀形成的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)過程中要大膽嘗試，突破教材，尋求生活實(shí)例，讓物理知識走進(jìn)學(xué)生的生活，從生活經(jīng)驗(yàn)中尋找物質(zhì)和物質(zhì)守恒的模型基礎(chǔ).從物理變化、化學(xué)變化、生物反應(yīng)等過程的角度出發(fā)，引出自然界物質(zhì)變化和物質(zhì)轉(zhuǎn)換的問題.例如，水的蒸發(fā)，煤炭的燃燒，種子的成長等問題.

(1) 水在蒸發(fā)過程中，水量減少了，是不是水就消失了？如果沒有消失，蒸發(fā)掉的水變成了什么？又去了哪里？

(2) 煤炭燃燒之后變成了碳灰，后者比前者的重量減少了很多，減少的量變成了什么物質(zhì)？去了哪里？

(3) 楊樹種子發(fā)芽、出土、不斷長大，成為參天大樹的過程，從幾乎沒有重量的種子變成千斤之重的大樹，這個(gè)過程中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換守恒嗎？

教師通過上述問題的提出，引出疑點(diǎn)：物質(zhì)的存在形式是單一的嗎？物質(zhì)在轉(zhuǎn)化過程中守恒嗎？

教學(xué)注意事項(xiàng)：學(xué)生物理模型的建構(gòu)、科學(xué)思維的形成及發(fā)展必須經(jīng)過長時(shí)間的反復(fù)思考和不斷的推敲才能夠?qū)崿F(xiàn).因此，教師要有前瞻性，提前讓學(xué)生思考問題，留給學(xué)生充足的思考時(shí)間，再讓學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)做出嘗試性的回答.

針對上述3個(gè)問題，學(xué)生展開思想實(shí)驗(yàn)，給出了建構(gòu)物理規(guī)律模型的現(xiàn)實(shí)生活案例.

(1) 學(xué)生甲聯(lián)想到瓶裝礦泉水，經(jīng)過思考之后，提出問題：密閉的瓶裝礦泉水在常溫和冷凍兩種狀態(tài)下，重量是否相同？冷凍的礦泉水必須吸收熱量才能夠達(dá)到常溫狀態(tài)，即水吸收了熱量之后會不會引起重量的變化？他認(rèn)為可以通過測量同一瓶礦泉水，在兩種狀態(tài)之下的重量來檢測物理變化過程中物質(zhì)量是否守恒.

(2) 家中開了一個(gè)理療館的學(xué)生乙，經(jīng)常觀察到理療拔火罐的過程，從中得到了靈感，他建議利用精密電子秤，稱量正在燃燒的密閉透明火罐，以此來判斷化學(xué)反應(yīng)過程中的物質(zhì)守恒.但是，他的思想實(shí)驗(yàn)遇到了麻煩，如何讓密閉火罐里的可燃物自燃，成了全班學(xué)生思考和討論的焦點(diǎn).最終，這個(gè)問題被一片凸透鏡解決了.這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出了化學(xué)反應(yīng)(燃燒)過程中物質(zhì)守恒的驗(yàn)證方法.

(3) 家里種著蔬菜大棚的學(xué)生丙，把一顆白菜種子放進(jìn)了密閉透明的培養(yǎng)液里，他想要研究構(gòu)成白菜的物質(zhì)來自何方？密閉的空間隔絕了物質(zhì)交換，精密電子秤示數(shù)，顯示著物質(zhì)量的變化情況.這是對生物反應(yīng)過程中物質(zhì)守恒的一種驗(yàn)證方式.

上述3個(gè)思想實(shí)驗(yàn)為學(xué)生建構(gòu)物質(zhì)觀、物質(zhì)守恒觀的模型奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，當(dāng)然也涉及到了能量及其守恒，激發(fā)了學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣.教師基于上述3個(gè)模型給出物質(zhì)守恒定律：“在任何與周圍隔絕的物質(zhì)系統(tǒng)(孤立系統(tǒng))中，不論發(fā)生何種變化或過程，其總質(zhì)量保持不變”.在物質(zhì)守恒定律的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)和理解能量轉(zhuǎn)化與守恒定律就變得容易了.

物理建模教學(xué)要密切聯(lián)系學(xué)生的生活，在生活中找出模型的“原形”，再運(yùn)用“原形”建構(gòu)物理規(guī)律模型，這些“原形”也賦予了物理模型的真實(shí)意義.

3.2 結(jié)合實(shí)際，開展手工制作，建構(gòu)過程模型的“原形”

物理課程中的許多知識在現(xiàn)實(shí)生活中很難找到建模的“原形”，這些知識對學(xué)生而言比較抽象，不易理解.教師不能把物理實(shí)驗(yàn)作為唯一的依據(jù)來引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型，在教學(xué)中組織學(xué)生制作手工，不僅可以有效的幫助學(xué)生建構(gòu)物理模型，還可以向?qū)W生滲透科學(xué)思維.

教學(xué)案例：以矢量合成法則為例，探究手工制作對過程模型建構(gòu)的促進(jìn)作用.

(1) 教學(xué)任務(wù)分析.

矢量合成法則是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).學(xué)生第一次接觸矢量及其運(yùn)算法則，現(xiàn)實(shí)生活中不易找到與矢量知識相關(guān)的現(xiàn)象，導(dǎo)致了學(xué)生先前知識經(jīng)驗(yàn)中沒有矢量知識的固著點(diǎn)，教師也很難在學(xué)生已有知識經(jīng)驗(yàn)中找到矢量知識的生長點(diǎn).對學(xué)生而言矢量運(yùn)算法則和標(biāo)量運(yùn)算法則存在著認(rèn)知方式上的沖突.

(2) 教學(xué)理論基礎(chǔ).

根據(jù)奧蘇貝爾的“逐漸分化原則”和“下位學(xué)習(xí)”認(rèn)知方式來建構(gòu)物理知識的結(jié)構(gòu)體系，有必要向?qū)W生滲透一類物理量的科學(xué)思維和方法.先講矢量的定義及其與標(biāo)量的區(qū)別，然后講解矢量的運(yùn)算法則，之后再講解位移、速度、力、加速度等矢量的合成.在此基礎(chǔ)之上，建構(gòu)矢量模型及其運(yùn)算的過程模型，這樣物理學(xué)習(xí)的難度就會有所降低，學(xué)生的科學(xué)思維也會得到提升.

(3) 建構(gòu)手工模具.

制作材料：標(biāo)有均勻刻度的直尺或窄木條，細(xì)小螺絲，打孔器，量角器.以直尺或窄木條為4條邊制作平行四邊形，用細(xì)小螺絲連接在一起，夾角處固定量角器.

教師引導(dǎo)學(xué)生自制物理實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呒词噶亢铣赡＞?，學(xué)生可以用自制的平行四邊形來演示矢量合成的過程，在理論上學(xué)生可以制作任意形狀的平行四邊形作為矢量合成的模具.圖1為學(xué)生自制的菱形矢量合成模具.

圖1 學(xué)生自制的矢量合成模具

(4) 滲透科學(xué)思維.

在物理建模教學(xué)過程中必須滲透物理學(xué)科的思維特點(diǎn)和研究方法，在矢量合成與分解的教學(xué)過程中滲透和灌輸?shù)刃娲?，讓學(xué)生理解作用效果是可以替代的.如果一個(gè)矢量的作用效果和另外兩個(gè)矢量的作用效果相同，這兩個(gè)矢量就可以用一個(gè)矢量來代替.

(5) 演示動態(tài)過程.

通過調(diào)節(jié)矢量合成模具的夾角，可以形象地演示合矢量與分矢量之間的動態(tài)變化過程.以菱形矢量合成模具為例，可以更好地演示出兩個(gè)大小相等的矢量，因夾角變化所引起的合矢量的動態(tài)變化過程，使學(xué)生更好地理解合矢量的大小、方向與分矢量大小、方向之間的變化關(guān)系.圖2為學(xué)生用菱形矢量合成模具演示矢量合成的動態(tài)過程.

圖2 矢量合成的動態(tài)過程

通過學(xué)生手工制作矢量合成模具來演示矢量的運(yùn)算法則，為建構(gòu)矢量運(yùn)算法則所需的過程模型提供了實(shí)物原形，在制作和演示模具的過程中，既能夠滲透科學(xué)思維、物理方法，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，又能夠引導(dǎo)學(xué)生深入探究，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng).

3.3 滲透知識間的聯(lián)系，探究“一模多用”，以模型固化知識結(jié)構(gòu)

建構(gòu)物理模型是為了幫助學(xué)生更好地理解和運(yùn)用物理知識，在實(shí)際的物理教學(xué)中突破教學(xué)重難點(diǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)也往往就落在了如何建構(gòu)一個(gè)恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ蜕?恰當(dāng)模型的建構(gòu)應(yīng)該滲透著物理知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，教師要引導(dǎo)學(xué)生探究一種模型的多種用途，以此來加強(qiáng)物理知識點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，固化物理知識結(jié)構(gòu).

教學(xué)案例：探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象，運(yùn)用“一模多用”幫助學(xué)生固化知識結(jié)構(gòu).

(1) 教學(xué)任務(wù)分析.

探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，日常經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識不足直接導(dǎo)致學(xué)生難以理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象本質(zhì)——磁通量的變化.磁通量的變化也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)法拉第電磁感應(yīng)定律和變壓器工作原理的基礎(chǔ)，如何建構(gòu)一個(gè)模型把電磁感應(yīng)現(xiàn)象本質(zhì)、楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、變壓器工作原理聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)“一模多用”？

(2) 探究提煉“一模”.

人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理(選修3-2)》中基于學(xué)生初中通電導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流的知識，在探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象中引入了3個(gè)有層次遞進(jìn)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如圖3所示.

經(jīng)過電磁感應(yīng)現(xiàn)象的探究之后，引導(dǎo)學(xué)生對3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)質(zhì)性的分析，在第3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，抽象出電磁感應(yīng)的核心模型——原副線圈模型.如圖4所示.

圖4 原副線圈模型

(3) 知識擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)“一模多用”.

提煉原副線圈模型，主要目的是實(shí)現(xiàn)“一模多用”，以此來強(qiáng)化電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生條件、楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、變壓器工作原理、自感、互感等知識點(diǎn)之間的密切聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)用一個(gè)模型來固化電磁感應(yīng)知識結(jié)構(gòu)的教學(xué)目的.

以此模型為例，可以講解感應(yīng)電動勢的大小取決于磁通量的變化率、線圈匝數(shù)、有無鐵心；在此基礎(chǔ)上，教師也可以靈活地設(shè)計(jì)出變壓器工作原理、自感現(xiàn)象、互感現(xiàn)象等很多有內(nèi)在聯(lián)系的綜合性的教學(xué)案例，真正實(shí)現(xiàn)“一模多用”.

利用“一模多用”的模型探究物理教學(xué)過程，可以實(shí)現(xiàn)只用一個(gè)模型就能完成多個(gè)知識點(diǎn)的教學(xué)設(shè)計(jì)，能夠更好地加強(qiáng)知識之間的聯(lián)系，使學(xué)生掌握系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生對知識內(nèi)在聯(lián)系的深入理解，也有利于學(xué)生知識遷移能力的進(jìn)一步培養(yǎng).

4 結(jié)束語

上述策略有助于學(xué)生通過建立模型來理解物質(zhì)觀、能量觀、矢量合成法則、電磁感應(yīng)等物理難點(diǎn).物理建模教學(xué)要以學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)、日?，F(xiàn)象為基礎(chǔ)，密切聯(lián)系學(xué)生已有知識經(jīng)驗(yàn).在教學(xué)實(shí)踐中，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)的生產(chǎn)生活中體驗(yàn)問題的復(fù)雜性和豐富性，構(gòu)建從情境中學(xué)習(xí)知識的認(rèn)知途徑.[3]在此基礎(chǔ)上，辨識物理問題的實(shí)質(zhì)，抓住主要因素，忽略次要因素，善于利用模型分析和解決物理問題，進(jìn)而幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)探究和質(zhì)疑創(chuàng)新的能力.