金嵩洲

摘 ? ?要：模型建構(gòu)是科學思維的重要組成部分，是培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的重要途徑.對象模型是物理模型中具有代表性的一類，在對象模型的教與學中，通過實驗、操作等活動，識得對象模型的基本特征;通過情景實踐，習得建構(gòu)對象模型的主要方法;通過遷移應用，悟得對象模型傳遞的科學思維、物理觀念，有利于學生真正掌握對象模型建構(gòu)的方法，提升思維品質(zhì)與學科素養(yǎng).

關鍵詞：科學思維;模型建構(gòu);對象模型

一、引言

學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn).物理學科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態(tài)度與責任”四個維度[1]4.其中，“科學思維”指從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式;是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程[1]5.科學思維具有四個要素，即模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新.本文以《等量異種點電荷的電場》教學為例，探討在這類對象模型的建構(gòu)教學中如何進行科學思維的培養(yǎng).

二、對象模型的建構(gòu)

基于物理問題的特點，可以將物理模型分為以下四類：對象模型、條件模型、理論模型和過程模型.對象模型是根據(jù)所要研究的對象，抓住主要、本質(zhì)因素，將物質(zhì)自身形態(tài)理想化，從而建立起能夠反映研究對象主要特征的模型[2].典型的對象模型如質(zhì)點、點電荷、理想氣體等.

（一）在實驗、操作的活動中，識得對象模型的基本特征

建構(gòu)主義認為：活動提供了動機……活動是動機、動作和操作三者的聯(lián)合體，由此建立了知識建構(gòu)模型的潛在橋梁[3]5.學習者通過活動，獲取并加工信息，逐漸進入模型建構(gòu)的心智狀態(tài).

生2（續(xù)）：電場強度是矢量，矢量疊加要用平行四邊形定則.

師評：哦，原來是這樣?。。◣熝鹧b恍然大悟，部分學生茅塞頓開）大家要注意，是矢量疊加.請大家再定性畫一下平面上C點的合場強.

生3：……

師評：經(jīng)過圖示體驗，大家已經(jīng)可以看出，采用疊加的思想，可把平面上任意點的場強大小和方向畫出來，然后再把這些點所在處的場強信息用“線”連起來……結(jié)果有點像初中時學過的什么線？

生齊聲：磁感線.

師評：法拉第提出用畫“電場線”的方法來形象描述電場中各點場強的大小和方向。湯姆遜評價：在法拉第的諸多貢獻中，最偉大的就是“力線”概念.比較精確的示意圖需要其他數(shù)學和物理知識.科學家們已經(jīng)畫出了等量異種點電荷電場線的示意圖（如圖2所示）.我們用實驗來模擬一下“等量異種點電荷”周圍的電場線.

師引導：請大家對照課本示意圖，仔細觀察、對比……

師問：等量異種點電荷的電場線是否只存在于實驗所在的平面內(nèi)？

生4：……

師評：定性比較兩個不同位置場強大小的依據(jù)是什么？

生5：可以通過比較電場線的疏密……

師問：如何畫等量異種點電荷周圍的等勢面？

生6：電場線與等勢面處處垂直……

師評：非常好……（師投影圖4）請大家觀察，等量異種點電荷連線上電勢如何變化，連線的中垂線上電勢有什么特點……

生7：……

師拓展：在場源為點電荷的電場中，我們還可以記憶電勢公式φ=kQ/r，用這個公式進行單個點電荷在某一位置的電勢計算，再用標量代數(shù)相加的方法，就可獲得某一位置的合電勢.

（二）在多維情景的實踐中，習得建構(gòu)對象模型的主要方法

建構(gòu)主義認為：課堂實踐的方向是鼓勵學生不斷參與，促進學生的理解[3]240.實踐是有效的教學活動，學生通過豐富的情景實踐，相互交流、分享、啟發(fā)，習得方法，學習力、理解力、科學思維得以提升.

1.從一維到多維

情景1：如圖5（a）所示，在空間坐標系Oxyz中，A、B、M、N分別位于x負半軸、x正半軸、y負半軸、z正半軸，并且AO=BO=MO=NO;現(xiàn)在A、B兩點分別固定等量異種點電荷+Q與-Q.

[教學片段]

師問：O點場強小于N點場強嗎？

生1：……

師問：M、N兩點電場強度相同嗎？

生2（思考片刻后）：應該不相同吧，感覺至少方向不相同.

（由于未接觸過三維視角，大部分學生覺得M點與N點的場強不相同）

師評：似乎很有道理！大家也是這么想的吧！有沒有同學有不同見解？

生3：應該是相同的，方向也是相同的，都是沿x軸正方向.首先由于距離相等，+Q與-Q在M點的E+和E-大小相等，再用平行四邊形合成……

師評：分析得很到位.我們不妨把這個三維問題轉(zhuǎn)化到二維視角下重新審視，如圖5（b），EM合方向沿x軸正方向……感覺有時可能是不可靠的.

師問：試探電荷+q從M點移到O點，其電勢能如何變化？

師問：大家再想一想，z軸上的E合方向往哪里？

師追問：那整個yOz平面內(nèi)，E合指向何處？

師再追問：那在yOz平面內(nèi)，移動+q電荷，其電勢能怎么變？

（哦！原來yOz整個平面是個等勢面呀！教室一角突然傳出喃喃聲，一學生醍醐灌頂.接下來是星星點點的應和聲，全班同學恍然大悟）

師追問：如果取無窮遠處為電勢零點，yOz平面電勢多大？

學生你一言、我一語，答案卻驚人地一致，水到渠成，教師會心一笑，補充道：“當然我們還可以用電勢公式φ=kQ/r，再作標量代數(shù)相加，亦可.”

2.從靜態(tài)到動態(tài)

情景2：如圖6所示為兩個固定在同一水平面上的點電荷，距離為d，電荷量分別為+ Q 和-Q.在它們的水平中垂線上固定一根內(nèi)壁光滑的絕緣細管，有一電荷量為+q的小球以初速度v0從管口射入.研究小球以v0入射，運動至關于+ Q 和-Q連線對稱位置的過程.

[教學片段]此時學生已經(jīng)儲備了模型的基本特征和一些簡單的研究方法、技巧，為激發(fā)學生持續(xù)學習，接下來設置學生合作主題研究環(huán)節(jié).

師：老師手中有多個“錦囊”，每個“錦囊”中都有一個討論的主題，大家四人一組，每一組選一個代表來抽取“錦囊”，然后分組討論，最后派代表陳述你們討論的結(jié)果.

主題1：管壁對小球的最大彈力是多少？

主題2：小球受到的電場力如何變化？

主題3：小球的速度如何變化？

主題4：系統(tǒng)的電勢能如何變化？……

（學生分組探討片刻后，分主題搶答、陳述）

A組代表陳述主題1：……

B組代表陳述主題2：……

3.從單組到多組

情景3：如圖7所示，四個點電荷分別位于正四面體的四個頂點A、B、C、D處，其中A、D兩點處為+q，B、C兩點處為-q.已知P為AB邊中點，Q為CD邊中點，M為AD邊中點，N為BC邊中點.

師：大家學得很認真、很投入，哪位同學能說一說，你學到了哪些處理等量異種點電荷問題的方法.

生：三維問題往往可轉(zhuǎn)化為二維、一維問題……場強、電勢的研究更多地關注某一位置、狀態(tài)，速度、能量變化的研究更多地關注過程……多組本質(zhì)上就是單組的“疊加”……大家思維碰撞，各抒己見……

（三）在類比、對比的遷移中，悟得對象模型傳遞的核心觀念

“學以致用”是教育教學的根本目的，學習遷移實現(xiàn)了已有知識、技能、方法在新情境中的應用[4]247.

素材：空間直角坐標系Oxyz中，M、N兩點位于x軸上，H、G、P三點坐標如圖8所示，M、N兩點處固定著一對等量異種點電荷，它們在G點的合場強為E，方向沿x軸正方向.另有一正點電荷固定在P點，它在G點處的電場強度大小也為E.

[教學片段]此刻已是教學遷移環(huán)節(jié)，課堂教學接近尾聲，部分學生的專注度開始下降;另一方面思維的難度、深度在持續(xù)加大，故此時安排“對壘”形式，維系學生學習的專注度，引領部分學生攻艱克難.

教師：接下來教室中的八個小組，四個小組為一編隊，首先由編隊A中的同學設問，編隊B中的同學作答，然后B隊問A隊答，這樣為一輪.如此輪換，共進行五輪，看哪一編隊把另一編隊問倒……

學生馬上都抖擻精神、摩拳擦掌、躍躍欲試……

擂題1：G點與H點的合場強孰強孰弱？

擂題2：O點與H點的電勢孰高孰低？

擂題3：將一試探電荷+q從G點移到H點，電勢能如何變化……

師：學習了這節(jié)課后，大家感受最深的是什么？

生：“疊加”思想……矢量疊加與標量疊加有本質(zhì)區(qū)別……電勢能的變化看電場力做功……情景在變，但其實主要就是研究場強、電勢、電勢能、速度這些核心物理量……學生突突地說出自己內(nèi)心的想法……

三、建構(gòu)對象模型的建議

（一）活動的啟發(fā)性

活動能提供豐富的感性材料，使抽象的物理過程具體化、形象化，有利于加深學生對物理知識的理解[5]138.教師預設的實驗等活動應該是低起點的，有目的、有啟發(fā)的.如模型建構(gòu)的伊始，從特殊位置到一般位置的研究，不斷加深學生對“疊加”思想的體驗.

（二）情景的多樣性

皮亞杰認為：認知圖式的發(fā)展是一個不斷建構(gòu)的過程.當學習者已有的各種圖式不適應新的外部刺激時，學習者能動地“調(diào)節(jié)”“改變”舊的圖式，建構(gòu)新的圖示[5]107.有經(jīng)驗的教師往往能提供多樣化的情景，設置由淺入深的認知、建模順序，讓學生在實踐中不斷深化對某一知識、方法、技能的理解、運用.

（三）遷移的綜合性

奧蘇伯爾認為：“不斷分化”和“綜合貫通”是人的認知組織原則[4]242.課堂的時長、容量是有限的，遷移環(huán)節(jié)其實是鞏固提升環(huán)節(jié)，此時已不太可能呈現(xiàn)多個內(nèi)容，要求教師對素材的設計高度濃縮，能利用一兩則素材、情景，完成對課堂主要學習內(nèi)容的提煉.

（四）學生的主體性

學生才是學習的主體.學習過程是學習者把自身置于一個開放的系統(tǒng)，通過吸收、輸出、反饋和評價等對信息進行加工[5]87.模型學習初期采用師生問答形式，學習深入時采用主題討論形式，最后采用大組對壘的形式，慢慢地由教師引領過渡到學生主體.教師需要有智慧與氣度，有選擇地把課堂還給學生.

模型教學是物理教學的重要內(nèi)容，是培養(yǎng)學生科學思維的重要途徑.能否抽象為對象模型，有一定的理想化條件，可以活動為載體，識得對象模型的基本特征;對象模型應用的場合眾多，以多維情景實踐為抓手，習得建構(gòu)對象模型的主要方法;方法遷移、建立物理觀念是物理教學的終極追求，以遷移應用為制高點，融會貫通，悟得對象模型折射的科學思維和物理觀念.學生主體，在模型建構(gòu)中思維品質(zhì)得以提升.

參考文獻：

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

[2]王晶瑩，等.中學物理教師對科學模型教育認識的實證研究[J].全球教育展望，2016（2）：93.

[3]萊斯利·P.斯特弗，等.教育中的建構(gòu)主義[M].高文，等譯.上海：華東師范大學出版社，2002.

[4]皮連生，等.教育心理學[M].4版.上海：上海教育出版社，2011.

[5]封小超，等.物理課程與教學論[M].北京：科學出版社，2005.