◎ 熊 藝

模型是人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對研究對象做的簡化。不同學者對“物理模型”的界定不同。早期人們提出，由于實際問題往往復雜多變，包含一些非本質(zhì)的枝節(jié)，物理模型就是根據(jù)研究目的將研究對象理想化，抓住主要因素，略去一些次要因素，從而得到簡潔的物理規(guī)律。

一、理解模型建構(gòu)

（一）模型建構(gòu)的含義

“模型建構(gòu)”是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程。［1］它是一種科學的實踐活動，是確定研究對象或者研究問題的過程，也是學習物理概念和規(guī)律以及解決實際問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在物理學中，突出問題的主要因素，忽略次要因素，建立理想化的物理模型，并將其作為研究對象，是經(jīng)常采用的一種科學研究方法。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《2020修訂版課標》）中提出：體會建構(gòu)物理模型的思維方式，認識物理模型在探索自然規(guī)律中的作用。［1］

（二）模型建構(gòu)的三個要素

模型建構(gòu)的三個要素是指情境、問題和過程。情境是模型建構(gòu)的載體和展開基礎(chǔ)，問題是模型建構(gòu)展開的推進器，過程是指模型建構(gòu)強調(diào)經(jīng)歷和體驗。高中物理教學中的模型建構(gòu)，關(guān)鍵是要在情境中，設(shè)計與物理學有關(guān)的、有邏輯層次的系列問題。學生在問題的引領(lǐng)下，通過解決這些相互關(guān)聯(lián)的系列問題，經(jīng)歷模型建構(gòu)的思維活動過程，從而體會和學習模型建構(gòu)的方法。總體概括為：以情境為載體，通過問題引領(lǐng)，經(jīng)歷模型建構(gòu)的過程。

模型建構(gòu)一直是物理教學要求之一，但具體內(nèi)容有所不同。那么，模型建構(gòu)在新課標中的教學要求與傳統(tǒng)教學中的區(qū)別是什么？在“雙新”背景下，如何達成《2020修訂版課標》中的教學要求呢？

二、模型建構(gòu)的關(guān)鍵問題分析

（一）模型建構(gòu)在新課標中的教學要求與傳統(tǒng)教學中的區(qū)別

運用模型來分析處理問題，是物理學的重要方法，在傳統(tǒng)教學中教師也很重視物理模型教學?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2003年版）》要求學生能認識物理模型在物理學發(fā)展中的作用。這其實是要讓學生知道有哪些重要的物理模型，然后直接運用這些模型去解決問題。因此造成了過去教學中，教師教完重要的物理模型后，學生要解決的問題大都是理想化模型，也就是對模型的直接應用，這顯然不利于學生解決真實情境中的問題。對此新課標中提出新要求：學生應具有構(gòu)建模型的意識和能力?？梢?，當給學生一個真實情境中的問題，學生要知道首先需要把真實情境處理成一個物理模型，然后還要知道怎么建構(gòu)一個科學合理的模型。顯然，這樣的要求一定是伴隨著一個真實情境或者一個真實問題而產(chǎn)生的。當下我們的模型建構(gòu)教學重在解決“為什么建，怎么建”。

（二）什么樣的情境是培養(yǎng)學生模型建構(gòu)能力的適切情境

《2020修訂版課標》對模型建構(gòu)的教學進行了具體的指導：“教學中要根據(jù)物理模型的特點，聯(lián)系生產(chǎn)生活環(huán)境，從多個角度創(chuàng)設(shè)情境，提出與物理學有關(guān)的問題，引導學生討論，讓學生體會建構(gòu)物理模型的必要性和方法?！笨梢姡囵B(yǎng)學生物理建模意識和能力，創(chuàng)設(shè)情境是必然的一條路徑。

例如，在滬科版《高中物理》必修一第二章“勻變速直線運動”的第一節(jié)“伽利略對落體運動的研究”教學過程中，教師并沒有急于建立自由落體模型，而是先從建立落體運動入手。我們知道，自然界中的落體運動基本都受到阻力的影響，而自由落體模型是指物體只受重力作用。要從實際情境到建立自由落體模型，中間需要一定的邏輯層次過渡，學生需要理解為什么研究落體運動的規(guī)律最終需要去除阻力的影響，以及如何去除。教師呈現(xiàn)了四張精心選擇的圖片（見圖1）。這些圖片畫面比較簡潔，研究對象比較突出，同時下落受到的外界影響又都不太相同，利于學生就此展開討論而又不受其他無關(guān)因素的干擾。學生經(jīng)歷分析、判斷的過程，比較容易將解決問題的路徑指向受力分析。雖然學生還沒有系統(tǒng)學過受力分析，但并不影響他們運用簡單的力學知識來分析重力和阻力這兩個共同的特性，從而進一步將思維活動引向下一個關(guān)鍵性問題——分析影響物體下落的相關(guān)因素，最終達成該活動的目的。

圖1 落體運動的四個情境

由此可見，教師創(chuàng)設(shè)的四個情境，正是我們提出的適合模型建構(gòu)的適切情境。情境要圍繞活動的目的，貼近學生生活，符合學生學習基礎(chǔ)，去繁存簡，利于學生基于情境，運用一定的科學思維方法展開思維分析活動。

由于實際的物理情境復雜多變，影響因素眾多，在高中階段要培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)能力，有時需要將實際情境進行截取，保留指向?qū)W習內(nèi)容的、能幫助學生抓住物理過程主要特征的部分進行模型建構(gòu)。完成模型建構(gòu)的過程，學生既需要一定的物理知識基礎(chǔ)又學習了新的物理知識；既需要一定的科學思維能力同時也發(fā)展了高階科學思維能力。符合學生學習的知識內(nèi)容和思維水平的情境才是培養(yǎng)學生模型建構(gòu)能力的適切載體。

三、培養(yǎng)模型建構(gòu)能力的解決路徑與教學示例

（一）設(shè)計適切情境，體會模型建構(gòu)過程，掌握模型建構(gòu)的方法

《2020修訂版課標》提出“建構(gòu)模型是一種重要的科學思維方法；質(zhì)點、點電荷、勻強電場等物理概念和勻變速直線運動等物理過程都是物理模型?！苯處熢诮虒W中要讓學生體會建構(gòu)這些物理模型的思維方法，理解物理模型的適用條件，能通過建構(gòu)物理模型來研究實際問題。如果說教師解讀新課標是在找“做什么”，那通過教學實踐總結(jié)的解決路徑就是回答“怎么做”。

以“伽利略對落體運動的研究”一節(jié)為例，教師創(chuàng)設(shè)了四個情境，學生在“哪個物體的運動最簡單”這個問題的引領(lǐng)下，通過對四個實際情境的定性分析，找到了影響落體運動的兩個相關(guān)因素，接下來在探究“這兩個因素是如何影響物體下落的”這個問題引導下，進一步開展定量研究。在運用控制變量研究的過程中，教師仍然創(chuàng)設(shè)了一系列的情境，例如，學生實驗用到的紙片，為了減小空氣阻力影響，紙片又改成了紙團，雖然實驗器材沒有改變，但是問題已經(jīng)發(fā)生了變化。由于質(zhì)量不同的紙團，無法控制其受到的阻力完全相同 ，教師又提供了新的情境——抽出空氣的牛頓管，同時釋放紙團和鐵片，下落的速度快慢幾乎相同。慢放實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)紙團比鐵片下落得還是要慢一點點，由此進一步提出問題，假如去除了空氣的阻力，情況如何？最后在高真空的環(huán)境下，讓學生觀察羽毛和球同時落地。在這個定量分析的過程中，抓大放小，當阻力的大小與重力相比可以忽略時，重力成為主要因素，阻力是次要因素，從而完成了模型建構(gòu)。

紙片、紙團、牛頓管、高真空環(huán)境中球和羽毛下落，這些情境已經(jīng)逐漸從實際生活過渡到實驗環(huán)境，讓學生體會徹底去除空氣阻力并不符合實際情況，從而理解自由落體運動實際是一個與真實生活有一定差別的理想模型。可見，模型建構(gòu)過程中出現(xiàn)的所謂適切的情境，并不完全是實際情境，也包括半理想甚至是理想化的實驗情境。關(guān)鍵是這些情境之間能符合邏輯的逐漸過渡，符合學生的認知發(fā)展。

我們通過對教材內(nèi)容的挖掘，發(fā)現(xiàn)模型建構(gòu)在物理教材中所占篇幅不多，具體的應用實例也相對較少，因此學生對該模型的學習不夠重視，很容易僅僅把物理模型當成一個普通的物理概念來學。尤其是高一學生抽象思維能力水平不高，很容易受到具體問題的條件限制，不能全面地總結(jié)出建構(gòu)模型的條件。但物理模型的學習并不是簡單的概念學習，需要通過對相應的物理情境進行分析，結(jié)合具體物理問題的要求確定研究對象，尋找影響問題的相關(guān)因素，然后用定性或定量的實驗手段確定哪些是主要因素、哪些是次要因素，有時抽象有時近似有時推理等，建構(gòu)出物理模型，掌握物理模型建構(gòu)的思維方法。結(jié)合我們的實踐，建議的策略是：以系列情境為載體，通過情境中的問題，尋找相關(guān)因素，確定主要因素，經(jīng)歷模型建構(gòu)的過程，獲得模型建構(gòu)的經(jīng)驗和方法。

（二）運用建模方法，使復雜問題簡單化，簡單問題模型化

課堂教學中，建構(gòu)模型的過程是為了體會和學習模型建構(gòu)的方法，學生更要能運用這些方法解決實際問題，模型建構(gòu)能力才能真正得到提升。也就是還要設(shè)計實際問題，能讓學生在解決問題的過程中運用模型建構(gòu)的方法。在解決實際情境問題時，我們可以參考圖2，學生的思維過程首先是將“情境化的問題”轉(zhuǎn)化為“非情境化的問題”，在這個過程中，學生要運用已有的物理知識以及分析、判斷、簡化、抽象等思維方法；然后是從“非情境化的問題”到“問題解決”，這個過程主要是用物理知識和數(shù)學工具進行推導和演算。傳統(tǒng)教學重在落實物理知識和方法，由此可見，傳統(tǒng)教學中的學生活動更多發(fā)生在從“非情境化的問題”到“問題解決”這一過程。我們當下的物理教學就是要求教師在原來教學的基礎(chǔ)上，補上把“情境化的問題”轉(zhuǎn)化為“非情境化的問題”的思維過程，也就是模型建構(gòu)的過程。

圖2 解決實際情境問題的思維過程1

繼續(xù)以“伽利略對落體運動的研究”為例，完成建構(gòu)自由落體模型后，教師提出了一個生活中的實際情境問題：雨滴從高空云層下落是什么樣的運動？ 我們將思維活動過程梳理如表1所示。

表1 思維活動過程梳理

雨滴從高空云層如何下落是一個情境化的問題。學生首先將情境與已有的自由落體運動模型關(guān)聯(lián)，由于不滿足只受重力，所以初步判斷不是自由落體運動。這時教師補充關(guān)于空氣阻力和下落速度的相關(guān)知識。剛下落時速度較小所以阻力較小，與重力相比可以忽略，然后阻力隨下落速度的增大而增大，最后大小趨近于等于重力。進一步分析當阻力與重力相比近似忽略不計時，等效于只受重力，這一段運動可抽象為自由落體運動?？梢姡瑢W生的思維活動需要運用近似、等效等科學思維方法，這樣就將原來情境化的問題“雨滴怎么動”，轉(zhuǎn)化成非情境化的問題 “開始是自由落體運動嗎”“最終是勻速直線運動嗎”，使得復雜問題簡單化，簡單問題模型化。一個實際生活中較復雜的問題，轉(zhuǎn)化成若干個可以展開研究的理想化模型。

要將建構(gòu)物理模型的方法遷移到全新的情境中，必須強化學生將物理知識與實際情境相關(guān)聯(lián)的能力，提高把物理知識與實際情境進行聯(lián)系的自覺性，增強學生進行模型建構(gòu)的實踐意識。當學生面對物理語言、文字和符號時，能自覺地聯(lián)想相應的物理情境；當學生面對實際情境時，會自然聯(lián)想到與此相關(guān)的物理概念和規(guī)律。我們常說某個問題很“活”，其“活”的本質(zhì)之一在于情境的轉(zhuǎn)化，能不能把問題中的實際情境轉(zhuǎn)化成解決問題的物理情境，建立相應的物理模型，這是應用物理觀念思考問題，應用物理知識分析解決問題的關(guān)鍵。結(jié)合我們的實踐，建議的策略是：創(chuàng)設(shè)可提煉問題的情境，多提供讓學生運用模型建構(gòu)方法關(guān)聯(lián)已有模型，建構(gòu)新模型的機會。

在《2020修訂版課標》的教學要求下，學生要解決很多具體情境化的問題，要具備這樣的能力，就需要學生首先具備模型建構(gòu)的能力，而這種能力并不是在解題中獲得的，需要教師從單元教學架構(gòu)的視角，從課堂教學到課后的配套作業(yè)和活動，創(chuàng)設(shè)豐富的適切的情境海洋。學要創(chuàng)設(shè)情境，用也要創(chuàng)設(shè)情境，而且情境還不能一樣，以此呈現(xiàn)教師對培養(yǎng)學生模型建構(gòu)的能力進行的整體規(guī)劃。

注釋：

1.源自教育部考試中心李勇處長的培訓講座PPT。