李金秀，楊曉輝，劉瀚文

（1.赤峰學(xué)院 物理與智能制造工程學(xué)院；2.赤峰學(xué)院 圖書館，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

在新一輪課程改革中，新課標進一步明確了中學(xué)教育的定位、優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、強化了課程有效實施的制度建設(shè)保障，對學(xué)校、教師以及學(xué)生都提出了不同層次的要求和所期望達到的成果等對課程方案做了調(diào)整，主要以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)虒W(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)評價等方面提出新要求，更加注重課程內(nèi)容的情境化，關(guān)注學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生社會責任感、創(chuàng)新精神、實踐能力等相關(guān)內(nèi)容。研究和制定了各階段核心素養(yǎng)所要達到的水平層次和學(xué)業(yè)標準?？梢姡抡n標對各方面都落實到具體環(huán)節(jié)且更加具有指導(dǎo)意義。

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)與各學(xué)科交叉性強和實踐性強的一門科學(xué),高中物理課程是自然科學(xué)領(lǐng)域中體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)、重視基礎(chǔ)性和選擇性、適應(yīng)時代性的一門基礎(chǔ)課程。學(xué)科核心素養(yǎng)是2017年高中物理課程標準中提出的新概念。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習而逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責任”四個方面[1]?？茖W(xué)思維是核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生由具體到抽象、復(fù)雜到簡單、感性認識到理性認識的過程中對客觀事物的本質(zhì)屬性和內(nèi)在規(guī)律不斷思維化的過程。模型建構(gòu)與科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素組成了科學(xué)思維，模型建構(gòu)是運用模型來分析處理物理問題的重要方法。本文通過研讀新課程標準，分析中學(xué)物理教材內(nèi)容和組織、學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)等結(jié)合研習、見習的體會，談?wù)劰P者在培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力的一些思考與設(shè)想。

2 物理模型建構(gòu)能力概述

“模型”一詞最早產(chǎn)生于拉丁文中的“moldulus”這個單詞，中文翻譯是系數(shù)、模型、尺度、樣本的意思。模型是對原型的升華和思維抽象過程，是原型的簡化，是對客觀存在和主觀反應(yīng)進行抽象加工從而反應(yīng)事物本質(zhì)和規(guī)律的產(chǎn)物，是人們?yōu)榱诉_到一定的目的研究某一事物所采用的工具，是有助于提高人類文化素養(yǎng)和科學(xué)意識的方法。

物理模型是對物理問題進行具體化、抽象化的概括處理，是揭示問題的本質(zhì)特征和規(guī)律來解決生活中實際問題的一種理想化構(gòu)造、理想化物體、理想化過程和結(jié)果的描述或模擬[2]。在建立模型解決問題時應(yīng)確定研究對象、分析研究對象的狀態(tài)、抓住狀態(tài)的變化過程和采用何種方法來解決問題等因素。因此，研究者會從不同的視角對物理模型進行不同的歸類，本文主要研究中學(xué)教學(xué)，結(jié)合新課標要求，筆者把高中階段主要學(xué)習的物理模型分為對象模型、過程模型、狀態(tài)模型、條件模型、問題模型，如表1。

表1 高中階段常見模型

物理模型建構(gòu)能力是學(xué)生在認識物理模型和物理模型建構(gòu)實質(zhì)的基礎(chǔ)上，從所面對的物理環(huán)境中選擇恰當?shù)难芯繉ο?，回顧已知模型并結(jié)合所研究對象的特征和過程，將復(fù)雜的現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為物理模型，應(yīng)用所建立的物理模型來解決面對的物理問題，同時還要會把頭腦中已建構(gòu)的模型遷移到新的情境中，再對所建立的物理模型進行驗證、反饋和評價，形成新認知的一種綜合能力。包含選擇恰當研究對象的能力、模型建立能力、模型應(yīng)用能力、模型遷移和拓展能力、反饋評價能力等，如圖1所示。

圖1 物理模型建構(gòu)能力

課程標準對高中物理模型建構(gòu)教學(xué)也提出了要求。2003年版《普通高中物理課程標準》（以下簡稱“舊課標”）要求：認識物理模型在物理學(xué)中發(fā)展的作用，了解物理學(xué)研究中物理模型的特點，體會模型在研究物理中的應(yīng)用和在探索自然規(guī)律中的作用。在以往的教學(xué)中，教育工作者也很重視物理模型教學(xué)，但是舊課標著重是讓學(xué)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，這就造成了教師教完重要的物理模型后，學(xué)生要解決的問題大多都是理想化模型，也就是“是什么，直接用”的過程，顯然不利于學(xué)生解決真實情境的問題。所以2017年版《普通高中物理課程標準》（以下簡稱“新課標”）提出新要求：學(xué)生具有構(gòu)建模型的意識和能力，教學(xué)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(xué)有關(guān)的問題，引導(dǎo)學(xué)生討論，讓學(xué)生體會建構(gòu)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)物理模型來研究和解決實際問題[3]。這說明當給學(xué)生一個真實的問題，學(xué)生首先要知道把真實情境處理成一個物理模型，還要知道怎么建構(gòu)一個合理的、科學(xué)的模型。顯然，這樣的要求一定是伴隨著一個真實的情境或者問題而產(chǎn)生的，是“為什么，怎么建”的過程。新課標對物理模型建構(gòu)所要達到的水平進行了細化，如表2。

表2 模型建構(gòu)水平

3 高中生物理模型建構(gòu)能力現(xiàn)狀分析

物理模型根源于現(xiàn)實生活，又高于生活，最后又回歸生活，它不是憑空想象的，而是對研究對象科學(xué)的、正確的分析處理之后的物理形態(tài)。這個建構(gòu)過程不是學(xué)生機械記憶和套用，而是學(xué)生形象思維和抽象思維貫穿過程，有助于學(xué)生對所學(xué)習的知識產(chǎn)生更深層次的認知。中學(xué)物理模型的建構(gòu)過程一般是把實際問題或情境簡化為物理模型，運用科學(xué)方法和知識來得到實際問題的解，再對現(xiàn)實問題的解進行檢驗、修改、深化和拓展，最后回譯到問題或者情境，看是否合乎實際，如圖2所示。中學(xué)物理模型建構(gòu)側(cè)重于問題解決的過程，表現(xiàn)為學(xué)生對學(xué)知識的“想用，會用，能用”的一種物理意識。

圖2 物理模型建構(gòu)過程

侯新杰等人在對高中生物理模型建構(gòu)能力的調(diào)查中采用了問卷編制及訪談設(shè)計的方法，從物理模型的含義、物理模型的本質(zhì)、物理模型的效用、物理建模的目的、物理建模實踐能力等各維度對學(xué)生進行了調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)超過一半的學(xué)生對物理模型的含義有錯誤的認識，忽略了對物理模型本質(zhì)的理解[4]。同時學(xué)生模型建構(gòu)的分析能力、運用能力、驗證能力都處于比較低的水平層次，大多數(shù)學(xué)生只重視物理規(guī)律和物理概念的學(xué)習。在物理模型建立時，學(xué)生對所建立的物理模型特征和適用范圍還沒有形成清晰的認識，并不能很好的聯(lián)系其他學(xué)科知識的來建立物理模型。耿娜基于建構(gòu)主義理論、最近發(fā)展區(qū)理論結(jié)合文獻法、問卷調(diào)查法、訪談法對高一學(xué)生物理模型應(yīng)用現(xiàn)狀進行了調(diào)查。發(fā)現(xiàn)學(xué)生對物理模型的概念、規(guī)律的認識還不足；其次學(xué)生對物理模型的適用條件不清晰，運用物理模型來解決問題的能力不足；同時還存在抓不住主要因素，忽略次要因素等問題[5]。林棟梁在高三學(xué)生物理模型應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查研究中，發(fā)現(xiàn)高三學(xué)生對基礎(chǔ)物理模型認識不夠深入，缺少物理模型的建構(gòu)意識，物理模型遷移應(yīng)用存在困難等問題[6]。

綜上，學(xué)生對模型建立的過程沒有得到很好的發(fā)展，缺乏模型建構(gòu)能力的系統(tǒng)訓(xùn)練，也不能從題目中或者實際情境中提煉物理模型，學(xué)生不能在模型建構(gòu)過程中尋找相關(guān)因素，忽略次要因素，明確主要因素。

4 提升高中生模型建構(gòu)能力的教學(xué)策略

本文以適切情境為載體，通過問題逐步引導(dǎo)，讓學(xué)生經(jīng)歷物理模型建構(gòu)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力，促進科學(xué)思維的進階，落實學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。筆者提出了在物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力的教學(xué)策略。

4.1 創(chuàng)設(shè)適切情境，展開建模活動

情境是模型建構(gòu)的載體和展開基礎(chǔ)，在教學(xué)中，教師可以利用趣味性實驗、視頻、圖片、認知沖突等來創(chuàng)設(shè)情境。不管采用那種策略來創(chuàng)設(shè)情境，要抓住模型建構(gòu)的原材料，突出真實情境，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)意識，創(chuàng)設(shè)提出科學(xué)問題的適切情境，情境要貼近學(xué)生生活，圍繞教學(xué)活動的目的，符合學(xué)生學(xué)習基礎(chǔ)，去繁存簡，利于學(xué)生基于情境運用一定的科學(xué)思維方法，展開思維分析活動。

體驗情境1：實際生活情境。在建立自由落體運動模型的教學(xué)中，教師首先展示一些常見的生活情景圖，例如余暉落葉、雪花飄飄、跳水運動、跳傘運動、人跑步、搬運貨物等生活情景讓學(xué)生進行分類歸納，讓學(xué)生比較不同類別的差異點，相同類別的不同點。教師提示學(xué)生將情景圖按照運動軌跡、速度是否恒定、是否需要人為參與進行分類，運動的復(fù)雜程度進行分類，來體會分類歸納的必要性。教師在引導(dǎo)學(xué)生從中選擇簡單的運動來研究，引出物體只受重力和阻力的研究對象，歸納落體運動的共同特征。在探究下落快慢的影響因素時，教師仍然可以創(chuàng)設(shè)一系列的情境，例如學(xué)生實驗用到的紙片，為了減小空氣阻力的影響，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，無法控制受到的阻力完全相同，教師需要創(chuàng)設(shè)新的情境。抽出空氣的牛頓管，同時釋放紙片和鐵片，下落的快慢幾乎相同。慢放下落的過程，發(fā)現(xiàn)紙團還是比鐵片下落的慢一點。最后，讓學(xué)生觀察在高真空環(huán)境下鋼球和羽毛同時下落的場景。

體驗情境2：物理學(xué)史情境。學(xué)生在對教師提出的生活情景分類后，教師利用是否需要人為參與的分類引出亞里士多德對自然中落體運動的解釋，即“越重的物體下落的越快”。用自相矛盾的故事過渡到伽利略質(zhì)疑亞里士多德對自然現(xiàn)象的解釋，否定了“重物比輕物下落快”的論斷。

體驗情境3：探究實驗情境。教師通過播放視頻或演示牛頓管實驗，分析空氣阻力對物理下落的影響。通過實驗探究、觀察和推理來建構(gòu)自由落體運動模型。

設(shè)計意圖：在情境1中沒有急于建立自由落體模型，而是從建立落體運動入手。因為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。通過呈現(xiàn)生活情景，讓學(xué)生從簡單的運動開始研究，這樣更容易找到研究對象，利于學(xué)生就此展開討論，而又不會受到其他無關(guān)因素的干擾。學(xué)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(xué)生還沒有系統(tǒng)學(xué)過受力分析，但是并不影響利用簡單的力學(xué)知識來分析出重力和阻力這兩個影響因素，從而將思維活動引向下一個關(guān)鍵性問題。再通過物理學(xué)史、牛頓管實驗等教學(xué)活動來建立自由落體運動模型。在實驗中，紙片，紙團，牛頓管，真空環(huán)境中的球和羽毛下落等情境已經(jīng)逐漸從實際生活過渡到實驗環(huán)境模型建構(gòu)中，教師創(chuàng)設(shè)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逐級過渡，符合學(xué)生的認知發(fā)展。

4.2 聚焦問題設(shè)計，引領(lǐng)學(xué)生思考

在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)了適切的情境，接下來就是圍繞情境設(shè)計模型建構(gòu)導(dǎo)向的學(xué)習活動。模型建構(gòu)關(guān)鍵是要在情境中設(shè)計與物理學(xué)有關(guān)的，有邏輯層次的系列問題，學(xué)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(xué)習模型建構(gòu)的方法。例如在自由落體運動教學(xué)中所設(shè)計的問題，如圖3所示。

圖3 自由落體運動教學(xué)的問題設(shè)計

設(shè)計意圖：從常見的生活情境引入課題，教師提問從哪種運動研究開始，用分類歸納的科學(xué)方法引出亞里士多德是如何研究運動和伽利略利用歸謬法如何質(zhì)疑越重的物體下落的越快，接著，學(xué)生在哪個物體運動最簡單的問題引領(lǐng)下，對四個情境進行分析，提出下落快慢的影響因素是什么的問題，從而找到了落體運動的兩個相關(guān)因素。再提出這兩個因素是如何影響物體下落的？進一步運用控制變量法展開研究，在這個過程中，讓學(xué)生體會空氣阻力徹底去除并不符合實際情況，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。抓大放小，當阻力大小和重力相比可以忽略時，重力成為主要因素，阻力是次要因素，從而完成自由落體運動模型建構(gòu)。在自由落體運動模型建構(gòu)完成時，教師又提出自由落體運動模型實際意義的問題，讓學(xué)生又回歸生活，并且嘗試對雨滴從云層高處下落的運動過程進行分解，了解自然中運動的復(fù)雜性，把復(fù)雜問題簡單化，簡單問題模型化，一個實際生活中較復(fù)雜的問題，就轉(zhuǎn)化成若干個可以展開研究的理想化模型，從而知道理想模型在現(xiàn)實生活中并不存在，感受真實運動和理想模型之間的關(guān)系，明白建立模型是研究問題的起點，體會模型建構(gòu)的重要性。

4.3 經(jīng)歷思維過程，提升建模能力

以情境為載體，通過問題引領(lǐng)，經(jīng)歷模型建構(gòu)的過程。學(xué)生經(jīng)歷了一系列教師精心設(shè)計的情境和問題結(jié)合物理知識對情境進行分類歸納，討論質(zhì)疑，實驗探究，邏輯推理等過程，體會在實際情境中建構(gòu)模型的一般方法，提升了模型建構(gòu)能力，促進科學(xué)思維的發(fā)展。例如在自由落體模型的教學(xué)中，設(shè)計實際問題讓學(xué)生在解決問題的過程中，運用模型建構(gòu)的方法，經(jīng)歷模型建構(gòu)的思維活動過程，讓學(xué)生體會和學(xué)習建構(gòu)模型的重要性，模型建構(gòu)能力才能真正得到提升。

4.4 情境問題訓(xùn)練，發(fā)展建模能力

傳統(tǒng)教育中，比較多的是處理非情境化問題，主要是用到物理知識，數(shù)學(xué)工具進行推導(dǎo)和演算。當一個情境化問題出現(xiàn)時，需要學(xué)生能綜合運用物理知識來分析、判斷、簡化、抽象等科學(xué)思維方法來將問題處理成一個非情境化問題，如圖4。學(xué)生要具備這樣的能力，就需要首先具備模型建構(gòu)的能力，而這種能力并不是在解題中獲得的，需要教師從教學(xué)整體架構(gòu)的視覺創(chuàng)設(shè)豐富的、適切的情境。

圖4 解題思維過程

例如在自由落體運動課程最后，教師創(chuàng)設(shè)雨滴從高空云層下落的情境化問題，學(xué)生首先要將情境與已建立的自由落體運動模型關(guān)聯(lián)，由于不滿足只受重力，可以初步判斷不是自由落體運動。這時老師補充關(guān)于空氣阻力的相關(guān)知識，解釋阻力和下落速度有關(guān)，剛下落時，速度較小，空氣阻力與重力相比可以忽略，這一段運動抽象為自由落體運動，隨著下落速度越來越大，阻力不斷增大，最后阻力趨近于重力，進一步分析，等效于物體不受力，這一段運動抽象為勻速直線運動，這樣就將情境化問題，雨滴怎么動，轉(zhuǎn)化為非情境化問題。學(xué)生通過解決雨滴從高空云層下落運動的實際問題，運用相關(guān)物理知識和實際應(yīng)用結(jié)合分析、判斷、簡化、抽象等方法，將情境化問題轉(zhuǎn)化為非情境化問題，感受真實運動和理想模型之間的關(guān)系，發(fā)展了模型建構(gòu)能力。

6 結(jié)語

模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)是一個長期過程，不能一蹴而就，需要貫穿在教學(xué)過程的始終，循序漸進的培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)意識和能力。本文通過對自由落體運動教學(xué)的設(shè)想，筆者認識到在物理課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的實際情境，提出能引發(fā)學(xué)生思考的問題，不僅有助于激發(fā)學(xué)生求知欲，掌握模型建立的方法步驟，學(xué)會應(yīng)用物理模型解決實際問題，也有助于學(xué)生思維得到提升，認知得到發(fā)展。但本文分析和研究范圍較小，提出的模型建構(gòu)教學(xué)策略有限，沒有很強的代表性，期望后續(xù)有關(guān)這一方面的研究能夠盡可能地拓寬研究范圍，做到更全面，提供多樣化的教學(xué)方式，從多個途徑培養(yǎng)學(xué)生的建構(gòu)模型的能力。所謂“教學(xué)有法，而無定法“，教師在課堂教學(xué)中還要不斷優(yōu)化教學(xué)方式，多提供給學(xué)生模型建構(gòu)的機會，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力，促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。