从中美教材对比视角谈“理想化模型”教学思路

罗成

摘 要：理想化模型是研究物理问题最基本、最重要的科学研究方法之一。从中美教材对比视角出发，以“质点”模型教学为例，凸显科学方法，提炼“理想化模型”教学思路。

关键词：理想化模型；教材对比；教学思路

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）12-0019-4

“理想化模型”是指在一定条件下对实际事物的几何形体、物理性质或物理环境等进行合理的抽象而得到的理想事物[1]。“理想化模型”源于具体事物又高于具体事物，是感知和思维的产物。“质点”是高中物理提出的第一个理想化模型，“质点”模型的建立既是一种典范，又具有普遍意义。高中物理课程标准指出：“倡导不受某一种教科书的束缚，吸收和利用各种有利于学生发展的课程资源。教师应根据本校特点和学生的需要，精选课程资源，充实物理课程的教学内容”[2]。鉴于此，下文选用人教版高中教材与美国主流高中教材《物理 原理与问题》，以“质点”模型的构建过程为例从教材对比的视角予以分析，并总结“理想化模型”的教学思路。

1 对比分析“理想化模型”构建过程

“质点”模型内容呈现方式对比如表1所示。 创建有效的教学情境可促进学生对新概念的建构，增强学习动机，对高中物理教学的起始阶段显得尤为重要。两个版本的教材采用多种方法创设教学情境，构建“理想化模型”——“质点”模型，如人教版采用的是列举生活实例、猜想提出问题的形式；美国版通过生活观察实例、显化科学方法的形式。“理想化模型”的提出在关键词表述方面体现出了差异，人教版使用了“理想化”“简化”，美国版使用“想象”“看作”这一表述。“理想化模型”图表呈现方面，对比表1中的两幅图观察，美国版将质点的理想模型变抽象为形象，直观展示出来了，使学生对质点有了直接的感性认识。人教版虽然也试图通过图片渗透质点模型的教育，但效果远不如前者。《普通高中物理课程标准》（以下简称《课标》）对“质点”的教学要求是：通过对质点的认识，了解物理学研究中物理模型的特点，体会物理模型在探索自然规律中的作用[2]。根据《课标》的要求，第一个层次需要学生认识质点，即什么是质点，为什么要引入“质点”；第二个层次要求了解物理模型的特点，即怎样建立物理模型，物理模型有何特点；第三个层面要求体会物理模型在探索自然规律中的作用，即如何简单运用物理模型解决问题。根据《课标》的要求和学习动机理论，美国版则更加符合《课标》的要求和学生的认知特点。

2 优化设计“理想化模型”教学实例

比较不是为了批判，而是为了选取精华；整合不是为了叠加，而是为了最佳融合。教材都是课程专家和学科专家集体智慧的结晶，理应结合学生实际，选取精华素材，优化教学思路，提高学习实效。

2.1 创设情境，提出问题

教学情境的创设应具有新颖性，极大地触动学生的各个感官，而教材中的素材具有滞后性，不符合新颖性这一特点。笔者在情境设置方面作了如下设计：化静态的图片为动态的视频，选用了“嫦娥三号”探测器发射运动视频，如图1所示。介绍科学家研究“嫦娥三号”探测器的运动轨道、在空中所处的位置、飞行的速度等问题时所采用的方法——将“嫦娥三号”简化为“点”。提出问题：我们在研究物体的运动时，是否也可以像科学家研究“嫦娥三号”那样把研究的物体简化为一个有质量的点呢？

物理教学情境的选择不能随心所欲，而应使物理情境有助于学生在头脑中形成正确而清晰的物理表象。在“质点”模型的传统教学中，采取了地球公转和自转等情境，由于没有很好地与学生真实的生活实际相结合，因此存在一定的缺陷。而优化后的情境（“嫦娥三號”探测器的运动）充分体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。

2.2 列举实例，思考讨论

各版本教材中为了让学生更好地认识“质点”模型，列举了大量的实例，人教版采用的是地球的公转和自转，火车整体的运动和车轮的转动。比较发现美国版在实例列举上则处理得更加合理——选用“跑步者”的运动，选取的素材与学生的生活实际联系紧密。借鉴“跑步者”这一实例，设计如下讨论交流：

①你觉得要准确描述跑步者的位置，容易吗？请说说你的看法。

②如果忽略跑步者身高、姿势上的差异，只关心他的运动轨迹，可否简化处理？请说说你的看法。

科学概念源自生活，又服务于生活，通过创设生活化的情境，在真实的生活经验中找寻有益的学习素材，结合素材提出层级化的问题，使得物理概念得到良好的建构。

2.3 引导概括，建立模型

任何一个物理模型的建立，都有其建立的必要性，学生只有认识到建立这一模型的必要性和重要性，才能主动地进行学习。通过上面的讨论交流，引导学生思考：如果忽略跑步者手臂和腿的运动，而只关心他的运动轨迹，就能更方便地观察跑步者的运动情况。因为这时你只要把注意力集中在他身体中心的某一个点即可。若将跑步者缩小为一点，就可以得到跑步者运动的“质点”模型，借助这一做法可以做出跑步者每隔一定时间运动的“质点”模型图，如图2所示。

通过上述环节概括得出：在物理学的研究中，你经常可以忽视运动物体的体积和大小，而把所研究的运动物体想象成一个非常非常小的物体，更确切地说，就是把其想象成一个点。这种忽略物体大小和体积而把物体看作一个点的方法，称为质点模型（paretic model）[3]。

美国版教材在“理想化模型”的构建方面从物理学研究方法（建立理想化模型）入手，提出质点模型，并给出使用“质点”模型的注意事项和用“质点”模型进行测量时的具体操作方法，显化了科学方法（理想化方法），而人教版则是以旁批文字形式呈现理想化方法。根据传播学理论，人类在接收新信息、新知识的过程中，需要将新信息、新知识与已有的信息、知识和经验相关联，对新的信息和知识进行解码和重组，最终同化、顺应后内化为个人的信息和知识，进而丰富、完善个人的知识体系[4]。研究表明：在教学中采取让学生“悟方法”的方式并不能有效地发展认知结构，完善知识体系。概而言之，只有对科学方法进行显性化教学，实现知识应用的便捷与有效的迁移。

2.4 迁移应用，跟踪评价

在对某一概念学习后，学生是否真正掌握了所学的知识？分析问题和解决问题的能力是否有所提高？还存在什么问题？问题的根源在何处？要想解决此类问题就必须对学生的知识形成情况进行客观的评价[5]。形成性测试对教学有导向功能、诊断功能、激励功能和发展功能，教材后的练习题就是很好的测试素材。因此，在教学中选用了如下三道测试题：

①如图3所示的是一只小鸟的运动图。用质点模型画出对应的简化运动图。应该选择小鸟身上的哪一点来代表小鸟？

②分析下列情境中的研究对象哪些能看作质点，哪些不能看作质点：

a.研究跳水运动员的空中做的转体运动；

b.研究运行中的人造地球卫星的轨道；

c.研究运动中的自行车车轮的转动快慢。

③物理中的“质点”跟几何学中的“点”有什么相同和不同的地方？你能否总结一下：在具体问题中把物体看成质点的条件是什么？请相互交流。

练习的目的在于进一步消除学生对概念的模糊感与陌生感，①②题就是为了强化质点模型，有助于学生理解和加强概念建立过程中的方法；另一方面要体会如何在具体问题中应用物理模型，开放性的问题比较适合③题。

3 高度提炼“理想化模型”教学思路

美国心理学家Judd提出的“类化说”学习迁移理论对物理模型教学有重要的指导意义。Judd认为在先期学习A中获得的东西，之所以能迁移到后期学习B中，是因为在学习B时获得了一般原理，这种原理可以部分或全部运用于A、B之中[6]。针对某些教学问题，提炼问题解决一般的程序，步骤及策略或者借助图表压缩信息，构建起知识网络，形成一定的“思维模式”，优化头脑中的知识结构，提高教学实效。

理想化模型教学重在凸显理想化方法，所谓理想化方法是指研究主体借助于逻辑思维和想象力，根据所研究问题（一般都是涉及诸多因素的复杂问题）的需要和具体情况，有意识地突出研究对象的主要和本质因素，排除次要、非本质以及无关因素的干扰，通过创建理想化模型、塑造理想化实验从而简明扼要地揭示物理现象本质的方法[7]。通过优化设计的“理想化模型”教学实例提炼“理想化模型”的一般教學思路如图4。

首都师范大学邢红军教授从科学方法的来源出发，将科学方法分为思维方法和物理方法两类。其中，前者是主观的，是大脑的功能，需要训练才能使学生形成和掌握；后者是客观的，不是大脑的功能，需要教师的传授才能让学生习得和掌握[8]。在上述“理想化模型”的一般教学思路中物理方法和思维方法在显化的基础上得以最佳的融合。

参考文献：

[1]姚景林.理想化模型[J].天津师范大学（自然科学版），1995（9）：60—63.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：62.

[3][美]保罗.齐泽维茨.物理原理与问题[M].杭州：浙江教育出版社，2008.

[4]朱亚军.论高中物理可视化教学的技术原则和应用[J].中学物理教学参考，2015，44（12）：39—41.

[5]周兆富.物理试题编制原理与技术[M].广州：广东教育出版社，2015.

[6]庄福振，等.迁移学习研究进展[J].软件学报，2015（1）：26—39.

[7]吴强.科学方法与高中物理问题解决[M].济南：山东教育出版社，2013.

[8]邢红军，陈清梅，胡扬洋.科学方法纳入课程标准：基础教育课程改革的重大理论问题[J].教育科学研究，2013（7）：5—12.

（栏目编辑 刘 荣）