中学物理教学建模思想初探

王秋晨

[摘   要]中学生认为物理难以理解，定律、定理十分抽象，与实际生活联系甚少。在科学发展的过程中，物理学家利用实际物体进行理想化与抽象化的建模思想，非常值得教育工作者借鉴。文章从建模理论入手，基于对伽利略研究中建模思想的分析，说明建模思想在中学物理教学中的应用，以及对学生物理学习的影响。

[关键词]中学物理;建模;教学应用;理想化

[中图分类号]   G633.7      [文献标识码]   A        [文章编号]   1674-6058（2020）18-0033-02

2018年1月，国家教育部发布了《普通高中课程方案和全部学科课程标准（2017年版）》，相对于2003年印发的普通高中课程方案和课程标准实验稿，2017年版更加符合新时代对人才培养的需要。新版的物理课程标准中，在课程内容方面，必修1的第一主题就是“机械运动与物理模型”，其中，“物理模型”首次被纳入大标题中，可见其重要性。在2003版课标中，要求学生“了解物理学研究物理模型的特点，体会物理模型在探索自然规律中的作用”。新版课程标准中改为要求学生“体会建构物理模型的思维方式，认识物理模型在探索自然规律中的作用”。也就是说，学生不仅要对物理模型有一定的了解，更要对构建物理模型的过程有深入的学习。

一、生活化物理教学现状

教学生活化的教育思想层出不穷，通过实际生活现象引入教学内容也得到了大多数教师的认可，于是生活化物理教学被大力推广。然而实际生活现象十分复杂，许多物理规律、定律、定理是在对实际现象理想化与抽象化后得到的。学生难以将在学校学到的物理知识与现实生活有机、自然地结合起来。物理定律并没有告诉我们真实的物体做了什么，教师也很少强调定律和定理与现实世界的联系，导致学生会认为理论与实际没有很大联系。基于此，建模思想应被纳入中学物理教学中。

二、建模思想的发展

上世纪60年代，在许多科学哲学家的推动下，模型与建模的基本科学原理大量涌出，这些研究中比较一致的观点是模型在科学知识结构中应占据中心位置。这些研究的主要问题是，科学知识如何同实践联系起来？这并没有唯一的答案，但可以确定的是，建立模型对学生和教师都有帮助，它可以让人们更加批判性地思考科学的对象和理论。继而，科学哲学家将建模理论推广到科学教育研究中，受到了科学教育界的广泛认可。其主要目的是在现象与理论之间建立联系，尽量让学生习得理论，要让学生懂得，重要的是认识自然界的规律，而不是现象本身。

虽然这些规律只能应用到一个理想化的世界中，但这个理想化的世界不是想象中的产物，而是可以从概念上代表自然界的。也就是说，建模思想是通过一个创造性的过程解释现实，从而认识自然规律。在科学发展史上有许多科学家利用建模的方式进行科学活动，例如，亚里士多德的归纳-演绎法、伽利略的实验数学法、培根的科学归纳法、笛卡尔的直观-演绎法和还原思维法、牛顿的假说-演绎法和公理化法以及爱因斯坦的直觉-演绎法等，这些科学家的理论体系在当时的背景下都可以解决许多实际问题。随着科技的进步、理论的发展，科学学科的理论体系也随之完善，不变的是这些经典的理论体系依旧探讨科学问题中的基本原则。所以对科学建模进行深入探究，并将其思想方法应用于中学物理教学中，有助于学生思维的培养，并且可以加强学生对科学规律的认识。

三、建模中的理想化与抽象化

理想化与抽象化在建模过程中起到十分重要的作用。理想化方法是忽略干扰因素，为了理解某一部分的事物，有意地把复杂的问题简单化。这一被简化的问题，或是一个物体，或是一种状态，抑或是概念上的描述。在伽利略的著作《关于两门新科学的对谈》中，他把这种方法称为“实验”，并且这个“实验”可以分辨出单一因素对结果的影响。例如，伽利略认为，为了推断“所有物体在空中会以相同的速度落下”，要忽略阻力的影响。于是他用“实验”来阐述这一事实。他把在“最稀薄，阻力最小”的介质中下落的物体与在“不那么稀薄，有更大阻力”的介质中下落的物体进行比较，通过有限制的例子进行合理推理到完全无阻力的状态中，这种“实验”不同于科学实验，无法在物化过程中实现，也就是物理学中提到的“理想实验”，也叫“假想实验”或者“思想上的实验”。

伽利略在《关于两门新科学的对谈》中表明，在科学活动中进行理想化和抽象化是合乎规则的思考过程，这在伽利略所推广的新科学出现过程中极为重要。理想化的目的不仅仅是把物体从复杂的物理状态中解脱出来，更重要的是可以促使理论模型更具有解释力量。对于这些需要解释的特性，通过形式上的简化和省略，再利用数学的方式表达可以得到有用的结果。例如，牛顿在《自然哲学的数学原理》中提到的开普勒定律，就是利用这种理想化进行讨论的。

我们所要关注的不是对于每一种理想化形式的严格定义，而是要探讨在物理教学中理想化和抽象化对模型建构的作用。所以我們认为理想化是认识主体所进行的行为，对要研究的物体可省略一些特点、简化一些性质，按照我们的需要做出相应的变化。建模的结果是关于一个真实物体或事件的概念，为了理解如何用这样的物体或概念去解释他们所描述的世界，这要求我们知道模型产生科学知识的过程。

四、伽利略研究中的建模思想

伽利略把参照理论从可见物体转到概念物体，用以模型为基础的自然观来有力地支持他的新科学。在伽利略的研究中，理想化和抽象化是其最大的特点，这种思考过程的应用在伽利略的大部分著作中都有所体现。例如，著名的自由落体定律是伽利略认为不同的物体在没有阻力的介质中会以同样的速度落地。但在真实的条件下，没有阻力的介质是不存在的，所以他的这个假设就是一个抽象的构建。再如，关于杠杆操作原理的讨论中，为了显示杠杆是怎样抬起重物的，伽利略把杠杆当作没有重量的非物质体，可以明显看出这里面他所说的“非物质体”就是一个理想化的构建。即用模型来描述一个实体。

伽利略另外常用的一种建模方式是几何化。在《关于两门新科学的对谈》中，分析物体斜面上的加速运动时，伽利略利用几何推理的方法，首次提出了一个假设：物体通过的距离与时间的平方成正比，并且进一步讨论了这一关系能否用于实际的问题。他描述了一个“实验”：把一个圆的铜球放在木头挖出的槽上，再用滴水计时来测量它下落的时间。他的描述十分详细：这个槽“非常直、平滑，而且打磨得非常光”，球则是“硬、光滑，而且非常圆的”。应用同样的方法，伽利略还对单摆运动的规律进行了详细的讨论。在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中，他用理想化的方法，忽略阻力因素，推导出简单的单摆运动规律，并且用几何方法描述物理现象。

五、对教学的启示

伽利略的研究有一个突出的特点，他所分析的不是实物，而是构造的模型，以科学模型为起点，构建科学理论。用这种方法给学生授课，其作用有：①利用模型学习可以明确讲出理论直接牵涉的物体的概念特点，帮助学生了解科学知识和理论知识所要解释的世界之间的关系，给学生提供一个能够更加深入思考与理解的空间，同时也能够让学生认识到抽象化在科学推理中的优势。②利用模型学习可以重温知识。例如，在动力学中，以一些特殊的运动状态为基础进行抽象化研究，可以扩大理论范围，帮助理解一般理论的内容和意义。③模型可以起到媒介的作用。以更清晰的方式探索科学模型的近似观点，成为沟通理论与经验之间的桥梁，使学生和教师能就关于用科学理论描述世界的方法，进行提问与讨论。

本文开篇提到，很多教师在教学实践中会把生活中的实际例子引入教学，而在授课过程中，教师没有明确描述所利用的模型想要描述的真实物体，在什么情况下、在哪些方面，模型可以代替物体，什么时候两者又不能等同的问题。这样一来，学生就会感到困惑，他们会认为理论就是实际物体，当实际物体的情况与理论不同时，便会加大学生的疑惑。另一方面，如果教师直接将一般理论教给学生，省略了建模过程，就忽略了模型与实际的联系，不仅误导学生，还会使学生失去探索科学知识近似性和理想化性质的机会。

建模思想可以成为物理课堂的一种教学模式，通过理想化和抽象化形成模型的过程，伴有创造、实验和严格的评估。在课堂上以一个未抽象化和理想化的事物原型为基础，通过教师的引导和理论介绍，发挥学生的主观能动性进行模型构建，这样的建模过程可以帮助教师克服在教学过程中理论与实际相分离的情况。

本文提到的模型构建只解释了科学模型的一些重要特点，仅为物理教学提供参考，并不能说明科学模型的所有细节和复杂的性质。课堂上的建模过程确实可以帮助学生改进他们对现实物体与理论之间关系的理解，使学生的科学知识结构更加清晰。教师想要把这种模式应用于中学物理课堂教学中，还需要做更加深入的研究。

[   参   考   文   献   ]

[1]  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[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.

[3]  刘大椿等.一般科学哲学史[M].北京：中央编譯出版社，2016.

[4]  王著.科学哲学与物理探究建模[M].济南：山东教育出版社，2006.

[5]  伽利略著，戈革译.关于两门新科学的对谈[M].北京：北京大学出版社，2016.

[6]  牛顿著，王克迪译.自然哲学之数学原理[M].北京：北京大学出版社，2006.

[7]  伽利略著，周煦良等译.关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话[M].北京：北京大学出版社，2006.

（责任编辑    黄诺依）