高中生物理建模意识和能力的培养策略研究

张永刚 朱巧萍

(宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021)

1 物理建模教学

高中物理教学的根本任务是在初中物理知识经验的基础上，继续培养和提高学生的物理学科核心素养.《普通高中物理课程标准(2017年版)》把物理学科核心素养分为物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个部分，其中科学思维被定义为“从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程……”.[1]由此可见，建模是科学思维这一核心素养的关键环节，是学生进行科学思维的前提和依据.

David Hestenes在认知建模理论中把心智模型定义为“思维的个体建模”，认为学习者必须借助于某种方式来表征自己的心智模型才能和外界进行沟通.这种表征过程促进了心智模型的发展，在此基础上才能实现个体建模的过程.[2]物理建模的过程是让学生针对具体的物理问题，联想生活现象中与此相关的某一画面、某一过程、某一情境，找出解决问题的主要因素，忽略次要因素，在头脑中建构一个简化的模型，其实质是形象思维向抽象思维的一个转化过程,也是心智模型的发展过程.教师的“教”和学生的“学”本质上都是一个不断建构、完善、应用、检验物理模型的过程.因此，本文主要探究培养学生物理建模意识和能力的具体教学策略.

2 影响学生建构物理模型的因素

2.1 高中生思维发展特点

皮亚杰认知发展理论把儿童的认知发展分为感知运动、前运算、具体运算和形式运算4个阶段.高中生的思维已经超越了对具体的、可感知事物的依赖，开始进入形式运算阶段，此阶段的显著特点是形象思维开始向抽象思维过渡.形象思维源于直接的生活情境，是对某个概念、过程、状态形象描述的一种认知能力；抽象思维必须在形象思维的基础上进行，是对许多物理情境进行概括和总结的过程.建构物理模型的过程也正是从形象思维开始，逐步向抽象思维转化的一个过程.学生建构物理模型的意识和能力与抽象思维的发展状况密切相关，直接取决于形象思维向抽象思维转化的意识倾向.

2.2 学生原有知识经验

建构主义学习理论强调学生原有知识经验的重要作用.学生的生活经验、物理概念、物理规律等原有知识经验都是学生进行抽象思维的基础.物理建模是抽象思维的过程，学生原有知识经验自然就成了建模的“基本原料”.如果学生缺乏这些“基本原料”，抽象思维就无法进行，物理建模也无从谈起.因此，学生原有知识经验就是物理建模的基础.

2.3 物理知识的迁移能力

迁移是一种学习对另一种学习的影响.学生原有知识经验丰富多彩、包罗万象.在具体的建模过程中，学生必然要思考如何在已有知识经验的基础上建构适当的模型来分析和解决物理问题,这个过程即为物理知识的迁移过程.因此，物理知识的迁移能力对学生建模意识和能力的培养至关重要.

2.4 教师的引导作用

物理教师的建模思维在教学过程中起着关键的引导作用.教师要全面系统地掌握物理教学中的重难点和学生普遍存在的疑点，准确理解教材的思路主旨，综合学科知识特点和学生认知发展规律，进行科学合理、实事求是地建构物理模型.在“先建构，后应用”模型的基础上培养和发展学生的科学思维，让学生体验物理模型对问题解决的实用性，其实质也是教师引导学生科学探究的过程.

3 培养学生建模意识和能力的策略

物理建模教学的主旨在于结合日常生活经验，通过对物理现象的分析，达到对物理概念、物理规律认识和利用的目的.其中规律建模、过程建模、一模多用等策略都发挥着重要的教学作用.

3.1 联系生活，引导学生设计思想实验，突出规律建模的基础

物理建模过程必须以学生的生活经验为基础，在此基础上引导学生进行思想实验，发展学生的抽象思维，培养和提升学生的物理观念.

教学案例：物质观念及其守恒定律的建模教学.

物质观念及其守恒定律是学生科学世界观形成的基础，在培养过程中要大胆尝试，突破教材，寻求生活实例，让物理知识走进学生的生活，从生活经验中寻找物质和物质守恒的模型基础.从物理变化、化学变化、生物反应等过程的角度出发，引出自然界物质变化和物质转换的问题.例如，水的蒸发，煤炭的燃烧，种子的成长等问题.

(1) 水在蒸发过程中，水量减少了，是不是水就消失了？如果没有消失，蒸发掉的水变成了什么？又去了哪里？

(2) 煤炭燃烧之后变成了碳灰，后者比前者的重量减少了很多，减少的量变成了什么物质？去了哪里？

(3) 杨树种子发芽、出土、不断长大，成为参天大树的过程，从几乎没有重量的种子变成千斤之重的大树，这个过程中物质和能量的转换守恒吗？

教师通过上述问题的提出，引出疑点：物质的存在形式是单一的吗？物质在转化过程中守恒吗？

教学注意事项：学生物理模型的建构、科学思维的形成及发展必须经过长时间的反复思考和不断的推敲才能够实现.因此，教师要有前瞻性，提前让学生思考问题，留给学生充足的思考时间，再让学生结合生活经验做出尝试性的回答.

针对上述3个问题，学生展开思想实验，给出了建构物理规律模型的现实生活案例.

(1) 学生甲联想到瓶装矿泉水，经过思考之后，提出问题：密闭的瓶装矿泉水在常温和冷冻两种状态下，重量是否相同？冷冻的矿泉水必须吸收热量才能够达到常温状态，即水吸收了热量之后会不会引起重量的变化？他认为可以通过测量同一瓶矿泉水，在两种状态之下的重量来检测物理变化过程中物质量是否守恒.

(2) 家中开了一个理疗馆的学生乙，经常观察到理疗拔火罐的过程，从中得到了灵感，他建议利用精密电子秤，称量正在燃烧的密闭透明火罐，以此来判断化学反应过程中的物质守恒.但是，他的思想实验遇到了麻烦，如何让密闭火罐里的可燃物自燃，成了全班学生思考和讨论的焦点.最终，这个问题被一片凸透镜解决了.这个思想实验设计出了化学反应(燃烧)过程中物质守恒的验证方法.

(3) 家里种着蔬菜大棚的学生丙，把一颗白菜种子放进了密闭透明的培养液里，他想要研究构成白菜的物质来自何方？密闭的空间隔绝了物质交换，精密电子秤示数，显示着物质量的变化情况.这是对生物反应过程中物质守恒的一种验证方式.

上述3个思想实验为学生建构物质观、物质守恒观的模型奠定了坚实的基础，当然也涉及到了能量及其守恒，激发了学生的物理学习兴趣.教师基于上述3个模型给出物质守恒定律：“在任何与周围隔绝的物质系统(孤立系统)中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变”.在物质守恒定律的基础上，学习和理解能量转化与守恒定律就变得容易了.

物理建模教学要密切联系学生的生活，在生活中找出模型的“原形”，再运用“原形”建构物理规律模型，这些“原形”也赋予了物理模型的真实意义.

3.2 结合实际，开展手工制作，建构过程模型的“原形”

物理课程中的许多知识在现实生活中很难找到建模的“原形”，这些知识对学生而言比较抽象，不易理解.教师不能把物理实验作为唯一的依据来引导学生建构物理模型，在教学中组织学生制作手工，不仅可以有效的帮助学生建构物理模型，还可以向学生渗透科学思维.

教学案例：以矢量合成法则为例，探究手工制作对过程模型建构的促进作用.

(1) 教学任务分析.

矢量合成法则是高中物理教学的重点和难点.学生第一次接触矢量及其运算法则，现实生活中不易找到与矢量知识相关的现象，导致了学生先前知识经验中没有矢量知识的固着点，教师也很难在学生已有知识经验中找到矢量知识的生长点.对学生而言矢量运算法则和标量运算法则存在着认知方式上的冲突.

(2) 教学理论基础.

根据奥苏贝尔的“逐渐分化原则”和“下位学习”认知方式来建构物理知识的结构体系，有必要向学生渗透一类物理量的科学思维和方法.先讲矢量的定义及其与标量的区别，然后讲解矢量的运算法则，之后再讲解位移、速度、力、加速度等矢量的合成.在此基础之上，建构矢量模型及其运算的过程模型，这样物理学习的难度就会有所降低，学生的科学思维也会得到提升.

(3) 建构手工模具.

制作材料：标有均匀刻度的直尺或窄木条，细小螺丝，打孔器，量角器.以直尺或窄木条为4条边制作平行四边形，用细小螺丝连接在一起，夹角处固定量角器.

教师引导学生自制物理实验模具即矢量合成模具，学生可以用自制的平行四边形来演示矢量合成的过程，在理论上学生可以制作任意形状的平行四边形作为矢量合成的模具.图1为学生自制的菱形矢量合成模具.

图1 学生自制的矢量合成模具

(4) 渗透科学思维.

在物理建模教学过程中必须渗透物理学科的思维特点和研究方法，在矢量合成与分解的教学过程中渗透和灌输等效替代法，让学生理解作用效果是可以替代的.如果一个矢量的作用效果和另外两个矢量的作用效果相同，这两个矢量就可以用一个矢量来代替.

(5) 演示动态过程.

通过调节矢量合成模具的夹角，可以形象地演示合矢量与分矢量之间的动态变化过程.以菱形矢量合成模具为例，可以更好地演示出两个大小相等的矢量，因夹角变化所引起的合矢量的动态变化过程，使学生更好地理解合矢量的大小、方向与分矢量大小、方向之间的变化关系.图2为学生用菱形矢量合成模具演示矢量合成的动态过程.

图2 矢量合成的动态过程

通过学生手工制作矢量合成模具来演示矢量的运算法则，为建构矢量运算法则所需的过程模型提供了实物原形，在制作和演示模具的过程中，既能够渗透科学思维、物理方法，培养学习兴趣，又能够引导学生深入探究，提升物理学科核心素养.

3.3 渗透知识间的联系，探究“一模多用”，以模型固化知识结构

建构物理模型是为了帮助学生更好地理解和运用物理知识，在实际的物理教学中突破教学重难点的关键环节也往往就落在了如何建构一个恰当的物理模型上.恰当模型的建构应该渗透着物理知识点之间的联系，教师要引导学生探究一种模型的多种用途，以此来加强物理知识点之间的内在联系，固化物理知识结构.

教学案例：探究电磁感应现象，运用“一模多用”帮助学生固化知识结构.

(1) 教学任务分析.

探究电磁感应现象的本质是教学的重点和难点，日常经验和感性认识不足直接导致学生难以理解电磁感应现象本质——磁通量的变化.磁通量的变化也是进一步学习法拉第电磁感应定律和变压器工作原理的基础，如何建构一个模型把电磁感应现象本质、楞次定律、法拉第电磁感应定律、变压器工作原理联系起来，实现“一模多用”？

(2) 探究提炼“一模”.

人教版《普通高中课程标准实验教科书物理(选修3-2)》中基于学生初中通电导体切割磁感线产生感应电流的知识，在探究电磁感应现象中引入了3个有层次递进关系的实验模型.如图3所示.

经过电磁感应现象的探究之后，引导学生对3个实验模型进行实质性的分析，在第3个实验模型的基础上，抽象出电磁感应的核心模型——原副线圈模型.如图4所示.

图4 原副线圈模型

(3) 知识扩展，实现“一模多用”.

提炼原副线圈模型，主要目的是实现“一模多用”，以此来强化电磁感应现象产生条件、楞次定律、法拉第电磁感应定律、变压器工作原理、自感、互感等知识点之间的密切联系，实现用一个模型来固化电磁感应知识结构的教学目的.

以此模型为例，可以讲解感应电动势的大小取决于磁通量的变化率、线圈匝数、有无铁心；在此基础上，教师也可以灵活地设计出变压器工作原理、自感现象、互感现象等很多有内在联系的综合性的教学案例，真正实现“一模多用”.

利用“一模多用”的模型探究物理教学过程，可以实现只用一个模型就能完成多个知识点的教学设计，能够更好地加强知识之间的联系，使学生掌握系统的知识结构，有利于学生对知识内在联系的深入理解，也有利于学生知识迁移能力的进一步培养.

4 结束语

上述策略有助于学生通过建立模型来理解物质观、能量观、矢量合成法则、电磁感应等物理难点.物理建模教学要以学生的生活经验、日常现象为基础，密切联系学生已有知识经验.在教学实践中，引导学生在真实的生产生活中体验问题的复杂性和丰富性，构建从情境中学习知识的认知途径.[3]在此基础上，辨识物理问题的实质，抓住主要因素，忽略次要因素，善于利用模型分析和解决物理问题，进而帮助学生发展科学思维，培养科学探究和质疑创新的能力.