面向高中生物理模型建构能力提升的教学探析

李金秀，杨晓辉，刘瀚文

（1.赤峰学院 物理与智能制造工程学院；2.赤峰学院 图书馆，内蒙古 赤峰 024000）

1 引言

在新一轮课程改革中，新课标进一步明确了中学教育的定位、优化课程结构、强化了课程有效实施的制度建设保障，对学校、教师以及学生都提出了不同层次的要求和所期望达到的成果等对课程方案做了调整，主要以核心素养为导向对教学内容、教学设计、教学评价等方面提出新要求，更加注重课程内容的情境化，关注学生思维、培养学生社会责任感、创新精神、实践能力等相关内容。研究和制定了各阶段核心素养所要达到的水平层次和学业标准。可见，新课标对各方面都落实到具体环节且更加具有指导意义。

物理学是以实验为基础与各学科交叉性强和实践性强的一门科学,高中物理课程是自然科学领域中体现物理学科本质、重视基础性和选择性、适应时代性的一门基础课程。学科核心素养是2017年高中物理课程标准中提出的新概念。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力，物理学科核心素养主要包括“物理观念“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面[1]。科学思维是核心素养的重要组成部分，是学生由具体到抽象、复杂到简单、感性认识到理性认识的过程中对客观事物的本质属性和内在规律不断思维化的过程。模型建构与科学推理、科学论证、质疑创新等要素组成了科学思维，模型建构是运用模型来分析处理物理问题的重要方法。本文通过研读新课程标准，分析中学物理教材内容和组织、学生的认知结构等结合研习、见习的体会，谈谈笔者在培养学生模型建构能力的一些思考与设想。

2 物理模型建构能力概述

“模型”一词最早产生于拉丁文中的“moldulus”这个单词，中文翻译是系数、模型、尺度、样本的意思。模型是对原型的升华和思维抽象过程，是原型的简化，是对客观存在和主观反应进行抽象加工从而反应事物本质和规律的产物，是人们为了达到一定的目的研究某一事物所采用的工具，是有助于提高人类文化素养和科学意识的方法。

物理模型是对物理问题进行具体化、抽象化的概括处理，是揭示问题的本质特征和规律来解决生活中实际问题的一种理想化构造、理想化物体、理想化过程和结果的描述或模拟[2]。在建立模型解决问题时应确定研究对象、分析研究对象的状态、抓住状态的变化过程和采用何种方法来解决问题等因素。因此，研究者会从不同的视角对物理模型进行不同的归类，本文主要研究中学教学，结合新课标要求，笔者把高中阶段主要学习的物理模型分为对象模型、过程模型、状态模型、条件模型、问题模型，如表1。

表1 高中阶段常见模型

物理模型建构能力是学生在认识物理模型和物理模型建构实质的基础上，从所面对的物理环境中选择恰当的研究对象，回顾已知模型并结合所研究对象的特征和过程，将复杂的现实问题转化为物理模型，应用所建立的物理模型来解决面对的物理问题，同时还要会把头脑中已建构的模型迁移到新的情境中，再对所建立的物理模型进行验证、反馈和评价，形成新认知的一种综合能力。包含选择恰当研究对象的能力、模型建立能力、模型应用能力、模型迁移和拓展能力、反馈评价能力等，如图1所示。

图1 物理模型建构能力

课程标准对高中物理模型建构教学也提出了要求。2003年版《普通高中物理课程标准》（以下简称“旧课标”）要求：认识物理模型在物理学中发展的作用，了解物理学研究中物理模型的特点，体会模型在研究物理中的应用和在探索自然规律中的作用。在以往的教学中，教育工作者也很重视物理模型教学，但是旧课标着重是让学生知道有哪些重要的物理模型，然后直接运用这些模型去解决问题，这就造成了教师教完重要的物理模型后，学生要解决的问题大多都是理想化模型，也就是“是什么，直接用”的过程，显然不利于学生解决真实情境的问题。所以2017年版《普通高中物理课程标准》（以下简称“新课标”）提出新要求：学生具有构建模型的意识和能力，教学中要根据物理模型的特点，联系生产生活环境，从多个角度创设情境，提出与物理学有关的问题，引导学生讨论，让学生体会建构物理模型的思维方法，理解物理模型的适用条件，能通过建构物理模型来研究和解决实际问题[3]。这说明当给学生一个真实的问题，学生首先要知道把真实情境处理成一个物理模型，还要知道怎么建构一个合理的、科学的模型。显然，这样的要求一定是伴随着一个真实的情境或者问题而产生的，是“为什么，怎么建”的过程。新课标对物理模型建构所要达到的水平进行了细化，如表2。

表2 模型建构水平

3 高中生物理模型建构能力现状分析

物理模型根源于现实生活，又高于生活，最后又回归生活，它不是凭空想象的，而是对研究对象科学的、正确的分析处理之后的物理形态。这个建构过程不是学生机械记忆和套用，而是学生形象思维和抽象思维贯穿过程，有助于学生对所学习的知识产生更深层次的认知。中学物理模型的建构过程一般是把实际问题或情境简化为物理模型，运用科学方法和知识来得到实际问题的解，再对现实问题的解进行检验、修改、深化和拓展，最后回译到问题或者情境，看是否合乎实际，如图2所示。中学物理模型建构侧重于问题解决的过程，表现为学生对学知识的“想用，会用，能用”的一种物理意识。

图2 物理模型建构过程

侯新杰等人在对高中生物理模型建构能力的调查中采用了问卷编制及访谈设计的方法，从物理模型的含义、物理模型的本质、物理模型的效用、物理建模的目的、物理建模实践能力等各维度对学生进行了调查分析，发现超过一半的学生对物理模型的含义有错误的认识，忽略了对物理模型本质的理解[4]。同时学生模型建构的分析能力、运用能力、验证能力都处于比较低的水平层次，大多数学生只重视物理规律和物理概念的学习。在物理模型建立时，学生对所建立的物理模型特征和适用范围还没有形成清晰的认识，并不能很好的联系其他学科知识的来建立物理模型。耿娜基于建构主义理论、最近发展区理论结合文献法、问卷调查法、访谈法对高一学生物理模型应用现状进行了调查。发现学生对物理模型的概念、规律的认识还不足；其次学生对物理模型的适用条件不清晰，运用物理模型来解决问题的能力不足；同时还存在抓不住主要因素，忽略次要因素等问题[5]。林栋梁在高三学生物理模型应用现状调查研究中，发现高三学生对基础物理模型认识不够深入，缺少物理模型的建构意识，物理模型迁移应用存在困难等问题[6]。

综上，学生对模型建立的过程没有得到很好的发展，缺乏模型建构能力的系统训练，也不能从题目中或者实际情境中提炼物理模型，学生不能在模型建构过程中寻找相关因素，忽略次要因素，明确主要因素。

4 提升高中生模型建构能力的教学策略

本文以适切情境为载体，通过问题逐步引导，让学生经历物理模型建构的过程，培养学生的模型建构能力，促进科学思维的进阶，落实学科核心素养的发展。笔者提出了在物理教学中培养学生模型建构能力的教学策略。

4.1 创设适切情境，展开建模活动

情境是模型建构的载体和展开基础，在教学中，教师可以利用趣味性实验、视频、图片、认知冲突等来创设情境。不管采用那种策略来创设情境，要抓住模型建构的原材料，突出真实情境，培养学生的模型建构意识，创设提出科学问题的适切情境，情境要贴近学生生活，围绕教学活动的目的，符合学生学习基础，去繁存简，利于学生基于情境运用一定的科学思维方法，展开思维分析活动。

体验情境1：实际生活情境。在建立自由落体运动模型的教学中，教师首先展示一些常见的生活情景图，例如余晖落叶、雪花飘飘、跳水运动、跳伞运动、人跑步、搬运货物等生活情景让学生进行分类归纳，让学生比较不同类别的差异点，相同类别的不同点。教师提示学生将情景图按照运动轨迹、速度是否恒定、是否需要人为参与进行分类，运动的复杂程度进行分类，来体会分类归纳的必要性。教师在引导学生从中选择简单的运动来研究，引出物体只受重力和阻力的研究对象，归纳落体运动的共同特征。在探究下落快慢的影响因素时，教师仍然可以创设一系列的情境，例如学生实验用到的纸片，为了减小空气阻力的影响，纸片又改成了纸团，虽然实验器材没有改变但是问题已经发生了变化，由于质量不同的纸团，无法控制受到的阻力完全相同，教师需要创设新的情境。抽出空气的牛顿管，同时释放纸片和铁片，下落的快慢几乎相同。慢放下落的过程，发现纸团还是比铁片下落的慢一点。最后，让学生观察在高真空环境下钢球和羽毛同时下落的场景。

体验情境2：物理学史情境。学生在对教师提出的生活情景分类后，教师利用是否需要人为参与的分类引出亚里士多德对自然中落体运动的解释，即“越重的物体下落的越快”。用自相矛盾的故事过渡到伽利略质疑亚里士多德对自然现象的解释，否定了“重物比轻物下落快”的论断。

体验情境3：探究实验情境。教师通过播放视频或演示牛顿管实验，分析空气阻力对物理下落的影响。通过实验探究、观察和推理来建构自由落体运动模型。

设计意图：在情境1中没有急于建立自由落体模型，而是从建立落体运动入手。因为要从实际情境到建立自由落体模型，中间需要一定的逻辑层次。通过呈现生活情景，让学生从简单的运动开始研究，这样更容易找到研究对象，利于学生就此展开讨论，而又不会受到其他无关因素的干扰。学生经历分析、判断的过程比较容易将解决问题的路径指向受力分析，虽然学生还没有系统学过受力分析，但是并不影响利用简单的力学知识来分析出重力和阻力这两个影响因素，从而将思维活动引向下一个关键性问题。再通过物理学史、牛顿管实验等教学活动来建立自由落体运动模型。在实验中，纸片，纸团，牛顿管，真空环境中的球和羽毛下落等情境已经逐渐从实际生活过渡到实验环境模型建构中，教师创设适切的情境，并不完全是实际情境，也包括半理想，甚至是理想化的实验情境，关键是这些情境之间能符合逻辑逐级过渡，符合学生的认知发展。

4.2 聚焦问题设计，引领学生思考

在教学中创设了适切的情境，接下来就是围绕情境设计模型建构导向的学习活动。模型建构关键是要在情境中设计与物理学有关的，有逻辑层次的系列问题，学生在问题的引领下，通过解决这些相互关联的系列问题，经历模型建构的思维活动过程，从而体会和学习模型建构的方法。例如在自由落体运动教学中所设计的问题，如图3所示。

图3 自由落体运动教学的问题设计

设计意图：从常见的生活情境引入课题，教师提问从哪种运动研究开始，用分类归纳的科学方法引出亚里士多德是如何研究运动和伽利略利用归谬法如何质疑越重的物体下落的越快，接着，学生在哪个物体运动最简单的问题引领下，对四个情境进行分析，提出下落快慢的影响因素是什么的问题，从而找到了落体运动的两个相关因素。再提出这两个因素是如何影响物体下落的？进一步运用控制变量法展开研究，在这个过程中，让学生体会空气阻力彻底去除并不符合实际情况，从而理解自由落体运动实际是一个与真实生活有一定差别的理想模型。抓大放小，当阻力大小和重力相比可以忽略时，重力成为主要因素，阻力是次要因素，从而完成自由落体运动模型建构。在自由落体运动模型建构完成时，教师又提出自由落体运动模型实际意义的问题，让学生又回归生活，并且尝试对雨滴从云层高处下落的运动过程进行分解，了解自然中运动的复杂性，把复杂问题简单化，简单问题模型化，一个实际生活中较复杂的问题，就转化成若干个可以展开研究的理想化模型，从而知道理想模型在现实生活中并不存在，感受真实运动和理想模型之间的关系，明白建立模型是研究问题的起点，体会模型建构的重要性。

4.3 经历思维过程，提升建模能力

以情境为载体，通过问题引领，经历模型建构的过程。学生经历了一系列教师精心设计的情境和问题结合物理知识对情境进行分类归纳，讨论质疑，实验探究，逻辑推理等过程，体会在实际情境中建构模型的一般方法，提升了模型建构能力，促进科学思维的发展。例如在自由落体模型的教学中，设计实际问题让学生在解决问题的过程中，运用模型建构的方法，经历模型建构的思维活动过程，让学生体会和学习建构模型的重要性，模型建构能力才能真正得到提升。

4.4 情境问题训练，发展建模能力

传统教育中，比较多的是处理非情境化问题，主要是用到物理知识，数学工具进行推导和演算。当一个情境化问题出现时，需要学生能综合运用物理知识来分析、判断、简化、抽象等科学思维方法来将问题处理成一个非情境化问题，如图4。学生要具备这样的能力，就需要首先具备模型建构的能力，而这种能力并不是在解题中获得的，需要教师从教学整体架构的视觉创设丰富的、适切的情境。

图4 解题思维过程

例如在自由落体运动课程最后，教师创设雨滴从高空云层下落的情境化问题，学生首先要将情境与已建立的自由落体运动模型关联，由于不满足只受重力，可以初步判断不是自由落体运动。这时老师补充关于空气阻力的相关知识，解释阻力和下落速度有关，刚下落时，速度较小，空气阻力与重力相比可以忽略，这一段运动抽象为自由落体运动，随着下落速度越来越大，阻力不断增大，最后阻力趋近于重力，进一步分析，等效于物体不受力，这一段运动抽象为匀速直线运动，这样就将情境化问题，雨滴怎么动，转化为非情境化问题。学生通过解决雨滴从高空云层下落运动的实际问题，运用相关物理知识和实际应用结合分析、判断、简化、抽象等方法，将情境化问题转化为非情境化问题，感受真实运动和理想模型之间的关系，发展了模型建构能力。

6 结语

模型建构能力的培养是一个长期过程，不能一蹴而就，需要贯穿在教学过程的始终，循序渐进的培养学生的模型建构意识和能力。本文通过对自由落体运动教学的设想，笔者认识到在物理课堂教学中创设贴近学生生活的实际情境，提出能引发学生思考的问题，不仅有助于激发学生求知欲，掌握模型建立的方法步骤，学会应用物理模型解决实际问题，也有助于学生思维得到提升，认知得到发展。但本文分析和研究范围较小，提出的模型建构教学策略有限，没有很强的代表性，期望后续有关这一方面的研究能够尽可能地拓宽研究范围，做到更全面，提供多样化的教学方式，从多个途径培养学生的建构模型的能力。所谓“教学有法，而无定法“，教师在课堂教学中还要不断优化教学方式，多提供给学生模型建构的机会，培养学生的模型建构能力，促进学生科学思维的发展，落实核心素养的培养。