科学思维素养下物理模型建构的教学策略*

周 婷，谭延亮

(衡阳师范学院物理与电子工程学院，湖南 衡阳 421002)

1 引言

物理学科核心素养主要包含物理观念、科学思维、科学探究与科学态度与责任四个方面，其中的科学思维素养主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。物理学科十分贴近实际生活，为了研究问题方便，往往需要去掉这些因素，从中抽象出研究对象的简化模型，如此才能更好地抓住事物的本质和问题的关键[1]，这就是物理建模。物理模型是物理思维的产物，物理教师在教学过程中，要善于从科学思维方法的角度出发，积极引导学生进行物理建模。

2 物理模型的内涵及分类

物理模型是对物理原型的高度抽象化和概括化，是物理学研究的重要思想方法。学生学习物理的过程也就是逐步学习物理模型的建构，进而用模型解决物理问题的过程[2]。中学物理中可创建的物理模型颇多，比较常见的有以下几种：

2.1 理想模型

理想模型通常是根据人们的抽象思维与想象力，运用比较理想且纯粹的方式所创造的、能再现原型的本质联系与内在特征的一类简化模型[3]。中学物理中的理想模型可分为：①理想对象模型，是将物质自身形态理想化而建立的模型，最典型的是“质点”，物理学中就把这种不考虑物体的大小和形状，突出其质量的点，称作“质点”，物理中的理想对象模型还有：点电荷、点光源、光线、理想气体、单摆、弹簧振子等；②理想条件模型，是将物理条件理想化而建立的模型，“轻杆”和“轻绳”就是典型的理想条件模型，研究问题时通常可以不考虑他们的质量，物理中的理想条件模型还有：光滑表面、均匀介质、匀强电场等；③理想过程模型，是将物体运动过程理想化而建立的模型，最典型的是“自由落体运动”，当物体自由下落、下落高度较低且空气作用可忽略时，可看成是自由落体运动，像匀速圆周运动、匀变速直线运动、弹性碰撞、简谐振动、稳恒电流等都是理想过程模型。

2.2 微观放大模型

在物理实验中，许多物理量的数值都比较小，为了提高测量精度，经常需要将这些物理量放大，或转换后放大再进行测量，我们把这种为提高测量精度，将物理量数值扩大、时间拖长、空间扩展的方法称为微观放大法，由此方法建立起的模型称为微观放大模型，它主要包括：①空间放大模型，在物理教学中，难以用肉眼观察到的空间变化现象，通常可以采用空间放大法来进行教学，比如：在探究“坚硬物体也能发生形变”时，教材中编排了一个小实验：在水平桌面上相对放置两个平面镜，一束激光被这两面镜子反射后会射到光屏上，呈现出明亮的光点，向下按压两平面镜之间的桌面，此时肉眼可见：光屏上光点的位置明显改变，此实验将桌面微小的形变现象放大成光点位置的改变；②时间放大模型，由于某些物理过程发生的时间比较短暂、现象不易于观察且实验数据被测量，教学中可以建立“时间放大模型”来延缓这些短暂的过程。比如：在探究“平抛运动的规律”时，小球运动的速度太快、运动时间过短，导致其速度、位移、加速度等物理量难以精确测量，因此，可以用摄像机将整个过程拍摄下来并让学生观看慢镜头回放，慢镜头回放相当于放大了平抛运动的时间。

2.3 等效替代模型

等效替代法是一种在保证作用效果相同的基础上，将复杂的物理问题或过程等转换为便于分析的、等效的物理问题或过程的问题处理方法，掌握了此方法的具体内涵，有利于等效替代模型的构建。中学物理中，常见的等效替代模型分为力的等效替代和运动过程的等效替代，前者主要体现在“合力与分力”相关问题中，学生在遇到受力复杂的情形，特别是在分析“动态平衡状态下物体的受力变化情况”时，可以将一个力来替代多个力，或者将一个力等效分解为多个力，使复杂问题简单化；另外，合运动与分运动同样也可以等效，比如：在研究平抛运动时，可将其分解成两个分运动：水平方向的匀速直线运动、竖直方向的自由落体运动，类似地，还有斜抛运动、带电粒子在电场中的运动等。

2.4 微元极限模型

物理中的微元法是将物理过程进行细分并从中选择微小的单元（即“微元”，往往选取时间或空间微元），进行具体分析的一种问题解决方法。在物理学中，通常是将微元法和极限思想结合起来应用，将此两种方法结合而建立起来的模型称为微元极限模型，瞬时速度和瞬时加速度是教材中采用时间微元极限思想来定义的最典型的两个物理量。在中学物理中，除了可以建立以上几种物理模型，还可以创建其他科学思维的物理模型，比如：“化曲为直”模型、“隔离与整体”模型、“转换”模型和“类比”模型等，物理建模不仅是一种重要的实验手段和方法，更是一种对学生科学素养的培养和积淀。

3 物理模型建构的重要方法

结合实际教学条件、物理学科的特点以及学生的心理特征等情况，教师可以采用如下几种物理模型建构的方法：

3.1 板演推理

板演是课堂教学中常用的教学方式，分为教师板演和学生板演，具体地，又可以分为文字板演、公式板演和图示板演等，在板演时，教师应注意把握板演的时间、内容、顺序、难度和要求等。在物理模型建构时，教师可以边板演边讲解，比如：在建构“力的正交分解”等效替代模型时，教师可以利用粉笔、三角尺等画图工具对斜面上静止的物体进行受力分析，创建直角坐标系，并对力进行正交分解，将分力替代合力来研究问题，并在板演过程中向学生讲解其中的注意事项。

3.2 动画模拟

在物理教学中，对于那些实验条件要求比较苛刻的小实验，教师可以采用动画模拟的方式对某些物理现象进行直观的呈现，常见的动画制作软件有PPT、Flash 和Authorware 等，这些动画软件通常能够整合多种媒体资源，通过声音、动画、颜色等元素的搭配，呈现出形象的动画片段，让物理过程缩放自如。比如：在建构理想过程模型——“简谐振动”时，便可制作动画模拟运动过程，利用按钮随停随放，让学生能够更加准确地理解简谐振动的规律特征。

3.3 实验仿真

当实验器材比较复杂、实验操作难度较大时，教师可以指导学生在线上虚拟实验仿真系统中进行实验设计，学生在系统中自由选取相关的实验器材，并通过按钮、鼠标拖曳等方式对仿真模拟实验进行操作，自主探究实验过程，由此增强学生对物理实验的理解。比如：“闭合电路的欧姆定律”、“多用电表的使用”、“电池电动势和内阻的测量”等电学实验的实验器材种类较多、操作程序繁杂、数据记录量大，这就比较适合采用实验仿真的形式进行物理实验模型的建构。

3.4 视频演示

视频是指将一系列静态影像以电信号的方式加以捕捉、纪录、处理、储存、传送与重现的各种技术。相比于单纯的文字、图片、音频和动画等媒介，视频能更加强烈地刺激学生的多个感官，也能激发学生的好奇心和兴趣，使学生在轻松的情境中汲取知识。在教学中，教师可以通过摄影或者网络获取视频资源，利用视频辅助教学，例如：在研究“生活中的圆周运动”时，教师可在课堂上播放过山车、汽车过拱桥、火车拐弯等视频，让学生的感觉更立体。

4 中学物理模型建构的教学策略

在中学物理中，诸多公式、概念和规律等是凭借物理模型而建立起来的。因此，教师应该采用有效的教学策略让学生体会物理模型建构的过程、方法，并懂得利用物理模型解决实际问题。

4.1 创设启发性的物理情境，培养模型建构的兴趣

学生的学习过程主要是通过感官刺激激发学习兴趣、启发学生运用已有的知识结构基础、并通过正确的科学思维方法来认识、理解和掌握新知识的过程，若在物理教学中没有生动具体的情景刺激和启发学生，便很难抽象并构建物理知识模型。因此，教师在教学中应结合教学目标、教材内容、学生情况等因素创设合适的教学情境，譬如：教师在向学生介绍万有引力常量的过程中，可以实验仿真“卡文迪许扭秤实验”，介绍其中蕴含的“空间放大思想”；在探究“凸透镜成像规律”时，可以动画模拟不同物距情形下的光路图，结合光线颜色的合理设置，使效果更加清晰，在学生头脑中留下深刻地印象，进而让学生自主构建具有代表性的图像模型。

4.2 注重差异化的课堂教学，锻炼模型建构的思维

中学物理课堂类型比较丰富，包括概念课、规律课、实验课和习题课等，不同课型需要采用不同的教学策略。对于物理模型的建构，教师也要根据不同的课型锻炼学生建构物理模型的思维，切实引导学生分析问题、建立模型、应用模型并完善模型，对学生进行有意义的模型教学，比如：在物理概念课中，可通过观察物理现象和过程让学生形成感性认识并归纳其共同特点，接着运用科学思维建构物理概念模型，再用文字、数字、符号等对其进行描述，最后，运用物理概念模型解释、检验和评价某些物理现象和过程；在物理规律课中，可以通过实验归纳法，从对事物、现象的多次观察和实验出发，在取得大量资料的基础上进行综合、归纳，得出结论，建立假说，再通过实验检验建立物理定律模型，譬如：机械能守恒定律、欧姆定律、楞次定律等；也可以通过理论演绎法，从已知的规律或者物理理论出发，对某特定事物或现象，进行演绎、推理，从而得出在一定范围内有关物理量之间的函数关系或新的论断，最后通过实践检验构建物理原理或定理模型，譬如动量定理、动能定理、波的叠加原理、光路可逆原理等。

4.3 加强针对性的课后训练，提高模型建构的能力

课后学习时间和课堂学习时间一样宝贵，教师不但要在课堂中对学生进行物理模型构建的训练，也要重视课外活动对学生建模能力培养的重要性，具体策略包括：其一，布置含有物理模型的思考练习题，比如：在学完“自由落体运动”后，可以让学生思考雨滴的下落；在学完“牛顿第一定律”，让学生搜集生活中渗透惯性知识的现象。其二，督促学生归纳整理力学、热学、电学、光学等物理模块中的物理模型，并注明各个模型的具体内涵、重要特征、适用条件及建构方法等，利用这种方式显化教材中的隐性物理模型，促进学生对物理模型的吸收内化。其三，在学校开展关于物理模型建构的知识宣讲和团体比赛，这样，一方面可让学生受到建模知识的熏陶，吸取更多关于物理模型建构的方法和技巧；另一方面，学生通过建模比赛的团体合作，能学到团体其他成员的优点，还能获取一定的成就感，进而促进学生的进步和成长。