模型思维在初中物理深度学习课堂中的实践

摘 要：核心素养视角下的初中物理课堂教学的“教”应为“学”服务，教师“教”的落脚点是引导学生理解核心知识的深度学习，课堂教学的最终目的在于让学生在自主合作学习过程中掌握物理研究方法和知识技能，提升关键能力和必备品格，形成物理观念和科学思维.建立物理模型是初中生必备能力之一，教师在教学中进行模型思维的渗透是促进学生深度学习的有效方法.笔者以苏科版物理教材八年级上册“直线运动”为例，探讨引导学生建立物理模型并应用物理模型解决实际问题的具体策略.

关键词：模型思维;教学设计;深度学习

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）14-0029-04

作者简介：杨琳（1977-），女，江苏无锡人，本科，中学高级教师，研究方向：初中物理课堂教学.

基于核心素养的初中物理课堂教学是以探究实验为载体、任务为主线、问题为导向，驱动学生自主探究，促进学生深度理解的教学.引导学生进行理解核心知识的深度学习是“教”的落脚点，“教”为“学”服务，教学的最终目的在于让学生在自主合作学习过程中掌握物理研究方法和知识技能，提升终身发展所需的关键能力和必备品格，形成物理观念和科学思维.这就要求教师在设计教学活动时创设生活化的任务情境驱动学生自主学习，教给学生解决问题的方法，渗透物理观念，培养科学思维，发展学科核心素养.建立物理模型作为一种科学思维，是物理研究的重要方法，是在抓住主要因素而忽略次要因素的基础上建立的有效思维模式，能具体形象、生动深刻地反映物理规律和本质.教师在教学中渗透建模思维是促进学生深度学习的有效策略.笔者结合教学实践，以苏科版物理教材八年级上册“直线运动”为例，探讨有效开展指向深度学习的物理模型教学策略.

1 建构实物模型，从生活走向物理

教师通过建构生活中学生熟悉的场景模型，将生活场景模型化，便于学生在课堂上具身体验，激发学习兴趣，引发强烈的学习内驱力.同时可以让学生直观感受物理模型的作用，初步了解物理模型的意义.在实际教学中，教师一般将生活场景模型化用于新课引入环节.

教师展示过山车模型（如图1所示）.

教师：这是一个过山车模型，现在让小球从右端自由下落，在右端斜坡和中部弯道两段路程上运动，从通过的路径来观察小球运动方式，有什么不同？

学生：小球分别做直线运动和曲线运动.

教师：生活中的过山车是否还有其他运动方式？

學生：只有这两种.

教师：生活中过山车虽然比较复杂，但从通过的路径角度分析运动方式也只有两种，过山车模型直观展示这两种运动方式.直线运动比曲线运动简单，本节课我们一起探究“直线运动”.

用模型引入的方式能有效激发学生探究新知的欲望，符合从生活走向物理的课程理念.用模型让学生直观体验过山车的运动方式，引导学生理解，通过模型将生活中复杂的运动简化为两种典型的运动方式.因此，建模的实质是提炼物理现象的本质.

2 构建实验模型，进行基于理解的深度探究

核心素养视角下的初中物理教学，不是知识和技能的简单传递，而是需要教师创设任务情境，以探究性实验为载体，优化教学设计，驱动学生小组合作自主探究，进行基于理解的深度学习.物理实验的本质是由生活经验到物理实验的模型思维转换，需要教师进行适度引导.

2.1 引导学生建立实验模型，通过实验探究理解物理规律

生活中的物理现象纷繁复杂，教师若要引导学生找出其中规律，总结理解物理概念，需将物理现象模型化，用相应的物理器材在实验中重现生活现象并让学生观察分析，找出规律.实验的目的是探究物理规律，因此，建立实验模型的关键在于模型能否反映客观世界的物理规律，还要注意实验模型是否便于操作，是否有利于发现总结规律.

活动一 研究气泡的运动规律

教师出示电梯照片.

教师：我们要研究电梯的运动，在教室里是不太可能实现，有没有办法用一种模型来代替电梯运动？

教师出示玻璃管.

教师：请仔细观察观光电梯的图片（如图2所示），固定的玻璃管和管内的小气泡分别相当于什么（如图3所示）？将玻璃管翻转，会观察到什么现象？

学生：玻璃管相当于电梯，小气泡相当于轿厢，将玻璃管翻转小气泡做直线运动.

教师：现在我们建立一个实验模型，接下来就通过这个模型来研究小气泡的运动规律.大家的桌上有装红色液体的玻璃管，请将玻璃管翻转或稍微倾斜，将手离开装置，观察小气泡做直线运动的快慢有没有变化？

学生甲：小气泡的运动快慢没有变化.

学生乙：小气泡的运动变快了.

教师：请小组合作设计实验方案，验证猜想是否正确.

学生甲：测出小气泡运动的路程和时间算出速度，比较运动快慢有没有变化.

学生乙：应该测出几段路程的速度才能比较小气泡运动的快慢.

教师：小气泡连续运动，怎样操作便于同时测量路程和时间两个物理量？

学生：让小气泡通过相同路程，记录通过每段路程需要的时间.

教师：以多长距离为一段路程合适？

学生甲：路程太短不便于记录时间，可以从玻璃管的最下端开始以10cm长为一段路程，用红线做标记.

学生乙：0刻度线不能标在玻璃管的最下端，小气泡在玻璃管下端运动不稳定，0刻度线标在玻璃管的最下端来不及记录时间，应离开玻璃管最下端一段距离再标记0刻度线.

教师：请各小组相互合作，在桌上玻璃管外表面用红线做标记，并按照设计方案进行实验，将实验数据记录到表1后完成表2的相关计算.

学生小组投影表1和表2，进行小组交流.

学生甲：小气泡在每一段路程上的速度近似相等.

学生乙：小气泡在每一段路程上的速度近似相等，但速度与上面组不同.

学生丙：小气泡在每一段路程上的速度并不相等，且速度与上面两组差别较大.

教师：请大家帮忙分析一下记录数据存在差别的原因.

学生甲：各组记录的数据和计算的速度不一样可能是实验时玻璃管的倾斜角度不同.

学生乙：小气泡在每一段路程上的速度不相等可能是实验过程中玻璃管倾斜的角度发生变化.

学生丙：小气泡在每一段路程上的速度不相等可能是测量误差，通过理想化的方法，小气泡在每一段路程上的速度近似相等.

教师：由于小气泡是连续运动的，精准记录运动时间难度较大，有没有更好的办法记录数据？

学生：利用手机等工具拍摄小气泡运动过程的视频，观察一段路程的运动时间时只需让小气泡运动完那段路程及时按下暂停键，观察时间进度条即可.

教师从引导学生观察生活中观光电梯的图片入手，用固定的玻璃管模拟电梯，管内的小气泡模拟电梯轿厢，帮助学生建构小气泡运动的物理实验模型，为接下来的实验探究做铺垫.当各小组记录的运动时间不同，计算出的速度不等甚至出现较大偏差时，教师引导学生从多角度思考质疑、评估交流，渗透建模思想和基于证据得出结论的科学研究方法，培养学生实事求是的科学态度与责任.

需要说明的是，根据教学实际，笔者对教材要求的实验模型进行优化改进.选用内径为0.5cm、长为50cm的玻璃管，比教材中提供的玻璃管更细一些.以10厘米长为间隔，在玻璃管外表面用红色的细线做标记，管内装水，留有一段近0.5厘米长的小气泡，封口.改进后小气泡在每一段路程上运动的时间会长一些，约为10秒左右，便于学生记录.用绑扎带把玻璃管固定在木尺上，木尺中部位置钻孔，用螺丝固定在铁架台上，保证玻璃管能绕中轴转动，且翻转后能竖直放置，便于实验操作的稳定性和记录实验数据;水中注入适量红墨水，红色的液体与无色的小气泡有一定的对比度，便于清晰观察小气泡的运动.在此基础上，实验方案也得以优化，驱动学生小组合作进行合理猜想、设计实验方案和进行实验验证，并通过评估不断改进方案和实验操作.

2.2 指导学生建构数理模型，进行实验数据分析

分析处理实验数据的能力是学生的关键能力，教师在教学中可提供多种分析支架，如数据表格分析法、s-t图像法、借助数据处理软件Excel自动化处理等，教给学生多种处理数据的方法，多维度教会学生建构数理模型，培养学生科学思维.

教师：数据处理还经常采用图像分析法，请各小组按照表1中的数据，画出s-t图像（如图4所示）.

学生：我们发现小气泡运动的s-t图像近似是一条直线.

教师：大数据时代的我们还可以借助电脑软件来处理数据，在Excel表格中输入记录表1中的数据，软件便会自动生成s-t图像（如图5所示）.

学生：分析表格数据和图像，气泡在上升一段路程后，运动的路程和所用时间成正比.

教师：物理学中，把速度不变的直线运动叫作匀速直线运动，即任何相等的时间内通过的路程相等，用速度公式计算运动速度的大小.

教师引导学生基于数据表格画出s-t图像，建构数理模型，有利于学生更直观分析小气泡的运动规律.

2.3 启迪学生建立理想化模型，科学建构物理概念

活动二 研究变速直线运动

教师：除了采用相同路程记录时间的方法来研究小气泡运动规律，还可以用什么方法来研究物体的运动规律？

學生：用相同时间记录路程的方法.

教师：这里有一只电子打点计时器，能每隔相同时间在纸带上打点，先将纸带固定在轨道小车上，在另一端挂上钩码（如图6所示），让钩码拉动小车运动后将纸带取出，你看到什么现象？

学生：纸带上有好多的点，它记录了小车的运动情况.

教师：这里将小车抽象成点，纸带上点的轨迹就是小车运动情况的理想化模型.小车在各个点之间运动时间相等，小车是否做匀速直线运动？

学生：观察纸带上的点，小车在相同时间内通过的路程越来越大，它的速度一直在增加，不是匀速直线运动.

教师：物理学中，把速度变化的直线运动叫作变速直线运动.在自然界中，绝大多数物体都做变速直线运动，变速直线运动的速度大小不断变化，我们用平均速度来表示物体做变速直线运动的快慢，且需说明是哪一段时间或哪一段路程上的平均速度.如果把钩码换成苹果，让苹果在空中自由下落，用频闪相机拍摄苹果下落的过程（如图7所示），频闪相机每曝光一次的时间相等，下落的苹果做的是什么运动？

学生：观察频闪照片发现，下落的苹果在相同的时间内，运动的路程不相等，做的是变速直线运动.

教师通过实验引导学生观察纸带上点的轨迹，总结小车的运动规律，将小车的运动理想化成点的运动，建构物体运动的理想化模型.再用手机现场拍摄苹果自由下落的频闪照片，引导学生观察苹果自由下落的运动情况，帮助学生巩固关于物体运动的理想化模型，建构变速直线运动的概念.这样的教学设计教师不再是知识的二传手，而是点燃、引导、唤醒学生通过实验多角度研究物体运动的规律，思考匀速直线运动速度与变速直线运动平均速度的区别，深度理解变速直线运动和平均速度的概念.

3 活用物理模型，解决实际问题

运用物理知识解决实际问题是初中生的必备能力，是深度学习的落脚点.将待解决的实际问题转化为物理模型是解决实际问题的有效策略，所以分析和解答物理问题的过程就是识别和还原物理模型的过程.

教师：生活中做匀速直线运动的物体并不常见，平直轨道正常行驶的列车可以近似地看作匀速直线运动，请阅读课本例题，小组合作讨论几个问题：（1）火车完全在隧道内和完全通过隧道有什么不同;（2）在什么情况下可以不考虑列车自身的长度;（3）怎样规范写出本题的解题过程？

学生甲：火车完全在隧道内和完全通过隧道运动的路程不同，火车完全在隧道内火车运动的路程是隧道长和火车长的差（如图8a所示），火车完全过隧道运动的路程是隧道长和火车长的和（如图8b所示）.

学生乙：当火车长与隧道长相差很大时，可以忽略火车自身长度，把火车抽象成点，火车通过的路程就等于隧道长.

教师：请在纸上迅速写出规范的解题过程.

从生活实际出发运用理想化模型的方法，把平直轨道上正常行驶的列车近似地看作匀速直线运动，引导学生小组合作，基于问题自主学习例题，写出规范的解题过程，注重知识的内化、迁移，促进学生深度学习.学生在讨论交流过程中，运用速度公式这一数理模型，对例题涉及的速度、路程和时间三者关系进行理性分析，书写规范的计算过程，合理建构当火车长与隧道长相差很大时，可以忽略火车自身长度，把列车抽象成点的理想化模型.这样的教学设计让思维激荡思维，思想碰撞思想，让课堂从关注知识到关注获得知识的途径.

4 结束语

威廉·亚瑟·伍德认为：平庸的教师讲述，好的教师解释，优秀的教师示范，伟大的教师启发.物理学是研究物体运动规律的学科，实际的物理现象和物理规律一般都十分复杂，涉及到许多因素.舍弃次要因素，抓住主要因素，从而突出客观事物的本质特征，需要构建物理模型.模型是对实际问题的抽象，构建物理模型是研究物理问题的科学思维方法.教师利用建模思想驱动学生深度学习，是培养学生自主学习能力、创新精神和实践能力，发展学生物理学科素养的有效途径.建构和活用物理模型开展教学，教师应以探究性实验为载体，以任务为主线，以问题为导向，启迪学生自主探究，激发学生学习物理的兴趣，有效提高学生物理学习能力和学科素养，让物理课堂在快乐诗意、质疑思辨和体悟原理中穿行.

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（收稿日期：2021-03-07）