对物理教学中模型建构的研究与实践

马朝华 崔琰

摘 要：《普通高中物理课程标准（2017版）》中将模型建构列为科学思维的要素之一.发展学生模型建构的思维能力是发展学生物理学科核心素养的一个重要方面.因此，有必要研究模型建构的基本路径，并通过教学实例说明模型建构教学的思路，以实现更有效地促进在课堂教学中发展学生的模型建构思维能力的目标.

关键词：模型建构;科学思维;教学策略

文章编号：1008-4134（2019）17-0013中图分类号：G633.7文献标识码：A

物理学是自然领域的一门基础学科，自然界中物质种类繁多、运动错综复杂，各种现象间相互联系、相互影响，几乎每个具体的实际问题都涉及到多种因素.在物理学研究中，根据研究的问题和内容，在一定条件下，从研究对象多维的具体图象中，抓住最具有本质特征的图象，建立一个易于研究、能从主要方面反映研究对象的新图象，这就建构出了“物理模型”.模型建构的方法是科学研究中的常用方法，模型建构思维也是一种重要的科学思维方式，《普通高中物理课程标准（2017版）》将模型建构列为科学思维素养的要素之一，因此，研究如何在物理教学过程中培养学生的模型构建能力是非常重要的.

1 对模型建构价值的认识

1.1 有助于形成知识结构发展认知

学生的学习虽与科学家的研究有所不同，但就学习者或研究者的主体而言，都是探索对未知事物的认识过程，当面对一个客观的物质现象或过程时，复杂的组成因素会使他们难以把握其本质和规律.通过模型建构，关注主要因素，忽略对象系统中的非本质因素，将复杂的物质现象和过程进行抽象的概括和简化，进行形象化的表征，有利于发现物理现象、物理规律在一定条件下必然发生、发展和变化的规律，并在此基础上形成系统的、自洽的、嚴密的物理理论体系.例如，运动和力关系的知识结构就可以看作是在研究不同模型的过程中形成的：研究质点、刚体等对象模型，在光滑表面、恒定不变的力等条件模型的情况下，进行匀速运动、匀变速运动等运动过程.我们用模型的建构思想，丰富了学生对运动多样性的认识，形成了知识体系.

1.2 有助于解释物质现象和过程

“证据、模型和解释”被认为是统一的科学概念与过程，其中，证据指的是对事实或饰演的观察结果，但这仅是对物质现象和过程的一种描述;解释指的是把现有的科学知识和新的证据组合成具有内在一致性的、符合逻辑的说明;模型则是利用证据来进行科学解释的一种工具，它能将已有知识与新的证据联系起来.例如，光电效应现象，与经典电磁理论矛盾，爱因斯坦则利用光的波粒二象性模型做出了完美的解释.学生可以自主构建模型来进行探究学习，也可以直接使用科学家们已经研究成熟的模型进行科学解释.

1.3 有助于预测和控制

模型反映事物某一方面的本质属性，能够用于解决同一类问题，在面对新情境时，可以通过模型把握住问题的共性和本质，就能对新情境中可能出现的结果进行预测，指明进一步研究的方向，或者采取有效的措施促进现象向预设的方向发展或控制现象的发生发展.例如，用一个经典故事来说什么叫模型，模型就是火车时刻表，有了时刻表才知道火车是否晚点，如果没有时刻表这样的东西，铁路员工和乘客将无所遵循.可以说物理模型提供给人们一种解决物理问题的方法或者方向，利用建立的物理模型来实现研究者或学习者有目的地解决问题.

物理模型的建立是一个创新的过程，学生在学习物理模型的过程中，需要通过分析和抽象，抓住事物的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，形成系统思维，这是一个培养学生创新性思维的过程，因此，发展学生的模型建构思维方式也是重要的教学目标之一.

2 发展学生模型建构思维的教学思路

高中阶段的模型建构思维表现在能够分析模型所涉及的各个要素及其结构，使用模型解释物理现象和过程，阐明物理概念和原理，在真实的情境中具有构建模型的意识和能力等.因此，可以基于实际问题解决的思路来设计促进学生模型建构思维发展的教学.即从实际情景中抽象出物理问题，再以物理方法和工具进行研究，并将研究结论用来解决实际问题，这个过程可以概括为“实际问题→物理问题→物理解决方案→实际解决方案”.在这个过程中，所提出的物理解决方案，则常是以物理模型的形式表现出来的;实际解决方案，则是模型的拓展应用，用来解决起初提出的实际问题.基于这个思路，为了在课堂教学实践中更易于把握模型建构过程的阶段性，明确各阶段模型建构教学的目标，我们将课堂实践中模型建构教学的过程分为四个阶段，即描述阶段、建立阶段、修正阶段和应用拓展阶段，如图1所示.

2.1 描述阶段

模型建构过程是依托于具体的问题情境，因此，教学中首先给学生提供真实的问题情境，让学生根据已有的知识和经验，建构起对当前情境的理解，并将自己的这种理解表达出来.这就是建立模型前的准备，即描述清楚情境和问题，以及研究的方向.

例如，质点是高中物理学习的第一个物理模型，在教学时，教师常会采用火车过桥的情境，一列火车在铁轨上行驶，如何描述它的运动情况呢？在描述阶段，学生就要依据所遇到的问题，结合已有的认知，尝试用一些合适的模型对研究的问题进行描述.学生虽然不清楚火车的具体传动结构，但他们知道这些结构是复杂的，其运动也是复杂的，就是外在表现出来的车轮的运动也是复杂的，要准确详细地描述其所有部件的运动情况就很难做到了.这就要仔细确认所遇到的问题，以及我们想研究的主要问题，比如是关心车轮的转动，还是列车整体的运动？如果我们只关心列车整体的运动时，就可以认为列车上的运动情况完全相同，选择用车上面的一个点的运动来表示列车的运动.这样就初步确立了建立“质点”模型的思路.

2.2 建立阶段

基于现象的观察和分析，在描述中预设了一些能描述现象的参数、条件或关系.在建立模型的阶段，就要进一步分析问题情境中的组成部分和各部分之间的关系，包括确定研究对象、建立描述研究对象的状态或过程的变量、探究将各变量建立联系的规律，并且要反复比较预测和实际情境的差异，提炼模型，同时建立起此模型的适用范围.例如，简谐运动是一个典型的运动模型，它建立在对弹簧振子运动的描述基础上，如图2所示的弹簧振子的频闪照片，两个坐标轴分别代表了时间t和小球的位移x，它反映了小球在平衡位置附近往复运动过程中的位移随时间变化的关系，可以看作是小球运动的位移-时间图象，由图可以看出，小球运动时的位移与时间的关系很像正弦函数的关系，这个函数关系，即是我们预设的运动模型中参数间的关系.

2.3 修正阶段

在修正阶段，可以利用不同实验或评价方法来检验模型的内在一致性;也可以利用建立的模型解释新的实证.在此过程中，模型若能够表现出持续一致的有效性，该模型被验证为正确;若存在一定的问题，就要修改参数及其关系.一旦模型被验证，模型就是一致的，模型应用可回应建模的目的，对问题进行解释.模型是在一定目的的前提下，利用理想化等方法建立的，具有自身的局限性，这一点可以在修正过程中明确模型的适用范围.例如，在建立单摆简谐运动模型的过程中，我们进行了小角度的近似处理，也就是偏角很小的情况下，摆球对于平衡位置的位移x的大小，与摆角θ所对应的弧长、θ角所对应的弦都近似相等，才可以推导出摆球受到的回复力与它偏离平衡位置的位移成正比，方向总是指向平衡位置，因此单摆作为简谐运动的模型，要用实际摆球的运动进行检验，以确定理想化条件是否合理.

2.4 应用拓展阶段

在应用拓展阶段，利用模型对现象或事实进行解释和辨别，或者利用建立的模型来解释新情境或复杂情境，甚至在已建立模型基础上进行延伸，再建构一个新的模型，这样就使模型得到了延伸和拓展，这样也就能通过建构不同的物理模型研究综合性的实际问题.例如，用圆周运动的模型分析天体运动，用磁感线、匀强磁场等模型分析磁场和电磁感应问题.

建模的这四个阶段在每个模型建构教学的实例中未必会界限分明地出现，有的建模过程简单、有的复杂，建模的几个阶段有可能重叠在一起，但其整体的思维过程是一致的.

3 促进学生建构模型思维发展的教学案例——自由落体运动

3.1 基于模型建构教学的学习目标分析

教材在“匀变速直线运动的研究”一章中，前几节学习了匀变速直线运动的速度与时间、位移与时间、速度与位移的关系，即描述匀变速运动的几个物理量遵循的规律.“自由落体运动”作为一个典型的运动实例，由学生利用匀变速直线运动的规律进行研究.要研究自由落体运动，首先就要在复杂的落体运动中，建立自由落体运动的模型，因此，本节学习内容中的一个很重要的学习目标，就是引领学生学会将实际的落体运动抽象出自由落体运动这个理想模型，体会建构模型的思维过程，促进学生模型建构能力的发展.教学过程设计见表1.

3.2 教学过程设计

描述阶段情景1：观察生活中常见的落体运动（视频和演示）.纸片的下落、树叶从枝头的下落、粉笔头的下落、小石子的下落

问题1：生活中这些常见的运动，有什么相同或不同的特点？下落过程有什么规律？

学生活动1：落纸实验.让两个相同的纸片下落，观察下落情况是否相同，进一步思考问题1情景1给学生提供了一个真实的情景，把生活中常见落体运动在这里集中展示，把学生思考的方向聚焦在落体运动上.在这个基础上通过问题1由学生归纳其共性，都是从静止开始下落的运动，其特点除了初速度为零之外，就是下落，下落过程的规律性则看不出共同的特点;同时也通过这个问题，启发学生明确要研究的物理问题是物体下落的运动.活动1中，学生的操作不同，两个纸片的运动则会出现不同的结果.在学生明确了研究问题为落体运动的基础上，再次感受实际问题的复杂性，体会建立理想模型的必要性

建立阶段问题2：下落过程的复杂性是由什么原因造成的？物体下落的快慢与什么因素有关？

问题3：如果简化处理，物体只受重力，物体下落的快慢与物体受到的重力是否有关？

初步建立模型：自由落体运动问题2是针对运动的复杂性，分析导致运动复杂性的原因，从复杂的问题中抽象出要研究的物理问题.问题3的分析，让学生认识到，建立模型要依据研究的问题，分析简化处理的方式，也就是分析建立模型的条件.同时，这个问题也是建立自由落体模型的核心问题.在分析这几个问题之后，实际上已经有了初步的模型，并且利用这个模型可以解释所观察得到的现象或事实

修正阶段演示：牛顿管实验第一次：管内有空气时，观察管内羽毛和小金属片的下落情况

第二次：将管内空气抽出去，再次观察管内羽毛和小金属片的下落情况

情景2：月球上的落体运动（视频）自由落体这个模型是否正确需要去检验.牛顿管的对比实验，就起到检验的作用.这个对比实验，所对比的是要简化的条件，通过实验现象的对比分析来判断处理的是否合适、是否正确，也就是验证所预设的模型条件.如果现象与建立的模型一致，则可以说是建立了合理的物理模型.通过牛顿管的演示实验，验证了没有空气阻力、只受重力作用时物体下落的快慢是一样的，与物体所受重力大小无关.情景2展示月球上的落体运动视频，在月球上羽毛和锤子的同时落地，既增加了实验普适性的验证，又进一步明确了模型的条件

应用拓展阶段学生活动2：能否让小纸片和粉笔头的下落情况基本相同呢？试一试，说明依据活动2是模型的应用拓展过程，让学生尝试设计方案使纸片和粉笔头下落情况相同，就是要利用模型来解释现象以及预测、控制结果.学生通过分析，想到当空气阻力和重力（次要因素和主要因素）相比可以忽略时，实际的落体运动就可以抽象成物理理想模型，这样就可以实现同时落地.当捏紧的小纸团和粉笔头同时落地的现象呈现在学生面前的时候，也就表明了学生对利用模型有了进一步的认识.这个活动既有建模条件理解的目的，也有将模型再次回归到实际解释问题的目的，同时对近似条件的处理，也更拓展了模型的应用价值

中学物理教学中，很多内容都能以物理模型为基础进行学习，也就是说物理模型教学渗透在物理概念的形成、物理规律的掌握和物理问题的解决等各种学习过程中.在进行物理模型建构教学中可以考虑利用原始物理问题，为学生提供建模情景，利用实验演示创设物理情境，为学生提供建模支持，利用物理模型整合教学内容，促进学生模型思维能力的发展.

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版）[M]. 北京：人民教育出版社， 2018.

[2]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M]. 高等教育出版社，2018.

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[5] 张静，郭玉英.物理建模教学的理论与实践简介[J].大学物理，2013，32（02）：25-30.