初中物理模型建构教学研究

[摘 要]在核心素养视角下，初中物理教学应关注模型建构教学。教师应理解物理模型的内涵，熟悉常见的物理模型。在模型教学中，教师可通过巧妙的教学设计，使学生能够明了模型表象，理解模型本质，体验建模过程，并通过精选的实际问题使学生能够习得建模能力，活化模型运用。

[关键词]初中物理;模型建构;物理模型

在《普通高中物理课程标准（2017年版）》中“模型建构”是核心素养中科学思维的要素。在核心素养视角下，初中物理教学应关注模型建构教学。基于这样的共识，笔者在文献研究的基础上，结合自身的教学实践，谈谈初中物理模型建构教学。

一、关注模型建构教学

（一）模型建构能力是物理的学科能力

科学建模是学生应该具有的重要的学习理解能力，具体表现为学生通过学习后获得的，从事实经验中提取事物或过程的本质特征，形成物理概念和规律的能力;科学建模又是学生应该具有的重要的迁移创新能力，具体表现为学生通过学习具有的，在陌生物理问题情境中主动合理地建构模型，有效地解决问题的能力[1]。《江苏省义务教育学科核心素养·关键能力框架》（试行）中也提出，建模是初中物理的关键能力[2]。

（二）发展模型建构能力是物理的课程目标

《普通高中物理课程标准（2017年版）》在课程目标中对“模型建构”提出要求，并在课程内容中对具体的模型提出个性化的要求。而《义务教育物理课程标准（2011年版）》中也提出了“模型建构”的教学要求。可见发展模型建构能力也是初中物理的课程目标。

二、提高教师模型教学质量

教师对物理模型和建模等方面的认识越深刻，教学中对物理模型内涵的表达也就越准确，指导学生进行模型建构及运用的水平也就越高。因此，教师应明确下列三个方面的内容。

（一）理解物理模型的内涵

物理模型就是针对实际问题进行科学的抽象和概括，舍弃次要因素，抓住主要因素，形成一种能反映事物本质特性的理想物体（过程）或假设结构[3]，用于解决原本复杂的物理问题。物理模型是物理学家通过丰富的想象、严谨的推理和恰当的实验等途径生成的思想结晶，用于对物理研究对象和过程结果的表达与解释。例如，杠杆是对那些可以看成绕固定点转动物体的理想化表达;机械能守恒可以对动能和势能相互转化的规律进行解释;磁感線可以形象地显现磁体周围磁场的方向和强弱等。

（二）熟悉常见的物理模型

教师应熟知初中物理涉及的模型，既知其然，又知其所以然，方能做到在教学过程中根据学情灵活运用，帮助学生提升学习理解能力和迁移创新能力。例如，电流表是初中物理默认的理想电表，它的电阻远远小于与其串联电器的电阻，可以忽略它对电路的影响，在判断电路结构时，可以将其简化为导线，而不是没有电阻。教师若把“电流表没有电阻”教给学生，遇到考虑电表电阻的问题，学生就会产生思维混乱。

（三）明确模型教学的重心

模型教学的关注点不是模型的名称，而是模型的建构和运用。对“杠杆”“物质的模型”“磁感线”等在教材中有名称的模型，教师在教学中除了讲清名称和具体内容外，还要注意引导学生学会运用其分析、解释实际问题;对“理想电表”“质点”等在教材中没有名称的模型，尽管不要求学生记忆，但是教师也应给学生讲明这些模型的本质。

三、发展学生建模水平

建构模型是一种重要的科学思维方法。教师在教学中要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实际问题。为了发展学生的建模水平，教师在教学中应注意以下三个方面。

（一）体验建模过程，习得建模能力

对于教材中的概念教学，教师应引导学生从物理事实的分析中总结物理概念，让学生在物理模型建构的体验中渐渐生成科学建模的能力，切不可为了所谓“高效”，就让学生从教材中寻找结论，甚至直接告知结果。教师应根据学生的知识基础，创设物理概念建构必备的问题情境，引导学生针对问题情境充分发表自己的理解，这时学生的回答可能既不全面也不准确，需经过教师的精准引导完成概念的转化。

例如，苏科版八年级物理关于建立“分子模型”的教材内容如下：1.学生观察实验：（1）用素描炭笔在纸上画一条直线，用放大镜或低倍显微镜进行观察。（2）在一端封闭的玻璃管中注水到一半位置，然后注入酒精直至充满。封闭管口，将玻璃管反复翻转，使水和酒精充分混合后，观察液面的位置。2.提出了关于物质微观结构的三种模型：模型①，物质是由微粒组成的，各个微粒紧靠在一起，形成我们看到的连续体;模型②，固体是由微粒组成的，液体是连成一片的;模型③，物质是由微粒组成的，微粒之间有空隙。3.要求学生根据活动中观察到的现象，选择一种模型，并尝试解释。

【教学思路】学情a：学生课前没有预习教材，课上在学生不看教材的情况下进行观察实验活动。活动后，投影教材中模型①和模型②，组织学生讨论、评价两种模型的正确性。学生根据实验（1）的观察结果——“直接看是连续的直线，用放大镜看是由间断的点组成”，很快就能否定模型①中“各个微粒紧靠在一起，形成我们看到的连续体”的结论;学生根据实验（2）的观察结果——“酒精和水混合后的总体积变小”，可知液体不可能是连续体，从而否定模型②中“液体是连成一片的”。这时，教师要求学生综合前面的讨论，设想合理的模型。根据模型①、模型②中保留的内容，学生很容易想到“物质是由微粒组成的”;根据模型①、模型②中被否定的内容，有些学生意识到微粒间有空隙，进而提出模型：物质是由微粒组成的，微粒之间有空隙（教材中的模型③）。

学情b：学生已阅读教材。教师可以要求学生从教材给出的三种模型中选择恰当的模型，并尝试解释。“学情微变”让学生从“提出模型”走向“选择模型”，亲身体验了科学建模的过程。

（二）明了模型表象，理解模型本质

物理模型是人们为了某种特定的目的而对认识对象所作的概括性表述。学生对于具体的物理模型既要明白其表象，又要理解其本质。

例如，（2014年南通中考）如图1所示，小物块A和弹簧放在光滑的水平面上，弹簧左端固定于竖直墙面。向左移动物块A并压缩弹簧至B处，静止释放物块A，此后物块的运动是（   ）

A.一直加速    B.一直匀速

C.先加速后匀速 D.先加速后减速

本题对物理模型的认识提出要求。命题者的期望：物块A离开弹簧前，因弹力而加速运动;离开弹簧后，物块A因水平方向不受力而匀速运动。答案

为C。中考结果统计如图2所示。

调研结果表明：选择D的学生认为，物体在光滑平面不受摩擦力，题目中没有说明不受空气阻力，离开弹簧后，物块A因空气阻力而减速运动。这些学生的物理基础知识很扎实，考虑问题也很全面。问题出在对物理模型认识的偏差上：对“光滑平面”只知其然（表象）——不受摩擦力，不知其所以然（本质）——摩擦力相对物体所受的其他力而言很小，可以忽略，而不是真的摩擦力为零。真正理解“光滑平面”本质的学生不会在空气阻力上纠缠，明晰空气阻力远远小于摩擦力。

（三）精选实际问题，活化模型运用

在实际问题中“信息”是隐蔽的，学生只有根据情境完成抽象、简化、建模等系列活动，才能得到正確的结果，做出合理的解释。

例如，（2019年毕节市中考）如图3甲所示某大桥的实景图，其主通航孔桥采用双塔双索面斜拉桥，可逐步抽象成图乙、图丙、图丁所示的模型。可以看出它用到了_______（选填“杠杆”或“斜面”）的物理知识。为了减小钢索承受的拉力，在需要与可能的前提下，可以适当______（选填“增加”或“减小”）桥塔的高度。

本题将实际问题——斜拉索大桥转化为学生熟悉的杠杆模型，并用几幅图呈现出建模过程，要求学生运用杠杆平衡的知识进行分析。此题虽然是评价学生物理知识水平的好题，却不是训练学生科学思维的好题。为此，笔者建议此题仅保留甲、乙两幅图，将其还原为“实际问题”，以用于考察学生对杠杆知识的理解。

改编后的试题：某跨海大桥的实景图（如图甲），其主通航孔桥采用双塔双索面斜拉桥，它的结构可简化为如图乙所示的模型。为了减小钢索承受的拉力，在需要与可能的前提下，可以适当增加还是减小桥塔的高度？简述其理由。

通过结构简图把实际问题的关键点进行显现，有利于学生抓住问题本质。学生首先要能从实际情境中分割出图丙所示的部分，还要能将实际情境中三股钢索简化为一股，形成图丁所示的常见杠杆。相对原题而言，学生多了针对真实情境进行抽象、简化的建模体验。经常面对这样的问题，学生的模型建构水平肯定会有长足的发展。

培养学生的模型建构能力，教师应该在真正厘清物理模型内涵的基础上，根据具体的授课内容、学习要求以及学生的认知水平来设计和实施教学，对学生的要求不能太高，教学进度不能过快，要注重学生的习得与养成，方能达到培养学生学科素养的目的。

[参 考 文 献]

[1]郭玉英，张玉峰，姚建新.物理学科能力及其表现研究[J].教育学报，2016（4）：60.

[2]李宝银.初中物理核心素养与关键能力的研究[J].物理教师，2018（2）：37-40.

[3]胡安良.物理模型的建立及在物理教学中的应用[J].物理教学探讨（中学教学教研版），2012（1）：9-12.

（责任编辑：赵晓梅）