中學物理教學建模思想初探

王秋晨

[摘? ?要]中學生認為物理難以理解，定律、定理十分抽象，與實際生活聯系甚少。在科學發展的過程中，物理學家利用實際物體進行理想化與抽象化的建模思想，非常值得教育工作者借鑒。文章從建模理論入手，基于對伽利略研究中建模思想的分析，說明建模思想在中學物理教學中的應用，以及對學生物理學習的影響。

[關鍵詞]中學物理;建模;教學應用;理想化

[中圖分類號]? ?G633.7? ? ? [文獻標識碼]? ?A? ? ? ? [文章編號]? ?1674-6058（2020）18-0033-02

2018年1月，國家教育部發布了《普通高中課程方案和全部學科課程標準（2017年版）》，相對于2003年印發的普通高中課程方案和課程標準實驗稿，2017年版更加符合新時代對人才培養的需要。新版的物理課程標準中，在課程內容方面，必修1的第一主題就是“機械運動與物理模型”，其中，“物理模型”首次被納入大標題中，可見其重要性。在2003版課標中，要求學生“了解物理學研究物理模型的特點，體會物理模型在探索自然規律中的作用”。新版課程標準中改為要求學生“體會建構物理模型的思維方式，認識物理模型在探索自然規律中的作用”。也就是說，學生不僅要對物理模型有一定的了解，更要對構建物理模型的過程有深入的學習。

一、生活化物理教學現狀

教學生活化的教育思想層出不窮，通過實際生活現象引入教學內容也得到了大多數教師的認可，于是生活化物理教學被大力推廣。然而實際生活現象十分復雜，許多物理規律、定律、定理是在對實際現象理想化與抽象化后得到的。學生難以將在學校學到的物理知識與現實生活有機、自然地結合起來。物理定律并沒有告訴我們真實的物體做了什么，教師也很少強調定律和定理與現實世界的聯系，導致學生會認為理論與實際沒有很大聯系。基于此，建模思想應被納入中學物理教學中。

二、建模思想的發展

上世紀60年代，在許多科學哲學家的推動下，模型與建模的基本科學原理大量涌出，這些研究中比較一致的觀點是模型在科學知識結構中應占據中心位置。這些研究的主要問題是，科學知識如何同實踐聯系起來？這并沒有唯一的答案，但可以確定的是，建立模型對學生和教師都有幫助，它可以讓人們更加批判性地思考科學的對象和理論。繼而，科學哲學家將建模理論推廣到科學教育研究中，受到了科學教育界的廣泛認可。其主要目的是在現象與理論之間建立聯系，盡量讓學生習得理論，要讓學生懂得，重要的是認識自然界的規律，而不是現象本身。

雖然這些規律只能應用到一個理想化的世界中，但這個理想化的世界不是想象中的產物，而是可以從概念上代表自然界的。也就是說，建模思想是通過一個創造性的過程解釋現實，從而認識自然規律。在科學發展史上有許多科學家利用建模的方式進行科學活動，例如，亞里士多德的歸納-演繹法、伽利略的實驗數學法、培根的科學歸納法、笛卡爾的直觀-演繹法和還原思維法、牛頓的假說-演繹法和公理化法以及愛因斯坦的直覺-演繹法等，這些科學家的理論體系在當時的背景下都可以解決許多實際問題。隨著科技的進步、理論的發展，科學學科的理論體系也隨之完善，不變的是這些經典的理論體系依舊探討科學問題中的基本原則。所以對科學建模進行深入探究，并將其思想方法應用于中學物理教學中，有助于學生思維的培養，并且可以加強學生對科學規律的認識。

三、建模中的理想化與抽象化

理想化與抽象化在建模過程中起到十分重要的作用。理想化方法是忽略干擾因素，為了理解某一部分的事物，有意地把復雜的問題簡單化。這一被簡化的問題，或是一個物體，或是一種狀態，抑或是概念上的描述。在伽利略的著作《關于兩門新科學的對談》中，他把這種方法稱為“實驗”，并且這個“實驗”可以分辨出單一因素對結果的影響。例如，伽利略認為，為了推斷“所有物體在空中會以相同的速度落下”，要忽略阻力的影響。于是他用“實驗”來闡述這一事實。他把在“最稀薄，阻力最小”的介質中下落的物體與在“不那么稀薄，有更大阻力”的介質中下落的物體進行比較，通過有限制的例子進行合理推理到完全無阻力的狀態中，這種“實驗”不同于科學實驗，無法在物化過程中實現，也就是物理學中提到的“理想實驗”，也叫“假想實驗”或者“思想上的實驗”。

伽利略在《關于兩門新科學的對談》中表明，在科學活動中進行理想化和抽象化是合乎規則的思考過程，這在伽利略所推廣的新科學出現過程中極為重要。理想化的目的不僅僅是把物體從復雜的物理狀態中解脫出來，更重要的是可以促使理論模型更具有解釋力量。對于這些需要解釋的特性，通過形式上的簡化和省略，再利用數學的方式表達可以得到有用的結果。例如，牛頓在《自然哲學的數學原理》中提到的開普勒定律，就是利用這種理想化進行討論的。

我們所要關注的不是對于每一種理想化形式的嚴格定義，而是要探討在物理教學中理想化和抽象化對模型建構的作用。所以我們認為理想化是認識主體所進行的行為，對要研究的物體可省略一些特點、簡化一些性質，按照我們的需要做出相應的變化。建模的結果是關于一個真實物體或事件的概念，為了理解如何用這樣的物體或概念去解釋他們所描述的世界，這要求我們知道模型產生科學知識的過程。

四、伽利略研究中的建模思想

伽利略把參照理論從可見物體轉到概念物體，用以模型為基礎的自然觀來有力地支持他的新科學。在伽利略的研究中，理想化和抽象化是其最大的特點，這種思考過程的應用在伽利略的大部分著作中都有所體現。例如，著名的自由落體定律是伽利略認為不同的物體在沒有阻力的介質中會以同樣的速度落地。但在真實的條件下，沒有阻力的介質是不存在的，所以他的這個假設就是一個抽象的構建。再如，關于杠桿操作原理的討論中，為了顯示杠桿是怎樣抬起重物的，伽利略把杠桿當作沒有重量的非物質體，可以明顯看出這里面他所說的“非物質體”就是一個理想化的構建。即用模型來描述一個實體。

伽利略另外常用的一種建模方式是幾何化。在《關于兩門新科學的對談》中，分析物體斜面上的加速運動時，伽利略利用幾何推理的方法，首次提出了一個假設：物體通過的距離與時間的平方成正比，并且進一步討論了這一關系能否用于實際的問題。他描述了一個“實驗”：把一個圓的銅球放在木頭挖出的槽上，再用滴水計時來測量它下落的時間。他的描述十分詳細：這個槽“非常直、平滑，而且打磨得非常光”，球則是“硬、光滑，而且非常圓的”。應用同樣的方法，伽利略還對單擺運動的規律進行了詳細的討論。在《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中，他用理想化的方法，忽略阻力因素，推導出簡單的單擺運動規律，并且用幾何方法描述物理現象。

五、對教學的啟示

伽利略的研究有一個突出的特點，他所分析的不是實物，而是構造的模型，以科學模型為起點，構建科學理論。用這種方法給學生授課，其作用有：①利用模型學習可以明確講出理論直接牽涉的物體的概念特點，幫助學生了解科學知識和理論知識所要解釋的世界之間的關系，給學生提供一個能夠更加深入思考與理解的空間，同時也能夠讓學生認識到抽象化在科學推理中的優勢。②利用模型學習可以重溫知識。例如，在動力學中，以一些特殊的運動狀態為基礎進行抽象化研究，可以擴大理論范圍，幫助理解一般理論的內容和意義。③模型可以起到媒介的作用。以更清晰的方式探索科學模型的近似觀點，成為溝通理論與經驗之間的橋梁，使學生和教師能就關于用科學理論描述世界的方法，進行提問與討論。

本文開篇提到，很多教師在教學實踐中會把生活中的實際例子引入教學，而在授課過程中，教師沒有明確描述所利用的模型想要描述的真實物體，在什么情況下、在哪些方面，模型可以代替物體，什么時候兩者又不能等同的問題。這樣一來，學生就會感到困惑，他們會認為理論就是實際物體，當實際物體的情況與理論不同時，便會加大學生的疑惑。另一方面，如果教師直接將一般理論教給學生，省略了建模過程，就忽略了模型與實際的聯系，不僅誤導學生，還會使學生失去探索科學知識近似性和理想化性質的機會。

建模思想可以成為物理課堂的一種教學模式，通過理想化和抽象化形成模型的過程，伴有創造、實驗和嚴格的評估。在課堂上以一個未抽象化和理想化的事物原型為基礎，通過教師的引導和理論介紹，發揮學生的主觀能動性進行模型構建，這樣的建模過程可以幫助教師克服在教學過程中理論與實際相分離的情況。

本文提到的模型構建只解釋了科學模型的一些重要特點，僅為物理教學提供參考，并不能說明科學模型的所有細節和復雜的性質。課堂上的建模過程確實可以幫助學生改進他們對現實物體與理論之間關系的理解，使學生的科學知識結構更加清晰。教師想要把這種模式應用于中學物理課堂教學中，還需要做更加深入的研究。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[3]? 劉大椿等.一般科學哲學史[M].北京：中央編譯出版社，2016.

[4]? 王著.科學哲學與物理探究建模[M].濟南：山東教育出版社，2006.

[5]? 伽利略著，戈革譯.關于兩門新科學的對談[M].北京：北京大學出版社，2016.

[6]? 牛頓著，王克迪譯.自然哲學之數學原理[M].北京：北京大學出版社，2006.

[7]? 伽利略著，周煦良等譯.關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話[M].北京：北京大學出版社，2006.

（責任編輯? ? 黃諾依）