對高中物理新課標中模型建構的認識

肖磊 廖長山 張克彬

肖磊，河南大學卓越中學教師培養計劃學術導師，教育學博士，博士生導師，副教授，河南大學首批“青年英才”，河南省高等學校青年骨干教師培養計劃入選者，全國課程學術委員會常務理事、全國教學論專業委員會理事，河南大學教育科學學院教育學系主任。

主持人：《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》明確了物理學科核心素養的具體內容，科學思維是物理學科核心素養的一個重要方面，而模型建構又是科學思維的要素之一。那么，我們應如何看待模型建構？

廖長山（河南大學卓越教師班）：模型建構作為一種認識物質及其運動的手段和思維方式，是學習主體對研究的具體問題和真實情境進行客觀分析之后，在抽象和概括的基礎上構建能夠反映事物物理特征和相同物理屬性且方便研究的理想模型、理想實驗、理想過程和物理概念的過程。模型建構是物理學科核心素養的重要組成部分，它與科學推理、科學論證和質疑創新等構成了科學思維。

模型建構對學生發展能夠起到促進作用，其主要表現在：第一，有助于學生在問題情境中抓住事物的關鍵要素。模型建構的第一步就需要學生能夠在具體的問題情境中分清楚事物的主要因素和次要因素，如果顛倒了主次，模型建構就無從談起。學生經過親身建構物理模型，在面對復雜問題時，就能準確找到關鍵要素，為問題解決奠定基礎。

第二，有助于學生加深對物理概念、物理過程和物理系統的理解。物理模型有不同的種類，如物質模型、過程模型等，模型建構很好地詮釋了物質及其運動背后的本質。通過親身建構物理模型，學生對于物理概念、物理過程等將會有更加深刻的認識。

第三，有助于學生形成系統思維。模型建構是一個系統化的過程，需要經歷抽象、形成、應用、再構等環節。學生具備了模型建構的能力，也就形成了嚴謹而又系統的邏輯思維。如果將模型建構比作一棵樹，那么抓住事物的關鍵要素就是樹根，物理概念、物理過程等方面的深度學習就是樹干和樹枝，系統思維的形成便是果實。

主持人：模型建構是物理學科核心素養中的重要內容，需要借助特定的內容載體——物理模型方能形成。那么，新課程標準中滲透的物理模型有哪些，能否舉例說明？

廖長山（河南大學卓越教師班）：新課程標準中滲透的物理模型主要有物質模型、過程模型、條件模型、相互作用模型等。

第一，物質模型。物質模型是根據研究的問題或情境，抓住事物的主要因素，忽略次要因素，并對事物的主要因素進行抽象與概括后最終所形成的模型，如質點、點電荷、純電阻等。其中，質點模型是學生在高中物理學習中所接觸到的第一個模型。學生建立質點模型時，需要充分分析研究的問題或情境，然后明確地分辨出主要因素和次要因素，最終建立適合研究的質點模型。構建質點模型可以培養學生發現問題和分析問題的能力，使學生透過事物的表象分析本質，然后抓住主要因素，結合研究的需要，對物體的特征進行抽象與概括。

第二，過程模型。過程模型是為了研究物體的復雜運動過程，建立在物體運動的基礎上，根據研究對象的屬性和需要，將運動過程中的主要因素保留，忽略次要因素，簡化研究問題，揭示事物本質的理想過程，如平拋運動、勻速直線運動、牛頓第二定律等。過程模型的建立較為復雜，以平拋運動為例來說，學生在構建平拋運動的過程模型中，首先要借助于質點模型進行科學推理，將平拋運動軌跡分為水平方向上的勻速直線運動和豎直方向上的自由落體運動。建立平拋運動模型過程中，至少運用到了質點、勻速直線運動、自由落體運動三個模型，這可以提高學生科學推理和綜合應用模型的能力。

第三，條件模型。條件模型是將研究對象的外部條件進行理想化處理后建構的完美模型，如勻強磁場、光滑平面、恒定電流等。在此，以勻強磁場模型建構為例進行說明——勻強磁場在實際的生活中并不存在，蹄形磁鐵和通電螺線管中的磁場均不是勻強磁場，但為了方便物理問題的研究，便將其理想化為勻強磁場。勻強磁場的建立，為學生下一步的科學推理奠定了基礎，如推導導體在勻強磁場中切割磁感線所產生的感應電動勢的規律、帶電粒子在勻強磁場中的運動規律等。勻強磁場條件模型的建立，可使學生掌握研究物質及其運動的基本思路和方法，在面對復雜的物理情境時，知道怎樣對研究對象的外部條件進行理想化處理。

第四，相互作用模型。相互作用模型是為了更好地對物體間的關系進行定性與定量描述，而將系統與外界的相互作用變量表示為系統的狀態變量函數，如萬有引力、重力、安培力等。比如，萬有引力是描述物體相互作用的概念，而表征萬有引力的公式給出了物體的質量以及物體之間的距離與萬有引力的定量關系。萬有引力模型的建立，使學生對于物質運動的相互作用規律有了清晰的認識，可以解釋為什么地球圍繞太陽做圓周運動等現象，有助于學生夯實物理基礎知識，提升科學思維能力。

主持人：培養學生的模型建構能力是物理課程教學的重要目標，那么，在具體的教學實踐中，如何引導學生進行模型建構呢？

張克彬（河南大學卓越教師班）：在物理教學過程中，如何引導學生理解物理模型的本質，并恰當選用物理模型，或將復雜問題轉化成物理模型，這是教師需重點關注的問題。一般而言，物理模型建構需要經歷抽象、形成、應用、再構等階段。

第一，在抽象階段，主要是根據研究問題確定主要因素與次要因素，進而圍繞主要因素，忽略次要因素，抽象出研究對象的本質特征。需要注意的是，對同一研究對象，當研究問題改變后，主要因素與次要因素也會隨之改變，其特征也有所差別。例如，在火車過橋情境中，當車長遠小于橋長時，因火車的長度、形狀為次要因素可忽略，可抓住火車的質量這個主要因素將其抽象成質點;當車長大于或近似于橋長時，火車的長度和形狀為主要因素不可忽略，那么火車不能抽象成質點。

第二，在形成階段，主要是根據抽象出的特征建構合適的物理模型以表征研究對象。理想化和類比法是形成模型的重要方式。其中，理想化是將主要因素理想化建構出模型。例如，建構理想氣體等壓過程，即將氣體變化過程所處的環境進行理想化。類比法是通過已知情境與未知情境的類比，建構出未知情境的模型。例如，運動的合成與分解模塊中“小船渡河”模型的形成便是基于已知的原始物理模型。物理學史上經典的模型建構過程為我們形成物理模型提供了典范，教師需深刻剖析經典建模過程，帶領學生親身體驗建模過程，體會其中的物理方法和思想，從而提升學生的模型建構能力。

第三，在應用階段，主要是根據建構的物理模型或其變式尋求解決問題的路徑。模型的變式即圍繞某一模型從不同角度拓展或融合其他模型，從而衍生出新的模型，運用模型變式解決問題更有助于知識系統化。在此階段，教師應密切聯系生活情境，引導學生善用所學知識解決實際問題，同時加強學生抽象本質特征形成物理模型的能力。例如，萬有引力模型融合圓周運動模型又可衍生出多星系統模型。在教學中，教師可編制由不同水平題目組成的題組，將學生分析、解答問題的過程上升為抽象、形成及應用模型的過程。

第四，在再構階段，主要是教師根據學生應用物理模型的水平確定是否需要再構。如果學生能夠順利將復雜問題轉化為物理模型，即說明其具備模型建構能力，否則需要再次建構。在此階段，側重點不在于引導學生重新建構模型，而是要針對學生在建構模型過程中出現的問題對癥下藥。要針對的問題包括：在抽象階段，主要因素與次要因素的分析是否得當、是否忽略模型建構的前提條件等;在形成階段，物理情境是否過于理想化而脫離實際、對經典模型建構過程的理解是否透徹等;在應用階段，是否能運用建構的模型解決問題等。