高中生物理建模意識和能力的培養策略研究

張永剛 朱巧萍

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021)

1 物理建模教學

高中物理教學的根本任務是在初中物理知識經驗的基礎上，繼續培養和提高學生的物理學科核心素養.《普通高中物理課程標準(2017年版)》把物理學科核心素養分為物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個部分，其中科學思維被定義為“從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程……”.[1]由此可見，建模是科學思維這一核心素養的關鍵環節，是學生進行科學思維的前提和依據.

David Hestenes在認知建模理論中把心智模型定義為“思維的個體建模”，認為學習者必須借助于某種方式來表征自己的心智模型才能和外界進行溝通.這種表征過程促進了心智模型的發展，在此基礎上才能實現個體建模的過程.[2]物理建模的過程是讓學生針對具體的物理問題，聯想生活現象中與此相關的某一畫面、某一過程、某一情境，找出解決問題的主要因素，忽略次要因素，在頭腦中建構一個簡化的模型，其實質是形象思維向抽象思維的一個轉化過程,也是心智模型的發展過程.教師的“教”和學生的“學”本質上都是一個不斷建構、完善、應用、檢驗物理模型的過程.因此，本文主要探究培養學生物理建模意識和能力的具體教學策略.

2 影響學生建構物理模型的因素

2.1 高中生思維發展特點

皮亞杰認知發展理論把兒童的認知發展分為感知運動、前運算、具體運算和形式運算4個階段.高中生的思維已經超越了對具體的、可感知事物的依賴，開始進入形式運算階段，此階段的顯著特點是形象思維開始向抽象思維過渡.形象思維源于直接的生活情境，是對某個概念、過程、狀態形象描述的一種認知能力；抽象思維必須在形象思維的基礎上進行，是對許多物理情境進行概括和總結的過程.建構物理模型的過程也正是從形象思維開始，逐步向抽象思維轉化的一個過程.學生建構物理模型的意識和能力與抽象思維的發展狀況密切相關，直接取決于形象思維向抽象思維轉化的意識傾向.

2.2 學生原有知識經驗

建構主義學習理論強調學生原有知識經驗的重要作用.學生的生活經驗、物理概念、物理規律等原有知識經驗都是學生進行抽象思維的基礎.物理建模是抽象思維的過程，學生原有知識經驗自然就成了建模的“基本原料”.如果學生缺乏這些“基本原料”，抽象思維就無法進行，物理建模也無從談起.因此，學生原有知識經驗就是物理建模的基礎.

2.3 物理知識的遷移能力

遷移是一種學習對另一種學習的影響.學生原有知識經驗豐富多彩、包羅萬象.在具體的建模過程中，學生必然要思考如何在已有知識經驗的基礎上建構適當的模型來分析和解決物理問題,這個過程即為物理知識的遷移過程.因此，物理知識的遷移能力對學生建模意識和能力的培養至關重要.

2.4 教師的引導作用

物理教師的建模思維在教學過程中起著關鍵的引導作用.教師要全面系統地掌握物理教學中的重難點和學生普遍存在的疑點，準確理解教材的思路主旨，綜合學科知識特點和學生認知發展規律，進行科學合理、實事求是地建構物理模型.在“先建構，后應用”模型的基礎上培養和發展學生的科學思維，讓學生體驗物理模型對問題解決的實用性，其實質也是教師引導學生科學探究的過程.

3 培養學生建模意識和能力的策略

物理建模教學的主旨在于結合日常生活經驗，通過對物理現象的分析，達到對物理概念、物理規律認識和利用的目的.其中規律建模、過程建模、一模多用等策略都發揮著重要的教學作用.

3.1 聯系生活，引導學生設計思想實驗，突出規律建模的基礎

物理建模過程必須以學生的生活經驗為基礎，在此基礎上引導學生進行思想實驗，發展學生的抽象思維，培養和提升學生的物理觀念.

教學案例：物質觀念及其守恒定律的建模教學.

物質觀念及其守恒定律是學生科學世界觀形成的基礎，在培養過程中要大膽嘗試，突破教材，尋求生活實例，讓物理知識走進學生的生活，從生活經驗中尋找物質和物質守恒的模型基礎.從物理變化、化學變化、生物反應等過程的角度出發，引出自然界物質變化和物質轉換的問題.例如，水的蒸發，煤炭的燃燒，種子的成長等問題.

(1) 水在蒸發過程中，水量減少了，是不是水就消失了？如果沒有消失，蒸發掉的水變成了什么？又去了哪里？

(2) 煤炭燃燒之后變成了碳灰，后者比前者的重量減少了很多，減少的量變成了什么物質？去了哪里？

(3) 楊樹種子發芽、出土、不斷長大，成為參天大樹的過程，從幾乎沒有重量的種子變成千斤之重的大樹，這個過程中物質和能量的轉換守恒嗎？

教師通過上述問題的提出，引出疑點：物質的存在形式是單一的嗎？物質在轉化過程中守恒嗎？

教學注意事項：學生物理模型的建構、科學思維的形成及發展必須經過長時間的反復思考和不斷的推敲才能夠實現.因此，教師要有前瞻性，提前讓學生思考問題，留給學生充足的思考時間，再讓學生結合生活經驗做出嘗試性的回答.

針對上述3個問題，學生展開思想實驗，給出了建構物理規律模型的現實生活案例.

(1) 學生甲聯想到瓶裝礦泉水，經過思考之后，提出問題：密閉的瓶裝礦泉水在常溫和冷凍兩種狀態下，重量是否相同？冷凍的礦泉水必須吸收熱量才能夠達到常溫狀態，即水吸收了熱量之后會不會引起重量的變化？他認為可以通過測量同一瓶礦泉水，在兩種狀態之下的重量來檢測物理變化過程中物質量是否守恒.

(2) 家中開了一個理療館的學生乙，經常觀察到理療拔火罐的過程，從中得到了靈感，他建議利用精密電子秤，稱量正在燃燒的密閉透明火罐，以此來判斷化學反應過程中的物質守恒.但是，他的思想實驗遇到了麻煩，如何讓密閉火罐里的可燃物自燃，成了全班學生思考和討論的焦點.最終，這個問題被一片凸透鏡解決了.這個思想實驗設計出了化學反應(燃燒)過程中物質守恒的驗證方法.

(3) 家里種著蔬菜大棚的學生丙，把一顆白菜種子放進了密閉透明的培養液里，他想要研究構成白菜的物質來自何方？密閉的空間隔絕了物質交換，精密電子秤示數，顯示著物質量的變化情況.這是對生物反應過程中物質守恒的一種驗證方式.

上述3個思想實驗為學生建構物質觀、物質守恒觀的模型奠定了堅實的基礎，當然也涉及到了能量及其守恒，激發了學生的物理學習興趣.教師基于上述3個模型給出物質守恒定律：“在任何與周圍隔絕的物質系統(孤立系統)中，不論發生何種變化或過程，其總質量保持不變”.在物質守恒定律的基礎上，學習和理解能量轉化與守恒定律就變得容易了.

物理建模教學要密切聯系學生的生活，在生活中找出模型的“原形”，再運用“原形”建構物理規律模型，這些“原形”也賦予了物理模型的真實意義.

3.2 結合實際，開展手工制作，建構過程模型的“原形”

物理課程中的許多知識在現實生活中很難找到建模的“原形”，這些知識對學生而言比較抽象，不易理解.教師不能把物理實驗作為唯一的依據來引導學生建構物理模型，在教學中組織學生制作手工，不僅可以有效的幫助學生建構物理模型，還可以向學生滲透科學思維.

教學案例：以矢量合成法則為例，探究手工制作對過程模型建構的促進作用.

(1) 教學任務分析.

矢量合成法則是高中物理教學的重點和難點.學生第一次接觸矢量及其運算法則，現實生活中不易找到與矢量知識相關的現象，導致了學生先前知識經驗中沒有矢量知識的固著點，教師也很難在學生已有知識經驗中找到矢量知識的生長點.對學生而言矢量運算法則和標量運算法則存在著認知方式上的沖突.

(2) 教學理論基礎.

根據奧蘇貝爾的“逐漸分化原則”和“下位學習”認知方式來建構物理知識的結構體系，有必要向學生滲透一類物理量的科學思維和方法.先講矢量的定義及其與標量的區別，然后講解矢量的運算法則，之后再講解位移、速度、力、加速度等矢量的合成.在此基礎之上，建構矢量模型及其運算的過程模型，這樣物理學習的難度就會有所降低，學生的科學思維也會得到提升.

(3) 建構手工模具.

制作材料：標有均勻刻度的直尺或窄木條，細小螺絲，打孔器，量角器.以直尺或窄木條為4條邊制作平行四邊形，用細小螺絲連接在一起，夾角處固定量角器.

教師引導學生自制物理實驗模具即矢量合成模具，學生可以用自制的平行四邊形來演示矢量合成的過程，在理論上學生可以制作任意形狀的平行四邊形作為矢量合成的模具.圖1為學生自制的菱形矢量合成模具.

圖1 學生自制的矢量合成模具

(4) 滲透科學思維.

在物理建模教學過程中必須滲透物理學科的思維特點和研究方法，在矢量合成與分解的教學過程中滲透和灌輸等效替代法，讓學生理解作用效果是可以替代的.如果一個矢量的作用效果和另外兩個矢量的作用效果相同，這兩個矢量就可以用一個矢量來代替.

(5) 演示動態過程.

通過調節矢量合成模具的夾角，可以形象地演示合矢量與分矢量之間的動態變化過程.以菱形矢量合成模具為例，可以更好地演示出兩個大小相等的矢量，因夾角變化所引起的合矢量的動態變化過程，使學生更好地理解合矢量的大小、方向與分矢量大小、方向之間的變化關系.圖2為學生用菱形矢量合成模具演示矢量合成的動態過程.

圖2 矢量合成的動態過程

通過學生手工制作矢量合成模具來演示矢量的運算法則，為建構矢量運算法則所需的過程模型提供了實物原形，在制作和演示模具的過程中，既能夠滲透科學思維、物理方法，培養學習興趣，又能夠引導學生深入探究，提升物理學科核心素養.

3.3 滲透知識間的聯系，探究“一模多用”，以模型固化知識結構

建構物理模型是為了幫助學生更好地理解和運用物理知識，在實際的物理教學中突破教學重難點的關鍵環節也往往就落在了如何建構一個恰當的物理模型上.恰當模型的建構應該滲透著物理知識點之間的聯系，教師要引導學生探究一種模型的多種用途，以此來加強物理知識點之間的內在聯系，固化物理知識結構.

教學案例：探究電磁感應現象，運用“一模多用”幫助學生固化知識結構.

(1) 教學任務分析.

探究電磁感應現象的本質是教學的重點和難點，日常經驗和感性認識不足直接導致學生難以理解電磁感應現象本質——磁通量的變化.磁通量的變化也是進一步學習法拉第電磁感應定律和變壓器工作原理的基礎，如何建構一個模型把電磁感應現象本質、楞次定律、法拉第電磁感應定律、變壓器工作原理聯系起來，實現“一模多用”？

(2) 探究提煉“一模”.

人教版《普通高中課程標準實驗教科書物理(選修3-2)》中基于學生初中通電導體切割磁感線產生感應電流的知識，在探究電磁感應現象中引入了3個有層次遞進關系的實驗模型.如圖3所示.

經過電磁感應現象的探究之后，引導學生對3個實驗模型進行實質性的分析，在第3個實驗模型的基礎上，抽象出電磁感應的核心模型——原副線圈模型.如圖4所示.

圖4 原副線圈模型

(3) 知識擴展，實現“一模多用”.

提煉原副線圈模型，主要目的是實現“一模多用”，以此來強化電磁感應現象產生條件、楞次定律、法拉第電磁感應定律、變壓器工作原理、自感、互感等知識點之間的密切聯系，實現用一個模型來固化電磁感應知識結構的教學目的.

以此模型為例，可以講解感應電動勢的大小取決于磁通量的變化率、線圈匝數、有無鐵心；在此基礎上，教師也可以靈活地設計出變壓器工作原理、自感現象、互感現象等很多有內在聯系的綜合性的教學案例，真正實現“一模多用”.

利用“一模多用”的模型探究物理教學過程，可以實現只用一個模型就能完成多個知識點的教學設計，能夠更好地加強知識之間的聯系，使學生掌握系統的知識結構，有利于學生對知識內在聯系的深入理解，也有利于學生知識遷移能力的進一步培養.

4 結束語

上述策略有助于學生通過建立模型來理解物質觀、能量觀、矢量合成法則、電磁感應等物理難點.物理建模教學要以學生的生活經驗、日常現象為基礎，密切聯系學生已有知識經驗.在教學實踐中，引導學生在真實的生產生活中體驗問題的復雜性和豐富性，構建從情境中學習知識的認知途徑.[3]在此基礎上，辨識物理問題的實質，抓住主要因素，忽略次要因素，善于利用模型分析和解決物理問題，進而幫助學生發展科學思維，培養科學探究和質疑創新的能力.