模型思維在初中物理深度學習課堂中的實踐

摘 要：核心素養視角下的初中物理課堂教學的“教”應為“學”服務，教師“教”的落腳點是引導學生理解核心知識的深度學習，課堂教學的最終目的在于讓學生在自主合作學習過程中掌握物理研究方法和知識技能，提升關鍵能力和必備品格，形成物理觀念和科學思維.建立物理模型是初中生必備能力之一，教師在教學中進行模型思維的滲透是促進學生深度學習的有效方法.筆者以蘇科版物理教材八年級上冊“直線運動”為例，探討引導學生建立物理模型并應用物理模型解決實際問題的具體策略.

關鍵詞：模型思維;教學設計;深度學習

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0029-04

作者簡介：楊琳（1977-），女，江蘇無錫人，本科，中學高級教師，研究方向：初中物理課堂教學.

基于核心素養的初中物理課堂教學是以探究實驗為載體、任務為主線、問題為導向，驅動學生自主探究，促進學生深度理解的教學.引導學生進行理解核心知識的深度學習是“教”的落腳點，“教”為“學”服務，教學的最終目的在于讓學生在自主合作學習過程中掌握物理研究方法和知識技能，提升終身發展所需的關鍵能力和必備品格，形成物理觀念和科學思維.這就要求教師在設計教學活動時創設生活化的任務情境驅動學生自主學習，教給學生解決問題的方法，滲透物理觀念，培養科學思維，發展學科核心素養.建立物理模型作為一種科學思維，是物理研究的重要方法，是在抓住主要因素而忽略次要因素的基礎上建立的有效思維模式，能具體形象、生動深刻地反映物理規律和本質.教師在教學中滲透建模思維是促進學生深度學習的有效策略.筆者結合教學實踐，以蘇科版物理教材八年級上冊“直線運動”為例，探討有效開展指向深度學習的物理模型教學策略.

1 建構實物模型，從生活走向物理

教師通過建構生活中學生熟悉的場景模型，將生活場景模型化，便于學生在課堂上具身體驗，激發學習興趣，引發強烈的學習內驅力.同時可以讓學生直觀感受物理模型的作用，初步了解物理模型的意義.在實際教學中，教師一般將生活場景模型化用于新課引入環節.

教師展示過山車模型（如圖1所示）.

教師：這是一個過山車模型，現在讓小球從右端自由下落，在右端斜坡和中部彎道兩段路程上運動，從通過的路徑來觀察小球運動方式，有什么不同？

學生：小球分別做直線運動和曲線運動.

教師：生活中的過山車是否還有其他運動方式？

學生：只有這兩種.

教師：生活中過山車雖然比較復雜，但從通過的路徑角度分析運動方式也只有兩種，過山車模型直觀展示這兩種運動方式.直線運動比曲線運動簡單，本節課我們一起探究“直線運動”.

用模型引入的方式能有效激發學生探究新知的欲望，符合從生活走向物理的課程理念.用模型讓學生直觀體驗過山車的運動方式，引導學生理解，通過模型將生活中復雜的運動簡化為兩種典型的運動方式.因此，建模的實質是提煉物理現象的本質.

2 構建實驗模型，進行基于理解的深度探究

核心素養視角下的初中物理教學，不是知識和技能的簡單傳遞，而是需要教師創設任務情境，以探究性實驗為載體，優化教學設計，驅動學生小組合作自主探究，進行基于理解的深度學習.物理實驗的本質是由生活經驗到物理實驗的模型思維轉換，需要教師進行適度引導.

2.1 引導學生建立實驗模型，通過實驗探究理解物理規律

生活中的物理現象紛繁復雜，教師若要引導學生找出其中規律，總結理解物理概念，需將物理現象模型化，用相應的物理器材在實驗中重現生活現象并讓學生觀察分析，找出規律.實驗的目的是探究物理規律，因此，建立實驗模型的關鍵在于模型能否反映客觀世界的物理規律，還要注意實驗模型是否便于操作，是否有利于發現總結規律.

活動一 研究氣泡的運動規律

教師出示電梯照片.

教師：我們要研究電梯的運動，在教室里是不太可能實現，有沒有辦法用一種模型來代替電梯運動？

教師出示玻璃管.

教師：請仔細觀察觀光電梯的圖片（如圖2所示），固定的玻璃管和管內的小氣泡分別相當于什么（如圖3所示）？將玻璃管翻轉，會觀察到什么現象？

學生：玻璃管相當于電梯，小氣泡相當于轎廂，將玻璃管翻轉小氣泡做直線運動.

教師：現在我們建立一個實驗模型，接下來就通過這個模型來研究小氣泡的運動規律.大家的桌上有裝紅色液體的玻璃管，請將玻璃管翻轉或稍微傾斜，將手離開裝置，觀察小氣泡做直線運動的快慢有沒有變化？

學生甲：小氣泡的運動快慢沒有變化.

學生乙：小氣泡的運動變快了.

教師：請小組合作設計實驗方案，驗證猜想是否正確.

學生甲：測出小氣泡運動的路程和時間算出速度，比較運動快慢有沒有變化.

學生乙：應該測出幾段路程的速度才能比較小氣泡運動的快慢.

教師：小氣泡連續運動，怎樣操作便于同時測量路程和時間兩個物理量？

學生：讓小氣泡通過相同路程，記錄通過每段路程需要的時間.

教師：以多長距離為一段路程合適？

學生甲：路程太短不便于記錄時間，可以從玻璃管的最下端開始以10cm長為一段路程，用紅線做標記.

學生乙：0刻度線不能標在玻璃管的最下端，小氣泡在玻璃管下端運動不穩定，0刻度線標在玻璃管的最下端來不及記錄時間，應離開玻璃管最下端一段距離再標記0刻度線.

教師：請各小組相互合作，在桌上玻璃管外表面用紅線做標記，并按照設計方案進行實驗，將實驗數據記錄到表1后完成表2的相關計算.

學生小組投影表1和表2，進行小組交流.

學生甲：小氣泡在每一段路程上的速度近似相等.

學生乙：小氣泡在每一段路程上的速度近似相等，但速度與上面組不同.

學生丙：小氣泡在每一段路程上的速度并不相等，且速度與上面兩組差別較大.

教師：請大家幫忙分析一下記錄數據存在差別的原因.

學生甲：各組記錄的數據和計算的速度不一樣可能是實驗時玻璃管的傾斜角度不同.

學生乙：小氣泡在每一段路程上的速度不相等可能是實驗過程中玻璃管傾斜的角度發生變化.

學生丙：小氣泡在每一段路程上的速度不相等可能是測量誤差，通過理想化的方法，小氣泡在每一段路程上的速度近似相等.

教師：由于小氣泡是連續運動的，精準記錄運動時間難度較大，有沒有更好的辦法記錄數據？

學生：利用手機等工具拍攝小氣泡運動過程的視頻，觀察一段路程的運動時間時只需讓小氣泡運動完那段路程及時按下暫停鍵，觀察時間進度條即可.

教師從引導學生觀察生活中觀光電梯的圖片入手，用固定的玻璃管模擬電梯，管內的小氣泡模擬電梯轎廂，幫助學生建構小氣泡運動的物理實驗模型，為接下來的實驗探究做鋪墊.當各小組記錄的運動時間不同，計算出的速度不等甚至出現較大偏差時，教師引導學生從多角度思考質疑、評估交流，滲透建模思想和基于證據得出結論的科學研究方法，培養學生實事求是的科學態度與責任.

需要說明的是，根據教學實際，筆者對教材要求的實驗模型進行優化改進.選用內徑為0.5cm、長為50cm的玻璃管，比教材中提供的玻璃管更細一些.以10厘米長為間隔，在玻璃管外表面用紅色的細線做標記，管內裝水，留有一段近0.5厘米長的小氣泡，封口.改進后小氣泡在每一段路程上運動的時間會長一些，約為10秒左右，便于學生記錄.用綁扎帶把玻璃管固定在木尺上，木尺中部位置鉆孔，用螺絲固定在鐵架臺上，保證玻璃管能繞中軸轉動，且翻轉后能豎直放置，便于實驗操作的穩定性和記錄實驗數據;水中注入適量紅墨水，紅色的液體與無色的小氣泡有一定的對比度，便于清晰觀察小氣泡的運動.在此基礎上，實驗方案也得以優化，驅動學生小組合作進行合理猜想、設計實驗方案和進行實驗驗證，并通過評估不斷改進方案和實驗操作.

2.2 指導學生建構數理模型，進行實驗數據分析

分析處理實驗數據的能力是學生的關鍵能力，教師在教學中可提供多種分析支架，如數據表格分析法、s-t圖像法、借助數據處理軟件Excel自動化處理等，教給學生多種處理數據的方法，多維度教會學生建構數理模型，培養學生科學思維.

教師：數據處理還經常采用圖像分析法，請各小組按照表1中的數據，畫出s-t圖像（如圖4所示）.

學生：我們發現小氣泡運動的s-t圖像近似是一條直線.

教師：大數據時代的我們還可以借助電腦軟件來處理數據，在Excel表格中輸入記錄表1中的數據，軟件便會自動生成s-t圖像（如圖5所示）.

學生：分析表格數據和圖像，氣泡在上升一段路程后，運動的路程和所用時間成正比.

教師：物理學中，把速度不變的直線運動叫作勻速直線運動，即任何相等的時間內通過的路程相等，用速度公式計算運動速度的大小.

教師引導學生基于數據表格畫出s-t圖像，建構數理模型，有利于學生更直觀分析小氣泡的運動規律.

2.3 啟迪學生建立理想化模型，科學建構物理概念

活動二 研究變速直線運動

教師：除了采用相同路程記錄時間的方法來研究小氣泡運動規律，還可以用什么方法來研究物體的運動規律？

學生：用相同時間記錄路程的方法.

教師：這里有一只電子打點計時器，能每隔相同時間在紙帶上打點，先將紙帶固定在軌道小車上，在另一端掛上鉤碼（如圖6所示），讓鉤碼拉動小車運動后將紙帶取出，你看到什么現象？

學生：紙帶上有好多的點，它記錄了小車的運動情況.

教師：這里將小車抽象成點，紙帶上點的軌跡就是小車運動情況的理想化模型.小車在各個點之間運動時間相等，小車是否做勻速直線運動？

學生：觀察紙帶上的點，小車在相同時間內通過的路程越來越大，它的速度一直在增加，不是勻速直線運動.

教師：物理學中，把速度變化的直線運動叫作變速直線運動.在自然界中，絕大多數物體都做變速直線運動，變速直線運動的速度大小不斷變化，我們用平均速度來表示物體做變速直線運動的快慢，且需說明是哪一段時間或哪一段路程上的平均速度.如果把鉤碼換成蘋果，讓蘋果在空中自由下落，用頻閃相機拍攝蘋果下落的過程（如圖7所示），頻閃相機每曝光一次的時間相等，下落的蘋果做的是什么運動？

學生：觀察頻閃照片發現，下落的蘋果在相同的時間內，運動的路程不相等，做的是變速直線運動.

教師通過實驗引導學生觀察紙帶上點的軌跡，總結小車的運動規律，將小車的運動理想化成點的運動，建構物體運動的理想化模型.再用手機現場拍攝蘋果自由下落的頻閃照片，引導學生觀察蘋果自由下落的運動情況，幫助學生鞏固關于物體運動的理想化模型，建構變速直線運動的概念.這樣的教學設計教師不再是知識的二傳手，而是點燃、引導、喚醒學生通過實驗多角度研究物體運動的規律，思考勻速直線運動速度與變速直線運動平均速度的區別，深度理解變速直線運動和平均速度的概念.

3 活用物理模型，解決實際問題

運用物理知識解決實際問題是初中生的必備能力，是深度學習的落腳點.將待解決的實際問題轉化為物理模型是解決實際問題的有效策略，所以分析和解答物理問題的過程就是識別和還原物理模型的過程.

教師：生活中做勻速直線運動的物體并不常見，平直軌道正常行駛的列車可以近似地看作勻速直線運動，請閱讀課本例題，小組合作討論幾個問題：（1）火車完全在隧道內和完全通過隧道有什么不同;（2）在什么情況下可以不考慮列車自身的長度;（3）怎樣規范寫出本題的解題過程？

學生甲：火車完全在隧道內和完全通過隧道運動的路程不同，火車完全在隧道內火車運動的路程是隧道長和火車長的差（如圖8a所示），火車完全過隧道運動的路程是隧道長和火車長的和（如圖8b所示）.

學生乙：當火車長與隧道長相差很大時，可以忽略火車自身長度，把火車抽象成點，火車通過的路程就等于隧道長.

教師：請在紙上迅速寫出規范的解題過程.

從生活實際出發運用理想化模型的方法，把平直軌道上正常行駛的列車近似地看作勻速直線運動，引導學生小組合作，基于問題自主學習例題，寫出規范的解題過程，注重知識的內化、遷移，促進學生深度學習.學生在討論交流過程中，運用速度公式這一數理模型，對例題涉及的速度、路程和時間三者關系進行理性分析，書寫規范的計算過程，合理建構當火車長與隧道長相差很大時，可以忽略火車自身長度，把列車抽象成點的理想化模型.這樣的教學設計讓思維激蕩思維，思想碰撞思想，讓課堂從關注知識到關注獲得知識的途徑.

4 結束語

威廉·亞瑟·伍德認為：平庸的教師講述，好的教師解釋，優秀的教師示范，偉大的教師啟發.物理學是研究物體運動規律的學科，實際的物理現象和物理規律一般都十分復雜，涉及到許多因素.舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質特征，需要構建物理模型.模型是對實際問題的抽象，構建物理模型是研究物理問題的科學思維方法.教師利用建模思想驅動學生深度學習，是培養學生自主學習能力、創新精神和實踐能力，發展學生物理學科素養的有效途徑.建構和活用物理模型開展教學，教師應以探究性實驗為載體，以任務為主線，以問題為導向，啟迪學生自主探究，激發學生學習物理的興趣，有效提高學生物理學習能力和學科素養，讓物理課堂在快樂詩意、質疑思辨和體悟原理中穿行.

參考文獻：

[1]楊永釗.關于初中物理教學中物理模型的構建探討[J].數理化學習（教研版），2020（12）：35-36.

[2]張廣宏，顧益芳.科學推理與合理建模在物理教學中的作用淺析——以“氣泡運動問題”為例[J].中學物理教學參考，2020，49（16）：30-32.

[3]楊慶輝，邱奕照.物理建模能力在初中物理課堂教學中的有效培養[J].中學物理，2018，36（18）：20-22.

[4]邵靚.例談初中物理綜合能力的實踐研究[J].理科考試研究，2018，25（02）：47-49.

[5]周春雨.物理模型在中學物理教學中的應用[J].物理教師，2000（04）：11.

[6]周燕霞.基于深度學習的初中物理創新實驗設計實踐探索[J].中學物理，2021，39（10）：5-7.

[7]蔣文遠，朱虹.初中物理深度學習課堂資源的取舍策略[J].物理通報，2021（05）：71-74.

[8]馬志剛.基于深度學習的初中物理教學實踐[J].數理化解題研究，2021（08）：77-78.

[9]王厚德.初中物理模型在教學中的應用初探[J].新課程（中旬），2014（04）：106.

（收稿日期：2021-03-07）