信息技術環境下建構物理模型的思維進階

吳嶠

（福州第七中學，福建 福州 350012）

建構物理模型是基于經驗事實的抽象概括，對學生思維的層次感要求很高。布魯姆對思維發展由低到高分為六個層次：記憶、理解、應用、分析、評價和創造。其中，記憶、理解和應用為低階思維，分析、評價和創造為高階思維。模型建構過程包括分析、概括、抽象等方式，需要具備想象思維、抽象思維和分析創造思維等高階思維。

教學過程中，思維的進階指的是在掌握學生學情和思維基礎的前提下，設置有效的進階途徑，讓學生思維發展的過程。［1］高中物理建模教學是一項促成學生思維進階的系統工程。

一、問題的提出

現行高中物理教材中出現的物理模型，幾乎都沒有模型思維的展示過程，相關的教材內容多是典型化、簡約化知識［2］，學生對模型的概念比較模糊，缺乏建構物理模型相應的思維訓練，對模型的形成過程存在思維障礙和認知的偏差與缺陷。［2］剛進入高中的大部分學生，無論是低階思維還是高階思維，與建構物理模型所需要的思維水平無法匹配，存在明顯的不足，比如，想象能力匱乏，學生對宏觀物體的物理場景的想象存在一定的困難，對分子、電荷等微觀粒子的物理場景更是難以想象，或者出現想象錯誤。［2］教育進展國際評估組織曾在幾年前對全球21 個國家進行調查顯示，中國學生的計算能力排名世界第一，想象力卻排名倒數第一，在中小學生中，認為自己有好奇心和想象力的只占4.7%，希望培養想象力和創造力的只占14.9%。同時，學生抽象思維能力、數學應用能力和分析、概括、創造思維能力普遍不足，難以有目的地展開抽象思考，進行深度理性的分析，對建構模型造成很大的障礙。

缺乏相應的思維訓練和高階思維水平不足，是建構模型教學過程中存在的突出問題。

二、建構物理模型中思維進階的策略

當下，信息技術提供了豐富多元的物理教學平臺，筆者針對建構模型過程中存在的問題，側重從信息技術融合的角度，探討在高中物理建構物理模型的教學過程中，設置鋪墊和臺階，激發和促進學生的高水平思維，實現思維進階的策略。

（一）豐富感知，加強想象思維訓練

物理模型是一種高度抽象的理想客體，在建構物理模型時，學生需要具有足夠的想象力。想象思維是形象思維的高級形式，具有形象性、新穎性、創造性和高度概括性等特點，是依靠合理的想象，在嚴密邏輯思維下的推斷和猜測。磨刀不誤砍柴工，加強想象思維訓練，是建構物理模型思維的前提和準備。具備了一定的想象思維，物理模型才不會是無源之水、無本之木。

1.展示實際場景，豐富空間經驗

借助信息技術，可以在有限的課堂時間內高密度提供物理相關的實際場景，豐富學生的空間經驗，有益于學生想象能力的發展。

比如，在直線運動模型教學時，在人手一臺平板電腦的智慧教室，筆者先播放生活中各種運動的視頻，并把視頻共享給課堂上的每一個學生，學生通過平板電腦，近距離地觀察運動物體，引導學生放慢、放大鏡頭，比較相同時間內同一個運動物體的軌跡，這時學生發現，有些看起來勻速直線運動的物體，相同時間內通過的距離并不相同，軌跡也并不都是直線；再播放變速直線運動、勻變速直線運動和曲線運動等視頻，共享給學生，而后，播放滑冰運動員停止用力后在冰面上運動的視頻，并指出，滑冰運動員停止用力后在冰面上的運動，十分接近勻速直線運動。通過信息技術的展示，刺激學生的直觀感知，讓學生對各類運動有豐富的感性認知，為學生建立相關的運動模型做好鋪墊。又如，單擺模型教學時，將伽利略對油燈擺動進行觀察的視頻向學生展示，讓學生身臨其境，激發學生的想象思維。

2.滲透圖形想象和假設想象等訓練

聯系生活實際和專業實踐提供想象線索，通過各種形式開展想象力訓練。

①圖形想象。盡可能多地列舉出圖形相象的實物，開發想象力。比如，展示圖形○、△、英文字母等，讓學生在平板上隨堂動手畫出與其相似的各種實物，展開自由的圖形想象。

②假設想象。展示或動畫模擬某種事物，通過對某種事物的推理、猜測，引發學生新穎、獨特的設想，以開發想象力和創造力。

③原型想象。展示生產生活中的實物或過程原型，激發學生通過各種聯想把原有表象結合起來典型化。

④制作想象。開展科技小制作、小發明、小創造活動，讓學生在實踐中產生創造新的事物的動機。

多媒體教學手段為想象思維訓練提供了廣闊的平臺，可以在課堂上短時間內展示各種素材，為學生創造想象的情境，激發學生想象的興趣；促進學生想象的延伸，推動學生想象過程的發展；拓展想象的空間，豐富想象的內容，有利于學生想象思維的發展。

（二）設置梯度，培養抽象思維

有了想象思維的前提，進階到抽象思維就更有可能。抽象思維是建立在形象思維基礎之上的揭示事物內在屬性的高階思維。建構物理模型的過程，尤其需要學生具備抽象思維。筆者借助信息技術，設置梯度，先讓學生感知物理現象的屬性，再通過語言形成表象，進而逐步由表象發展成以概念思維為主的物理認識，設法在學生頭腦中建立正確而可靠的表象，從感性具體的表象出發，在建構物理模型的過程中培養抽象思維。

以高中物理的質點教學為例，建立質點模型的認知和思維跨度都很大［3］，特別能在建模過程中培養學生抽象思維能力。筆者借助信息技術，設置思維進階的問題，嘗試先利用希沃白板5 展示一幅漫畫，如圖1。

問題1：圖中小朋友在唱歌，只畫鼻子和嘴，而不畫眼睛，有何效果？

學生答：突出主要的部分。

利用希沃白板5 展示另一幅漫畫，如圖2。

圖2

問題2：這幅畫中小朋友也在唱歌，只畫嘴，而不畫其他，有何效果？

學生答：突出最主要的部分。

（引導學生分析相關因素，由主要因素進階到最主要因素）

問題3：如果只描繪小朋友在教室就座，可以怎么簡化？

學生答：不畫臉上任何器官，只畫人體。

問題5：如果只統計小朋友在教室的總人數，可以再怎么簡化？

學生答：不畫人體，簡化成小球、小方塊或者其他的小物體。

問題6：可以簡化為一個點嗎？

學生答：可以。

（讓學生動手畫數個點，這是形象思維向抽象思維跨越的關鍵節點）

問題7：這個點有何突出的物理特性？

學生答：質量。

（學生意識到，物體的形狀大小相對研究的問題而言可以忽略時，一個抽象的有質量的點可以代替這個實際物體，引出質點的概念）。

至此，學生從感性具體的漫畫，到理性抽象的理想模型，并人人動手畫質點，通過這些進階問題的步步為營和激發，學生經歷了質點模型的建構過程，不經意間，質點這一理想化的模型就水到渠成了。

通過質點模型的建立，學生對物理模型的概念有了比較鮮明的感知，并意識到：要從分析物理問題的因素中，確定出什么是突出的主要因素，不能忽視；什么是次要因素，可忽略；逐步集中到最突出的主要因素，建立起抽象的、理想化的實體、概念或者過程，這個過程本身是對研究物理問題的一種簡化［3］。學生認知到，化繁為簡，排除無關干擾，突出重點因素，便是物理模型的內涵［4］。學生的抽象思維能力在這個過程中得到飛躍式提升。

在日常生活中，學生所接觸的都是具體實物，在教學中，借助信息技術，讓學生不斷積累形象思維，由量變引發質變，從形象思維上升到抽象思維。在綜合考慮學生的知識儲備、思維水平的基礎上，引導學生將舊知識與新知識進行關聯，為抽象思維創造良好的思考內環境。

（三）數理結合，培養分析思維

分析思維是建構物理模型的重要保障。分析思維包括歸納推理、演繹推理、證明等邏輯思維，是遵循嚴密的邏輯規則、通過逐步推理而得到符合邏輯結論的高階思維［1］。在教學過程中引導學生進階到分析思維，實現模型建構并非易事，信息技術在其中起到巧妙的作用。

例：一名跳高運動員，身高1.8m，要越過2.0m 的橫桿，起跳速度豎直方向分速度的最小值是多少？

解決這類問題，需要引導學生利用分析思維，將數學與物理相結合，分階段突破，建構起物理模型。

第一階段，先引導學生在頭腦中想象實際情景，而后在屏幕上呈現幻燈片，如圖3。

圖3

第二階段，結合實體建構成質點對象模型，將問題情境轉化為數學模型，用PPT 呈現幻燈片，如圖4。

圖4

第三階段，將數學模型融合到物理斜拋運動過程模型，如圖5，用PPT 呈現幻燈片。

圖5

第四階段，利用分析思維，將過程模型進一步簡化到豎直方向的上拋運動過程模型，如圖6，用PPT呈現幻燈片。

圖6

到此，問題迎刃而解。學生領悟了怎樣通過分階段的分析，抓住問題的本質，建構物理模型。

物理在明處，數學在暗處，物理建模，很多時候是從復雜的物理現象中，抽取出能描繪該現象的元素或參數，通過數理結合，分析出這些元素或參數之間的正確關系，建構足以科學描述、解釋該現象的模型的過程。教學過程中的數理結合，遵循嚴密的邏輯規則，能有效培養分析思維，達成思維進階。

三、結語

隨著時代的進步、實踐的深入，信息技術在高中建構物理模型的教學中將發揮更大的作用，更好地實現科學思維的歷練與進階。教師可以根據校本實情，結合學生已有的學習基礎和思維水平，不斷嘗試、革新教學方式，靈活運用信息技術，創設情景，鋪設臺階，設置問題鏈，循序漸進，使學生具備建構物理模型的意識和能力，在促成物理模型建構的過程中，發展學生的多種思維，實現科學思維的進階，提升學生物理學科素養。