基于培養科學思維素養的初中物理模型建構策略

摘 要：核心素養是課程育人價值的集中體現，《義務教育物理課程標準（2022）》明確提出“培養學生核心素養.”科學思維是物理核心素養的重要組成部分，而模型建構是科學思維的關鍵要素.在平時教學中，教師應通過精心的教學設計，使學生了解物理模型，體驗建模過程，活化模型運用，讓學生在理解物理知識的同時，領會科學思維方法，養成科學思維習慣，提升科學思維能力，從而促進學生核心素養發展.

關鍵詞：科學思維；初中物理；模型建構；核心素養

中圖分類號：G632" "文獻標識碼：A" "文章編號：1008-0333（2023）14-0080-03

物理模型建構是科學思維的主要內容，是落實核心素養的重要途徑.在物理教學中，充分了解物理模型的內涵及類型，掌握模型建構的方法，

抓住物理問題的主要特征，建構反映物理本質的模型，培養學生建模能力，從而提高學生科學思維素養.

1 初中物理基本模型分類

1.1 理想對象模型

物理概念比較抽象，其思維形式與過程相對復雜，為了研究方便，往往要將研究對象進行簡化或理想化處理，這樣構建的實體模型稱為理想對象模型.比如“液片”是初中物理中的一個重要的理想對象模型，是為研究問題方便而選取的一個極薄的液體薄片，其特征是不計體積和質量，但有面積.其形狀與裝液體或氣體的容器的橫截面相同，它可以靜止，也可以做勻速直線運動或變速直線運動;它可以受平衡力的作用，也可以受非平衡力的作用.“液片”在研究液體或氣體問題中有著廣泛的應用，研究連通器原理就應圖1用到液片，如圖1所示，連通器內裝同種液體，當液體靜止時，在U型管下部正中取一個液片AB，液片兩側受到的液體壓強相等，根據液體壓強公式p =ρgh可知h1=h2，即容器中左右兩側液體的深度相同.初中物理中常見的理想對象模型很多，比如“點光源”“杠桿”“平面鏡”“薄透鏡”“均勻介質”等.

1.2 理想條件模型

將研究對象所處的條件進行理想化處理而建構的模型稱為理想條件模型.它是人為構想的一種模型，在實際生活中并不存在，只是為了簡化處理問題而引入.如“光滑表面”就是典型的理想條件模型，研究問題時通常可以不考慮因摩擦阻力帶來的影響.如圖2所示是伽利略的理想實驗模型，通過實驗發現，一個鋼珠從左側光滑斜面的某一高度由靜止滾下，無論右側光滑斜面的坡度如何，鋼珠必定到達與下落點幾乎相同高度的地方；如果把右側光滑斜面變成光滑的水平表面，鋼珠就會一直運動下去.伽利略通過理想斜面實驗推翻了亞里士多德的“力是維持物體運動的原因”的錯誤觀點，在實驗的基礎上進行科學推理，為得出牛頓第一定律奠定了堅實的基礎.理想條件模型還有“輕桿”“輕繩”等，研究問題時通常可以不考慮它們的質量，再比如“均勻介質”“忽略溫度對電阻的影響”等，就是將物理條件理想化，從而有助于揭示事物的本質.

1.3 理想過程模型

影響物理過程的因素往往很多，研究物理過程時只考慮主要因素，忽略次要因素，建構的過程模型稱為理想過程模型.例如，勻速直線運動，物體運動過程中排除了空氣阻力等干擾因素，不考慮物體本身受力， 物體將做速度大小保持不變的直線運動， 它在現實生活中是不可能存在，但有些物體的運動很接近勻速直線運動，可近似看成勻速直線運動.

2 物理概念教學中的模型建構

2.1 類比模型

類比模型是指借助類似現象或過程，通過類比，實現模型建構遷移，從而建立新的物理概念.如在“功率”概念的教學中，可以與“速度”概念進行類比，速度是表征物體運動快慢的物理量，在物理學中，比較物體運動的快慢一般用相同的時間比較路程，如果兩個物體運動的路程和所用的時間都不相同，可以通過路程與時間的比值反映物體運動的快慢，我們把路程與時間的比值叫做速度.同樣，功率是表征物體做功快慢的物理量，通過類比“速度”概念，構建“功率”概念，在物理學中，比較物體做功快慢一般用相同的時間比較做功的多少，如果物體做功和做功所用時間都不相同，可以通過功與時間的比值反映物體做功的快慢，我們把功與時間的比值叫做功率.還有物質密度、壓強、熱值等，這些概念的形成過程應用類比模型，有助于加深學生對新概念的建立和理解.

2.2 等效模型

在確保某種效果相同的條件下，為方便研究，把復雜的物理問題或過程等效轉化為簡單的物理問題或過程，這種方法建構的模型稱為等效模型. 如在“重心”概念教學時，我們可以把物體各部分受到的重力等效認為集中作用在物體的一個點上，這個點就叫做物體的重心.又如，在“平均速度”概念教學時，物體在一段路程內做變速直線運動，在這段路程內，我們可以等效認為物體做勻速直線運動，求出的速度就是物體通過這段路程的平均速度，它能粗略描述物體在這段路程的運動快慢.“總電阻”“合力與分力”等概念教學時，同樣可以運用等效替代的方法，建構等效模型，使問題由繁變簡，簡化物理概念建立過程，降低學習難度.

2.3 圖像模型

物理圖像模型可以用來定量描述物理概念，它既可以將物理量之間的關系形象直觀地呈現出來，又能揭示物理概念的形成過程，有助于深刻理解物理概念.如“密度”概念比較抽象，學生不容易理解，教學時，可讓學生根據實驗得到的不同種物質的若干組的質量與體積，作出質量m隨體積V變化的關系圖像，并引導學生從圖像中獲取信息，通過分析發現，對于同種物質，質量與體積的比值相同，不同種物質，質量與體積的比值一般不同，可見，質量與體積的比是由物質種類決定的物理量，它反映了物質的一種特性，這個特性叫做密度.這樣，學生通過實驗，并借助構建的直觀圖像，在教師的啟發引導下自主建立密度概念，印象深刻，理解到位.

2.4 虛擬模型

為了形象直觀地描述客觀存在的物質或現象，有時需要引入一些虛擬的模型來描述物質或現象的某些性質或特征，雖然客觀存在的物質或現象是真實的，但所建立的物理模型是對實際物質或現象的模擬，因而是不真實的，建立起來的模型是虛擬模型.虛擬模型不是用來發現新的物理規律，其目的是讓學生更容易理解原有的物理概念.如在“磁感線”教學時，為了形象地描述磁場人為引入磁感線，即在磁場中畫出一些有方向的閉合曲線，它不是實際存在的 ，只是一種虛擬模型，但它能反映磁場的一些特征和性質.還有“光線”“力的圖示”等也是人為虛擬建構的，它們同樣可以描述物理現象的某些特征，有助于進一步理解物理概念.

3 物理規律教學中的模型建構

3.1 實物模型

為了讓學生更好地理解物理規律或原理，在平常教學中，教師要引領學生實驗探究，向學生展示實物、圖片等，以便建構直觀形象的實物模型，提升學生建模能力.用自制光具盤來探究“光的反射定律”時，如圖3所示，讓激光束沿光屏從A點入射到平面鏡上的O點，觀察到的反射光線如圖3所示，接著，改變激光源的位置，分別從B、C點入射到鏡面上的O點，觀察反射現象，并把３組不同的入射光線、反射光線用紅綠藍３色竹簽插在泡沫上，如圖4所示，直觀展示光的反射模型.由實驗現象結合實物模型可得出：反射光和入射光分居在法線兩側；反射光線與入射光線在垂直鏡面的同一平面內，且關于過入射點垂直于鏡面的直線對稱，這條直線用虛線表示，引出法線概念；反射光線、入射光線與法線之間的夾角相等，引出反射角和入射角.將有反射光線的右半部分光屏向后折，光屏上看不到反射光，這說明反射光線、入射光線與法線在同一平面內.圖3是實驗過程的實際情景，圖4是從實際情景中構建出的實物模型，更能直觀反映物理問題的本質，不僅能幫助學生深刻理解物理規律，還能促進學生核心素養發展.

3.2 仿真模型

在初中物理規律教學中，學生通過實驗探究后，為深化知識理解，教師可以運用PPT、Flash或希沃軟件，整合多種媒體資源，將聲音、動畫、顏色等元素搭配起來，制作仿真實驗視頻，通過播放仿真實驗視頻重現物理實驗探究過程，呈現形象直觀的動畫片段，再現物理過程.比如，在凸透鏡成像規律、串并聯電路的電流規律、機械能守恒定律、力的相互作用規律等教學時，都可以制作仿真實驗視頻模擬物理規律的動態變化過程，利用按鈕隨停隨放.

3.3 數理模型

數學作為物理學的基礎工具，對促進物理學的建立和發展有著非常重要的意義.在物理規律或原理教學中，數學的數型結合思想、方程思想、函數思想、解析方法等都可以使具體的物理對象找到它的數理邏輯聯系，對實際物理問題進行抽象，用數學形式表達物理規律或原理而建立的模型稱為數理模型.建立數理模型，有助于描述物理現象或物理過程的本質特征，深刻領會物理規律或原理.如在“阿基米德原理”教學中，通過學生實驗探究，收集并分析實驗數據，讓學生用語言表述實驗現象蘊含的數理邏輯聯系，再通過學習評價，不斷糾正、補充和完善，最終教師與學生共同總結得出阿基米德原理.由此可見，學好物理必須要具備基本的數理能力，能根據實驗現象蘊含的數量關系，實現物理問題到數學問題的轉換，正確運用數理語言準確表述物理規律，從而實現數理模型的有效構建.

中學物理模型建構的類型與方法還有很多，它是由課程內容和課程類型共同決定，教師要有針對性地選用最合適的物理方法讓學生體驗物理模型構建的過程，從而揭示物理學科本質，訓練學生科學思維，培養學生核心素養.

參考文獻：

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[3] 董博清，彭前程.核心素養視域下科學思維的內涵及其實現路徑[J].課程·教材·教法，2019（4）：84-90.

［責任編輯：李 璟］