初中生物理模型建構(gòu)能力探析

聶卓丹 曾鎮(zhèn)滔

摘 要：隨著社會發(fā)展需要，模型建構(gòu)能力作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵因素之一，學(xué)生的物理建模的能力應(yīng)該被關(guān)注。文章通過問卷發(fā)放的形式調(diào)查了江門市兩所初中生物理模型建構(gòu)能力，從四個維度了解目前初中的物理建模的現(xiàn)狀，根據(jù)結(jié)論提出了一些改進措施。

關(guān)鍵詞：初中物理；核心素養(yǎng)；物理建模

一、模型建立與初中生建模的問題

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提出的課程理念是：義務(wù)教育物理課程要面向全體學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。而核心素養(yǎng)的內(nèi)涵包括：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。模型建構(gòu)屬于科學(xué)思維的關(guān)鍵所在。由此可見在核心素養(yǎng)視角下，初中生的物理模型建構(gòu)能力應(yīng)該被關(guān)注，在教學(xué)中發(fā)展模型建構(gòu)能力也是初中物理的課程目標(biāo)。

然而，在初中生的建模過程中存在一些問題。首先，教師在課堂教學(xué)中可能不夠善于歸納和總結(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對于經(jīng)典物理模型的掌握不夠全面。其次，學(xué)生對于物理模型的適用條件和適用范圍的認(rèn)識可能不夠清晰，無法將物理模型恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到新的問題中。為了解決這些問題，教師在教學(xué)中應(yīng)注重物理模型的構(gòu)建。通過引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型，教師能夠幫助學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方式，提高他們的自主學(xué)習(xí)能力。

二、初中生建模能力的調(diào)查研究過程與方法

（一）研究對象

本次研究以江門市兩所中學(xué)八、九年級學(xué)生為調(diào)查對象。發(fā)放填寫930份問卷，回收930份問卷，其中去除11份無效問卷，919份有效問卷。具體分布如圖1。

其中調(diào)查內(nèi)容也包括對學(xué)生物理學(xué)習(xí)成績的大致了解，具體分布如圖2。

（二）研究方法

本研究利用問卷對學(xué)生的個人基本情況、知識基礎(chǔ)、教學(xué)情況、課后物理學(xué)習(xí)四個維度進行考察。問卷設(shè)計題量適中，調(diào)查內(nèi)容簡明。具體問卷見附錄。對于問卷數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析主要采用Excel表格和SPSSAU在線分析。

三、調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（一）學(xué)生物理模型建構(gòu)知識基礎(chǔ)維度

本維度共有四小題，分別是“何謂物理模型”“在下列名詞中選出物理模型”“有關(guān)浮力的兩個物理公式區(qū)別”“學(xué)習(xí)某些需要模型構(gòu)建知識點時遇到的困難”，前兩題為多選、后兩題為單選。由數(shù)據(jù)可得，在本維度上接受調(diào)查的各階段學(xué)生（年級、城鄉(xiāng)）沒有明顯的差異。

（二）對物理模型概念的意義和認(rèn)識

調(diào)查表明，有超過八成的學(xué)生對物理模型的定義是有所了解的。但學(xué)生在了解物理模型的定義的基礎(chǔ)上，對物理模型的具體內(nèi)容和各模型的區(qū)別就知之甚少。學(xué)生所認(rèn)為的“物理模型”如單擺撞擊、小船渡河實質(zhì)上是由基本物理模型組合成的抽象化的“物理題型”，而新課標(biāo)中提到的物理模型屬于基本物理模型，這就存在一個認(rèn)知沖突。同時，調(diào)查還表明學(xué)生對物理概念里的決定式和定義式區(qū)別還是比較了解的。想讓學(xué)生達到這個程度離不開教師上課時對阿基米德原理和浮力產(chǎn)生原因加以講解，學(xué)生理解這兩個概念后，很容易區(qū)分開兩個公式。

（三）有關(guān)物理模型建構(gòu)教學(xué)情況維度

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理模型時，往往需要將形象的現(xiàn)實場景轉(zhuǎn)化為抽象的數(shù)學(xué)符號和公式，這對于初學(xué)者來說是一個較大的挑戰(zhàn)。因此，在建立物理模型的過程中，需要教師引導(dǎo)學(xué)生通過大量的現(xiàn)實對象來增加學(xué)生對模型的直觀感受，幫助學(xué)生更好地理解和掌握物理規(guī)律。學(xué)困生對于基礎(chǔ)知識上的掌握情況也不夠，這可能是因為這些學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中沒有充分理解抽象的物理概念，或者沒有掌握相關(guān)的數(shù)學(xué)知識和技能。隨著技術(shù)的發(fā)展，上課時教師會利用多媒體進行教學(xué)，以提高課堂教學(xué)的效率和趣味性是很普遍的。多媒體教學(xué)可以通過圖像、動畫、視頻等形式來呈現(xiàn)物理概念和規(guī)律，幫助學(xué)生更好地理解和記憶相關(guān)內(nèi)容。研究還表明，上課時創(chuàng)立一些具體直觀的情景會影響學(xué)生的物理成績。因此，教師應(yīng)該注重物理情景的構(gòu)建，幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用物理規(guī)律，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)成績。

在實際教學(xué)中教師對實驗的重視程度是不夠的。從問卷統(tǒng)計結(jié)果看出很多教師僅以口頭描述和畫圖進行物理實驗講解，對課標(biāo)的演示實驗和學(xué)生的實操實驗重視不夠。

教學(xué)中教師在教授相關(guān)模型時，對實驗不夠重視的原因主要有以下幾點：1. 認(rèn)為實驗過程不重要，只要求學(xué)生記住實驗結(jié)果，在做題時不出錯即可；2. 學(xué)校條件不允許，實驗設(shè)備不充裕；3. 課時緊沒有足夠的時間讓學(xué)生自己動手做實驗。

筆者根據(jù)以上問題，提出如下建議：首先，對于?？嫉闹匾锢韺嶒?，可以專門安排時間，尤其是課表列出的重點實驗，讓學(xué)生去實驗室親手操作是很有必要的。這樣能夠讓學(xué)生親身體驗實驗過程，增強他們對物理規(guī)律的理解和記憶。其次，如果課時比較緊張，在課堂中有老師進行實驗演示也是很有必要的，通過實際操作和觀察，幫助學(xué)生更好地理解物理概念和規(guī)律。這樣可以彌補學(xué)生無法親自操作的不足。另外，當(dāng)一些客觀條件不允許時，可以利用身邊的有效資源，教師制作一些小物理道具進行演示。這樣可以讓學(xué)生通過觀察和參與，更好地理解實驗原理和結(jié)論。

（四）課后物理模型建構(gòu)學(xué)習(xí)維度

研究表明，超過半數(shù)的學(xué)生希望或者傾向老師能夠詳細地講一道題，并且寫下詳細的解題過程。但是對于題目的解決方法，解決思路和模型建立的過程不是很關(guān)心，只是著眼于把老師的答案和過程照抄下來。顯而易見這樣對學(xué)生的思維發(fā)展和獨自求解的能力是不好的。如果在講解時要求學(xué)生認(rèn)真聽，講解結(jié)束留出一些時間，讓學(xué)生記錄關(guān)鍵點。在課下時，學(xué)生可以在錯題本上對題目進行總結(jié)和反思，整理好題目和解題過程，這樣可以幫助更好地提高學(xué)習(xí)效果。

根據(jù)第14題的調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)課下總結(jié)的學(xué)生只占3成。從不同學(xué)習(xí)層次的橫向?qū)Ρ瓤煽闯?，學(xué)生的成績和課后總結(jié)復(fù)習(xí)是成正相關(guān)，而總結(jié)復(fù)習(xí)也是掌握物理基本知識點和了解物理模型構(gòu)建、模型間聯(lián)系的重要步驟。

第15題數(shù)據(jù)表明物理成績越好的學(xué)生越習(xí)慣于在生活中利用已知的物理知識去解決遇到的物理現(xiàn)象。

第17題關(guān)于學(xué)生審題習(xí)慣的調(diào)查中，選A的占39.06%，選B的占16%，選C的占28.4%，選D的占16.54%。研究結(jié)果表明，學(xué)生經(jīng)過一定程度的訓(xùn)練強化后，能夠按照步驟先瀏覽題目，從知識庫里搜尋出題目所涉及的物理模型再進行求解。

四、結(jié)論

1. 從學(xué)生層面來看，經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練后，大部分的學(xué)生對物理模型有初步認(rèn)識，但是對具體模型的內(nèi)容及分類處于一個認(rèn)知相對模糊的階段。這點在對物理公式的認(rèn)識上包括公式的來源和具體含義體現(xiàn)得尤為明顯。在學(xué)完新知后，學(xué)生沒有總結(jié)的習(xí)慣，沒有建立基礎(chǔ)知識和建立模型之間的聯(lián)系，這導(dǎo)致在解決物理題目時審題不清，不能充分挖掘出題目中的有效信息，聯(lián)系到已學(xué)習(xí)的物理模型。

2. 從教師層面來看，因為課時等一些原因，教師在上課時對物理實驗的重視程度不夠，教授物理模型相關(guān)內(nèi)容時可以利用多種方法，比如利用多媒體或演示實驗創(chuàng)建具體的物理情境讓學(xué)生先有個感性的認(rèn)識。

五、教學(xué)建議

（一）將物理建模與生活現(xiàn)象相結(jié)合

為了加強學(xué)生的物理模型建立能力，首先我們的教學(xué)不能脫離生活實際。在日常教學(xué)中通過有目的、有計劃地引導(dǎo)學(xué)生觀察生活中的物理現(xiàn)象，在課堂上演示實驗也可以通過自制教具來實現(xiàn)。例如，在連通器的教學(xué)中，一把茶壺、一個水位計等物體，這些觀察可以為學(xué)生建立模型提供可靠的基礎(chǔ)。通過這樣的實踐，學(xué)生可以更好地理解物理模型及模型的建立過程。在教授人教版八年級下冊“簡單機械”時，生活中的工具或器械讓學(xué)生進行分析和比較。通過這樣的觀察和分析，學(xué)生可以抽象出“杠桿”這一物理模型。這種實踐可以幫助學(xué)生更好地理解物理模型的本質(zhì)和應(yīng)用。通過分析比較這些直的、彎曲的工具或器械，總結(jié)出其共同的特征：①堅硬，在使用時不會發(fā)生變形；②盡管有的固定點在一端，有的固定點在中部，但在力的作用下都能夠繞固定點旋轉(zhuǎn)。

（二）關(guān)注情景式教學(xué)模式

在具體的教學(xué)情景中培養(yǎng)學(xué)生的建模能力是一個有效途徑。例如，在研究真空不能傳聲的課本演示實驗時，我們在實驗時無法實現(xiàn)真空的環(huán)境，只能通過玻璃罩內(nèi)空氣越來越少，聲音越來越小的現(xiàn)象推理出“真空不能傳聲”這一結(jié)論。這為實驗結(jié)果分析及相關(guān)問題的解決提供了基礎(chǔ)；在學(xué)習(xí)電學(xué)時，把接入電路的電流表看作是一個阻值接近于0的導(dǎo)線，把電壓表看作開路，給實驗研究和設(shè)計帶來極大方便，簡化了相關(guān)的實驗。

（三）加強非認(rèn)知能力培養(yǎng)

在教學(xué)過程中，讓學(xué)生照搬課本的物理概念和規(guī)律是不可取的，而是要創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)奈锢砬榫?，有計劃地引?dǎo)學(xué)生去探究物理公式的推導(dǎo)過程和對知識點進行溯源。這樣學(xué)生在探究問題的過程中不僅能夠掌握知識，還能夠?qū)W會和領(lǐng)會物理建模的思維方法。這種探索式的學(xué)習(xí)方式可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力，并要求學(xué)生在研究問題時比較專注，在碰上難題時能冷靜地分析思考。這也是教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生重要能力的一環(huán)。

附錄

中學(xué)生物理模型學(xué)習(xí)調(diào)查問卷

1. 你所在的年級是？

A. 八年級? ? ? B. 九年級

2. 你所在的學(xué)校地處？

A. 城市? ? ? ? B. 農(nóng)村

3. 你的性別是？

A. 男? ? ? ? ? B. 女

4. 你的物理成績?nèi)绾危?/p>

A. 上游? ? ? ? B. 中上游

C. 中下游? ? ? D. 下游

5. 你認(rèn)為物理模型是什么？

A. 生活中的實際物體和實際過程

B. 物理學(xué)中的一種常用的解題方法

C. 一種特殊的物理題型，如“單擺模型”

D. 對實際物體、物理過程突出本質(zhì)的簡化

6. 你覺得下面哪些屬于物理模型？（多選）

A. 點光源? ? ? ? B. 斜面

C. 輕質(zhì)杠桿? ? ? D. 電流表

E. 光滑平面，不計摩擦

7. 你認(rèn)為兩種求浮力的方法F?。紽向上－F向下，F(xiàn)浮＝ρ液gV排有區(qū)別嗎？

A. 都是數(shù)學(xué)公式，得出的數(shù)據(jù)相同，沒有區(qū)別

B. 不相同，一個是浮力的產(chǎn)生原因，一個是阿基米德原理

C. 不相同，兩個求出來的結(jié)果可能不同

D. 不知道這兩個公式有什么區(qū)別

8. 你學(xué)習(xí)安培定則、勻速直線運動、物體浮沉條件等知識點時，有哪些困難？

A. 沒有困難

B. 第一次接觸這些知識點時，覺得抽象不好理解

C. 不清楚這些知識點的建立目的和重要性

D. 記不住定義、適用條件、特征

9. 老師在上課或講解練習(xí)時，有沒有構(gòu)建物理情景？

A. 經(jīng)常? ? ? B. 偶爾

C. 從來沒有? ? ? D. 不清楚

10. 老師上課會利用多媒體教學(xué)嗎？

A. 經(jīng)常? ? ? B. 有時

C. 偶爾? ? ? D. 從來沒有

11. 上課時，老師采取的物理實驗教學(xué)的方式主要是？

A. 老師通過口頭或畫圖描述來講解實驗過程和原理

B. 看實驗視頻，之后對學(xué)生講解實驗過程和原理

C. 老師演示實驗，同時對學(xué)生講解實驗過程和原理

D. 在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生自己動手做實驗

12. 你喜歡怎樣的知識鞏固方式？

A. 老師快速講解知識，剩余大量時間做題鞏固

B. 老師細致地講解知識的來源、定義、條件、特征，再做少量題鞏固

C. 經(jīng)過考試等檢測手段后，發(fā)現(xiàn)自己的不足，再有針對性的鞏固

D. 自己畫出知識框架，逐步根據(jù)知識點復(fù)習(xí)

13. 教師在講解題時，你的筆記主要記錄哪些內(nèi)容？（多選）

A. 題目所涉及的主要解題過程

B. 題目所屬物理模型及普遍解法

C. 做題心得及總結(jié)

D. 題目所涉及的分析問題的方法

E. 題目用到的公式

14. 學(xué)完一章節(jié)之后，你是否會做本章的物理模型小結(jié)？

A. 肯定要做

B. 想做，沒時間

C. 偶爾能想起來去做

D. 從來沒做

15. 你會用物理知識去分析生活中所遇到的物理現(xiàn)象嗎？

A. 經(jīng)常? ? ? B. 有時

C. 偶爾? ? ? D. 從來沒有

16. 你在解決物理問題時，你的困難來自于什么？

A. 讀不懂題目的意思

B. 雖能讀懂題目的意思，但想象不出物理情景和物理過程

C. 忘記公式

D. 不確定想到的公式是否適用于本題

E. 找不出題目的隱含條件

F. 篩選不出有用信息和無用信息

17. 下列關(guān)于審題的習(xí)慣，哪一項與你最接近？

A. 先認(rèn)真讀題，仔細畫好受力分析圖和運動過程圖，再從宏觀上確定解題模型

B. 回想這個問題和老師講過的哪道題類似

C. 先從宏觀上大致確定這是一個什么問題，應(yīng)建立何種物理模型，再去具體分析和解題

D. 先寫出題目中可能涉及的公式，再將公式一一套入題目中，進行篩選

參考文獻：

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