運用物理圖景進行模型建構的研究

摘 要：當人們思考物理問題時，頭腦中會出現有關物理現象、物理過程、物理狀態等的圖景。物理思維的過程就是對這些圖景進行加工、重組、抽象、概括等操作，不斷產生新的圖景的過程。本文以“摩擦力”一節的教學為例，研究借助物理圖景建構物理模型，同時培養學生的關鍵能力與核心素養。

關鍵詞：物理圖景；模型建構；關鍵能力；摩擦力

1 物理圖景與模型建構概述物理圖景是人們在研究物理問題時，通過對復雜的物理現象、物理狀態和物理過程的想象、分析、判斷，并運用圖示、圖像、圖形、框架以及語言等符號，所創造的一種形象化描述。物理圖景不僅是思維的對象，也是思維的產物，它具備簡潔性、形象性和概括性的特點。［1］

在現實生活中，我們遇到的問題通常具有關聯性和復雜性。要研究這些問題，我們需要通過觀察來抽象出事物的本質屬性和共同特征，強調主要因素，同時忽略次要因素，以建立物理模型。現代物理學的大廈正是由這些物理模型以及眾多概念和規律構成的。

物理模型是抽象和概括的結果，許多初中學生在學習物理模型時會遇到困難。基于圖景的物理教學旨在通過圖景形式展示真實情境中的物理問題，將復雜的物理過程通過一系列圖景固定下來，揭示隱藏的思維路徑，并以圖景形式全面詮釋探究成果。

在教學過程中，從創設學習情境開始就應注重物理圖景的應用，將所用的資源轉化為圖景，通過靜態圖景突出學習內容，并以此引入課題。隨后，引導學生運用他們熟悉的現象、事實、規律或已學知識的典型圖景，通過簡單的思維加工，構建初步的物理模型。接著，通過觀察、實驗、調查等方式收集證據，對模型進行豐富、修改和完善。最后，使用模型來分析和解釋之前以及之后遇到的現象，解決生產和生活實踐中的問題。每個教學環節都需要豐富的圖景素材，并且會產生新的圖景。圖景不僅是思維的對象，也是思維的工具和橋梁。在模型建構過程中，學生的概括理解、實驗探究、實踐應用和求實創新能力都會得到展現和發展，同時物理觀念也逐步形成。［2］基于物理圖景模型建構的課堂教學流程示意圖如圖1所示。

2 運用物理圖景進行摩擦力模型建構摩擦力是中學物理力學中最常見和最重要的力之一，是研究物體運動和受力分析的基礎。在課堂教學中，學生能否正確建立摩擦力的概念，對今后的物理學習有重要影響。學生在學習前不是空著腦袋走進教室的，［3］他們對生活中的摩擦已有大量感性經驗，物理課堂就是要喚起學生的這些感性經驗，并引導學生對這些經驗進行理性歸納，以建構主義理論為指導，綜合運用物理思維和實驗探究，建立和逐步完善摩擦力的概念模型，并運用這個模型解決生產生活中遇到的問題。在模型建構和運用過程中，感性經驗、演示實驗以及探究實驗的思路和結果都用簡單的物理圖景表示出來，教師就可以引導學生對這些圖景進行抽象、概括、對比、分類、分析、推理、整合等思維加工，使教學邏輯性更強，過程更緊湊，學習更輕松，使學生的關鍵能力在模型建構的過程中得到鍛煉和提升。

2.1 創設情境

上課開始，教師播放視頻，視頻中冰天雪地，兩只狗拉著雪橇輕松奔跑。再讓三名同學在教室里模擬拉雪橇的情景（如圖2所示），以一塊長布（舊橫幅）模擬雪橇鋪在教室的走道上，一名同學坐在長布上，另外兩名同學拉著長布沿走道費力前行。

教師提出問題，為什么視頻中兩只狗拉雪橇非常輕松，而兩名學生拉著模擬雪橇在地上滑行這么吃力呢？學生通過觀察、對比，得出感性結論，雪地光滑，摩擦力小，而教室地面粗糙，摩擦力大。由此順利引入課題，為下一步的學習創設有利的情境。

2.2 抽象概括，初建模型

生活中存在許多展示摩擦力的現象。教師可以讓學生列舉一些生活中受到摩擦力作用的物體，并選擇典例，畫出圖景（如圖3所示）。通過對比分析、抽象概括，學生可以識別出滑動摩擦和靜摩擦的異同，從而建立摩擦力的概念。當物體在另一個物體表面滑動或具有滑動趨勢時，會受到來自另一個物體表面的阻礙其滑動的力。教師應引導學生分析摩擦力的施力物體和受力物體，這將為后續深入研究摩擦力的特性奠定基礎。

在實際學習中，學生往往難以理解靜摩擦的概念。有些學生認為沒有滑動就沒有摩擦力；有些學生認為兩物體只要接觸，就會產生摩擦力。圖3中的三幅圖景生動地對比了無摩擦、靜摩擦和滑動摩擦的情況，教師可以借此引導學生對產生摩擦力的條件進行理性思考。在此基礎上，學生就能更容易地理解靜摩擦和滑動摩擦的正確概念。

將圖3的圖景留在黑板上，便于學生在教學過程中進行對比，以及在課后進行梳理和反思。這樣做也為思維速度較慢的學生提供了額外的思考時間。

2.3 收集證據，完善模型

2.3.1 探究摩擦力的作用點和方向

為了糾正學生關于摩擦力方向與物體運動方向相反的錯誤認知，可以設計一個簡單的實驗：選擇一塊海綿作為受力物體，并在其下表面切割幾道豎直的刀口，以增強表現摩擦力的作用效果，然后將海綿放置在水平的木板上，如圖4（a）所示。接著，水平推動海綿，使其在木板上分別向右和向左滑動，并觀察海綿刀口形狀的變化，如圖4（b）和圖4（c）所示。通過觀察和對比，學生可以自然地得出結論：摩擦力的作用點位于接觸面上（即海綿的下表面），且方向與海綿的運動方向相反。進一步實驗，將海綿固定不動，拉動木板向右移動，如圖4（d）所示，觀察到海綿刀口形狀的變化與圖4（c）相同。通過這些圖景的對比，學生可以完善他們的理解：滑動摩擦力的方向與受力物體滑動的方向相反。

通過將實驗過程以圖景的形式展示出來，可以將動態過程的對比轉化為靜態的圖景對比，從而簡化問題與思維過程，并使交流更加順暢。

2.3.2 探究滑動摩擦力大小

教師提出“物體受到的摩擦力大小可能與哪些因素有關”的問題。學生根據各自的猜想提供依據。經過匯總、分析和篩選，留下幾種可能的因素，如接觸面的壓力、接觸面的粗糙程度、接觸面積、物體運動的速度等。在設計探究方案時，學生需要掌握實驗探究的基本方法——控制變量法。但由于缺乏對二力平衡知識的學習，學生可能不知道如何測量摩擦力。教師應為學生提供指導：使用彈簧測力計水平拉動物體在水平面上做勻速直線運動，此時彈簧測力計的示數就等于物體所受到的滑動摩擦力大小。接下來，教師組織全班學生分成小組，每個小組負責探究物體受到的滑動摩擦力大小與上述某個因素之間的關系。小組成員需要自主選擇實驗器材，設計實驗方案，并在小組內交流。然后小組成員相互協作，共同完成探究任務。探究結束后，要求每個小組繪制體現探究過程和結果的示意圖。

在實驗匯報環節，老師要求學生結合自己畫出的示意圖用語言準確描述出現象及初步結論。教師引導學生反思討論，匯總出學生的探究圖景如圖5～圖8所示，并得到結論：物體受到的滑動摩擦力大小只與接觸面粗糙程度和對接觸面壓力大小有關，與接觸面積大小以及物體運動速度無關。

這一部分內容體現了科學探究的完整過程。科學探究不僅是學生的學習目標，也是重要的教學方式。［4］教師引導學生繪出體現探究過程和結論的圖景，這對幫助學生準確把握探究目標，提煉探究思想有重要作用。通過對圖景的對比分析，并用自己的語言總結探究結果，學生不僅鍛煉了思維和表達能力，還進一步提升了探究能力。

2.4 演繹推理，應用模型

提出問題：用影響摩擦力大小的因素，回答模擬雪橇比真實雪橇更費力的原因。

模擬雪橇與教室地面的接觸面比真正雪橇與雪地的接觸面粗糙很多，在壓力相近的情況下，阻礙滑動的摩擦力就更大，拉動時需要的拉力自然也更大。

追問：怎樣可以使模擬雪橇也能輕松前進？

這個問題實際上是在詢問減小有害摩擦的方法。學生在思考和研究后，可能會提出各種具體的措施，這些措施有的基于影響摩擦力的因素，有的則源于生活經驗。教師應引導學生對這些措施進行仔細地分析、整理和分類，并通過實驗比較滾動摩擦力與滑動摩擦力的大小，繪制相應的物理圖景（如圖9所示）。

指導學生通過閱讀教材，認識到加潤滑油、使表面脫離接觸等方法也是機械減小摩擦的常用方法，了解人類減小阻力的創新歷程，滲透科學態度與責任教育。

2.5 小結提升

提出問題：如果沒有摩擦力，將可能有什么樣的現象發生？請說出幾個合理場景。

通過提出問題，可以激發學生的發散性思維，促使他們主動將所學的摩擦力知識應用于實踐，對存在摩擦的現象進行逆向思考，推理出無摩擦可能導致的后果。這樣的方法不僅幫助學生回顧了摩擦力的核心概念，還鍛煉了他們的物理思維，并教會他們用辯證的觀點看待摩擦力的利與弊，從而促進學科素養和關鍵能力的提升。

2.6 板書設計

板書設計留下本節課學習過程中的重要圖景，體現概念的建構過程，邏輯完整，思路清晰，便于學生回顧總結，也便于思維較慢的學生獨自體悟，不會因上課一閃而過的課件而使大腦一片空白，無從回憶。

3 結束語科學規范的教學設計，是課堂教學改進的基礎。［5］在運用物理圖景進行模型建構時，教師應在課前認真研究《義務教育物理課程標準（2022年版）》與教材，深入挖掘與教學內容相關的視覺素材，并精心選擇和設計畫面簡潔、重點鮮明、能在學生模型建構過程中發揮關鍵作用的圖景。這些圖景將作為學生思維的對象和橋梁，協助學生完成意義建構，并實現課程標準對學生核心素養培養的要求。

參考文獻

［1］陶洪. 著名特級教師教學思想錄·中學物理卷［M］. 南京：江蘇教育出版社，2012：126.

［2］葉賓，孫德生. 初中物理核心素養與關鍵能力的研究及測評實踐［J］. 物理教學，2017，39（12）：39-43.

［3］桑兆飛. “摩擦力”教學中的錯誤前概念分析及其轉化策略［J］. 物理教學，2017，39（5）：15-17．

［4］陳寶軍. 建構物理概念 培養關鍵能力——指向關鍵能力培養的“摩擦力”教學評析［J］. 中學物理（初中版），2022，40（2）：34-37．

［5］李俊鵬. 以“宇宙航行”為例談基于核心素養導向的教學設計［J］. 物理教師，2019，40（6）：17-20，23．

*基金項目：本文系江蘇省中小學教學研究第十四期課題“物理圖景在初中物理模型建構中應用研究”（課題編號：2021JY14-L375）的研究成果之一。