基于“科學思維”的初中生物理模型建構能力的培養

摘要：《義務教育物理課程標準（2022年版）》明確指出，在初中物理課堂上應著重培養學生的核心素養，這是學科教學貫徹立德育人教學目標的體現.科學思維作為核心素養的重要組成部分，對初中生的重要性不言而喻，其中，物理模型建構能力更是體現學生科學思維的關鍵.在實際教學中，教師應通過精心的教學設計，讓學生明確模型特點，感受建模過程，靈活運用模型，在學習物理知識的同時，感受科學思維方法，養成科學思維習慣，提升科學思維能力，從而促進自身核心素養的發展.

關鍵詞：科學思維;模型構建;核心素養;初中物理

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2024）20-0061-03

收稿日期：2024-04-15

作者簡介：吳君蘭（1989.10—），女，浙江省寧海人，本科，中學一級教師，從事中學物理教學研究.

在初中物理教學過程中，教師應當深入理解并把握不同物理模型的種類與意義，熟悉構建模型的思維路徑與技巧.有助于學生抓住物理問題核心，建立能映射物理現象與客觀事實的模型，進而培養建模能力，引導形成良好的科學思維[1].

1初中常見的物理模型

1.1理想對象模型

由于物理學的部分概念比較抽象晦澀，在發現的過程中，我們需要簡化其思維形式.例如，初中物理中的“薄凸透鏡模型”就是典型的理想對象模型：如圖1，在魚缸中只有1只小魚，但是眼睛從圖示位置上可以觀察到兩條，一條魚的位置變淺，另一條魚變大.前者是由于光的折射形成的虛像，后者是由于魚缸的右側部分等效于凸透鏡（或放大鏡）而形成的虛像，這就是薄凸透鏡模型.在這一模型的搭建過程中，我們將魚缸視作一個理想的凸透鏡（或放大鏡），從生活中的常見現象出發，探究了薄凸透鏡的成像過程，幫助學生理解光的折射規律，為培養學生的科學思維素養打好了基礎.除了薄凸透鏡的模型外，初中階段常見的理想對象模型還包括光源、液片、均勻介質等.

1.2理想條件模型

構建理想條件模型的根本原因是為了簡化研究過程，方便處理問題.例如，“輕質桿”“輕繩”就是初中階段常見的物理學理想條件，在研究時，我們通常需要忽略掉它的質量.初中階段，最經典的理想條件實驗模型是伽利略的斜面實驗.除此以外，“均勻介質”“忽略溫度壓強影響”等都是將物理條件理想化的體現.

1.3理想過程模型

物理現象并非由單一因素決定，而是多個因素相互作用的產物.在探究物理規律過程中，若僅分析主要影響因素，而忽視次要影響因素，這樣的過程模擬被叫作理想化過程模型.比如，當分析勻速直線運動時，會剔除如空氣阻力這類影響較小的因素，還有忽視物體自身的其他作用力，將物體視作只在重力因素影響下的勻速直線運動.當然，除了勻速直線運動之外，自由落體運動、恒定電流等，都是將物理過程理想化的典型模型，教師要幫助學生重點掌握和認識.

2如何在概念教學中構建模型

2.1類比模型

所謂類比模型，就是利用相似或相關的現象及它們的結論來構造模型的方法.通過對比，讓學生對日常生活的現象有更深刻的認識和了解，方便解決問題.例如，在進行“比熱容”這一概念的教學時，我們可以類比日常生活中常見的“比飯量”幫助學生理解和掌握.先從“比熱容”這個概念的字面意思入手.“比”是指對比、比較；“熱”是指熱量，和人吃飯聯系緊密；“容”是指容納、容量，也就是我們吃飯的飯量.比熱容是反映物質吸熱本領的，或者說物質容納熱量的本領，而“比飯量”是反映人吃飯本領或是肚子能容納米飯的本領.因此，我們可以通過“比飯量”來類比“比熱容”，這樣學生就能更好地理解這一概念.

我們先了解一下生活中是如何來“比飯量”的：

比飯量的方法一：兩人吃到一樣飽時，比誰吃的米飯多.誰吃得多，他的飯量就大.

比飯量的方法二：兩人吃一樣多的米飯，比誰先吃飽.先吃飽的人飯量小，沒吃飽的人飯量大.

由此，我們可以類比比較物體吸熱能力時的方法和思路.以煤油和水兩種物質為例，如圖2.

比較比熱容的方法一：升溫一樣多時，吸熱多的吸熱本領大，比熱容大.

比較比熱容的方法二：吸熱一樣多時，升溫小的吸熱本領大，比熱容大.

由此，學生對“比熱容”這一概念的理解有了更深刻的認識.這就是類比模型在初中物理概念教學中的妙用.

2.2等效模型

為了方便我們研究和解決問題，通常在確保一樣效果的前提下，復雜問題或過程能夠被簡化成簡單的物理問題或者過程，依據這種思路建立的模型稱為等效模型[2].比如，在探究“平面鏡成像規律”的實驗時，我們無法直接比較像與物的關系，因此可以用另一支相同的蠟燭代替像，間接比較.也可以用玻璃板代替平面鏡，這也是等效模型的使用和搭建過程.除了在光學實驗中涉及等效模型外，測量電阻時我們也可以借助等效模型.例如，在測量電阻時，可以將串、并聯的總電阻替代各電阻以簡化計算.

2.3圖像模型

物理圖像模型旨在對物理概念進行定量描述，體現出不同物理量之間的聯系.例如，“電阻”這一概念較為抽象，不利于學生理解.我們可以在講授“電阻”這一概念時借助圖像模型，讓學生在實驗過程中測出若干組電壓和電流的數據，從而做出電流I隨電壓U變動的關系圖像，同時要求學生在圖像中提取信息.通過分析圖像以及多次測量，可以發現，對于同一電路結構和導體，電流和電壓的比值相同；對于不同種導體，電壓和電流的比值不同.可見，電阻是描述導體對電流阻礙作用大小的物理量，并且是導體固有的屬性.除了“電阻”這一概念可以使用圖像模型外，教師在講解“密度”這一概念時，也可以巧借圖像模型.利用實驗獲得的多種物質的多組質量m和體積數據V，可以繪制得到質量與體積變化的曲線圖.通過分析圖像，幫助學生進一步理解和記憶“密度”這一概念.

3如何在物理規律教學中構建模型

3.1實物模型

實物模型是指借助生活中或課堂中常見的實物物品搭建模型，旨在引導學生充分認知物理定律或特殊定理.在物理教學過程中，教師應當增強學生搭建實物模型的能力，引導學生進行實驗探究，提升科學思維素養[3].例如，在探究“光的反射規律”時，我們可以準備一個白色硬紙板、平面鏡、光源、鉛筆和直尺.按圖3搭建實驗設備：將平面鏡橫放在桌面上，隨后豎起硬紙板在鏡子的上方，確保紙板上的直線ON與鏡面成直角.打開一個光源，確保入射光束能透過光屏并反射至平面鏡上，可以方便地觀察到反射光線的路徑如圖4所示.根據實驗觀察結合實物模型，我們發現反射光線與入射光線分別位于法線的兩邊，并且兩者與法線的夾角相等.實物模型的建立不僅有助于學生掌握物理定律，而且能養成學生在科學思維方面的良好素質.

3.2仿真模型

在初中物理教學活動中，教師可以巧借PPT、Flash動畫等資源整合網絡信息，將聲音、動畫、顏色等多元素融入課堂教學中，深化學生對課堂規律以及相關知識點的理解和認識.利用制作仿真的實驗視頻，復現物理實驗的探索歷程，利用更為直觀與形象的動畫片段，讓學生對物理學規律的產生有更深刻的認識和理解.例如，在探討平面鏡的成像規律、凸透鏡的焦距規律以及串聯和并聯電路的電流分配規律等方面，都可以借助Flash動畫重現實驗探究過程.一邊講解實驗，一邊播放視頻，待視頻播放至關鍵步驟和節點時，教師也可以按下暫停鍵著重講解和說明，讓學生能夠更準確和深入地理解實驗結論、實驗規律產生的過程.

3.3數理模型

數學與物理學聯系較為緊密，是物理學的基礎工具之一，它在推動物理學的建設上有著關鍵價值[4].比如，在講解“自由落體運動”時，我們可以借助數學模型，將自由落體問題轉化為代數問題求解實際問題.自由落體運動是指在假設無空氣阻力的情況下，將一個物體垂直落下，在求解這一問題時，我們需要考慮重力、時間和位置三大要素.首先利用加速度的定義：a=g（g為重力加速度）來描述自由落體的過程.根據牛頓第二定律：F=ma，在沒有其他外力作用下，質點所受合外力與其質量成正比.由此，對于自由落體問題，我們可以根據初始位置h0、末位置和時間間隔t組成公式：h=h₀-1/2gt²，計算特定時刻下的物體高度.以此將自由落體問題轉化為數學的代數問題，借助公式求解.

4結束語

總的來說，初中階段物理模型構建的類型及方法還有許多，教師需要根據實際教學內容靈活確定構建物理模型的方法和思路.這要求教師在備課過程中對教材內容有一個基礎性認識，要能從學生角度出發，將知識問題化，問題層次化，從而幫助學生層層深入，以此培養學生分析和建模的科學思維素養.

參考文獻：

［1］ 張定而.基于培養科學思維素養的初中物理模型建構策略[J].數理化解題研究，2023（14）：80-82.

[2] 盧義剛.抓“兩線”，激思維，顯“味道”：基于“光的反射”的教學設計及反思[J].物理教師，2019，40（6）：36-39.

[3] 喻妮.科學思維層級模型下增值評價實踐探索：以高中物理理想模型建構為例[J].新教育時代電子雜志（教師版），2022（3）：73-75.

[4] 陳林橋，王篤華.基于物理模型建構 培養學生科學思維能力：以“自由落體運動”教學為例[J].物理教師，2020，41（7）：4.

［責任編輯：李璟］