指向科學思維素養培育的初中物理模型建構策略

摘 要：在核心素養視角下，初中物理教學應突出培育學生的科學思維素養，而模型建構是培養學生科學思維素養的重中之重.在平時教學中，教師要善于引導學生體驗物理模型建構過程，讓學生知道模型表象，理解模型物理本質的同時，領會模型建構方法，提高模型建構能力，從而發展學生科學思維，提升學生物理核心素養.

關鍵詞：科學思維;模型建構;初中物理;核心素養

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）23-0094-03

收稿日期：2024-05-15

作者簡介：張定而（1966.3—），男，福建省永泰人，本科，中學高級教師，從事中學物理教學研究.

基金項目：福州市教育科學研究“十四五”規劃2021年度課題“基于科學思維素養培育的初中物理教學策略研究”（FZ2021GH152）.

科學思維素養是物理學科核心素養的重要組成部分，它主要包含模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素，其中模型建構是中學物理教學的難點和重點.現圍繞實驗課、習題課、復習課淺談初中物理模型建構策略.

1" 在實驗教學中建構模型

實驗是初中物理教學的根，科學思維是物理教學的魂.

1.1 方法化模型

在實驗教學中，一般都蘊含著科學研究方法，領會和運用科學研究方法是建立物理概念和得出物理規律的關鍵［1］.科學研究方法有許許多多，把科學研究方法模型化，由研究方法構建研究物理問題模型，有利于滲透科學方法教育，深化理解物理概念和物理規律.在初中物理實驗探究中，控制變量法是一種最常用的科學研究方法，當影響某物理量的因素較多，在探究時要對變量進行控制，分別探究它們對某物理量的影響，據此構建研究物理問題方法化模型.如探究電流大小與哪些因素有關，當探究電流與電壓關系時，應保持電阻不變，改變電壓；當探究電流與電阻關系時，應保持電壓不變，改變電阻.接著，引導學生分別設計探究電流與電壓、電阻關系的電路圖，構建實驗電路模型，以便開展實驗探究.研究物理概念和物理規律時，往往要同時用到幾種研究方法，如在研究電阻的大小與哪些因素有關時，除了運用控制變量法外，還用到轉換法，同樣可以構建轉換法模型.

1.2 可視化模型

在初中物理實驗教學中，測量基本物理量是常見的一種實驗形式.在實際測量中，為提高測量準確性，可建構可視化測量模型，把原本不可見的思維過程呈現出來，使其清晰可見.如在測量物體長度的實驗中，所用刻度尺的分度值為1 mm，若物塊的長度大于18 mm小于19 mm，測量該物體長度時，超出18 mm的部分需要估讀至分度值的下一位.為幫助學生理解長度測量估讀，建構可視化模型.在18 mm至19 mm之間進行放大，標注10個等分，每等分視為0.1 mm，讓學生通過讀數加深理解.而實際上18 mm至19 mm之間只有1 mm，沒辦法標注刻度，超出18 mm以上的部分只能進行估讀，估讀部分的數字是不準確的，但讀出的物塊的長度比18 mm更接近物塊的真實長度.如果物體的右端邊線正好對著18 mm處，此時估計值為0.0 mm，則物體長度應記作18.0 mm.建構可視化模型，便于學生理解測量物體長度為什么要估讀以及怎樣估讀.

1.3 實驗拓展模型

實驗教學中，評價交流是一個非常重要的環節.實驗結束后，可組織學生對實驗裝置、實驗過程等進行評價，評價實驗裝置是否可行、是否易于操作，測量是否方便，等等［2］.在實驗評價的基礎上，組織學生討論“如果原實驗方案存在不足，將如何進行改進”，引導學生重新設計實驗方案，建構實驗拓展模型.如在探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關的實驗中，通過實驗得出探究結論后，啟發學生思考：實驗操作中可能會出現什么問題？組織學生評價該實驗方案的不足之處是：用彈簧測力計水平拉著物塊在水平面上運動時，很難控制物塊做勻速直線運動，彈簧測力計的示數不穩定，不便讀數.然后，針對實驗方案存在的問題，引導學生對實驗進行改進，用彈簧測力計沿水平方向勻速拉著物塊改為沿水平方向拉動長木板，重復實驗，發現效果更好.建構實驗拓展模型，實驗改進后，不需要勻速拉動長木板，因為無論長木板沿水平方向做勻速直線運動還是做變速直線運動，彈簧測力計相對于桌面都保持靜止狀態，示數穩定，便于讀數.

2" 在物理習題教學中建構模型

2.1 順推模型

順推法又稱演繹推理法，是由習題的已知條件出發，利用順推的方法逐步探索題目過程的中間結論，以構成由習題的條件到習題目標的推理鏈，從而解決習題目標的方法.由此構建的解題推理鏈叫作順推模型.如白熾燈的燈絲斷了以后搭接上，再接到原來的電路上使用，燈泡比原來要亮些，為什么？采用順推方法分析：電燈燈絲斷了以后搭接上，這樣燈絲長度變短，燈絲電阻變小，將該燈泡再接到原來的電路上使用，由I=UR可知，當燈絲兩端電壓一定時，通過燈絲的電流強度增大，由P=UI可知，燈泡消耗的實際功率增大，故搭絲后電燈再接到原來的電路上使用，比原來更亮一些.其推理鏈是燈絲斷了重新搭上→燈絲長度變短→燈絲電阻變小→通過燈絲電流變大→燈泡實際功率變大→燈泡變亮.建構順推模型，有助于幫助學生明確題目的已知條件，由這些條件，可推出什么結論，根據所推出的結論，還可以推出什么結論，再結合隱含條件，還能推出什么結論.如此步步深入，直至推出習題目標.

2.2 逆推模型

逆推法的思維方式與順推法相反，是從習題未知目標出發，采用逆向思維逐步進行逆向推理，直至推到習題中的已知條件，找到解題的關鍵，以構成由習題的解題目標到習題條件的推理鏈，從而使問題得到解決，由此構建的解題模型稱為逆推模型.如一空瓶子的質量為m0，裝滿水時的總質量為m1，裝滿油時的總質量為m2，求油的密度.采用逆推方法分析：要求出油的密度ρ油，必須知道油的質量m油和油的體積V油.其中油的質量m油，可根據瓶子質量和裝滿油后的總質量m瓶油減去瓶子質量m瓶，油的體積V油等于瓶子的容積V容，瓶子的容積V容等于裝滿水后水的體積V水.根據密度公式，水的體積V水= m水ρ水，瓶子裝滿水后，水的質量m水等于瓶子裝滿水后的總質量m瓶水減去瓶子的質量m瓶，水的密度ρ水已知.其解題分析思路是“欲知→須知→己知”， 即從題目的目標出發，逐步進行逆向推理，直至推到已知條件，求解過程是逆著其推理過程進行，與分析過程恰好相反.

2.3 細化模型

在物理習題教學中，正確建立和運用物理模型有助于學生解決物理問題.有些綜合性較強的題目，將設問分解成系列小設問，使每個設問指向更清晰，起到降低題目難度的目的.將題目的設問分解成若干梯級設問，直至達成解題目標，構建的模型稱為細化模型.如把一石塊掛在彈簧測力計下，稱得重為G，把它全部浸沒在水中，彈簧測力計的示數是F，求石塊的密度.本題可鋪墊幾個梯級設問：小石塊的質量是多少？小石塊排開液體的體積是多少？小石塊的體積是多少？這樣，設置梯級問題，構建細化模型，符合學生循序漸進的認知規律，不僅有利于提高學生分析問題和解決問題的能力，也有利于幫助學生理解和掌握物理知識.

3" 在物理知識復習中建構模型

3.1 思維導圖模型

思維導圖是一種表達發散性思維的工具，是通過將知識點進行歸納、分類、關聯，把各知識點的關系用相互隸屬與相關的層級圖表現出來.將物理概念、物理規律等建立記憶鏈接，從而形成物理知識結構，這樣建構的模型稱為思維導圖模型.例如，浮力的復習就可以建構思維導圖模型.以認識浮力、阿基米德原理、物體的浮沉條件為線索展開復習，其中浮力可以圍繞浮力的定義及方向、測量方法、產生原因等；阿基米德原理的復習內容包括浮力大小的影響因素、阿基米德原理及其公式、適用范圍等；物體的浮與沉的復習內容包括物體的浮沉條件及其應用等.思維導圖模型呈現知識框架，既簡單又有效，可以幫助學生理清學習思路，系統學習和理解知識，把握物理知識體系，有利于學生形成物理觀念，提升構建知識結構的能力.

3.2 表格歸納模型

表格是物理復習教學中常用的工具，它可將分散和零碎的知識點有機聯系起來，形成一個知識結構整體.用表格歸納的方法梳理模型，知識點清晰直觀，簡潔明了，對比性強，便于復習鞏固［3］.如復習電功率時，可以圍繞電功率的定義、公式、單位、物理意義以及常見的電功率的大小等進行復習，形成知識結構.表格歸納還可以按照事物的性質、特點、用途等作為區分的標準，將同一標準的事物進行歸類，不同的分開.如物體分為導體和絕緣體，可以從導體和絕緣體的定義、常見材料、導電和不導電的原因等進行區別，并揭示其相互關系.除此之外，固體分為晶體和非晶體，電路連接分為串聯、并聯，觸電的形式分為單線觸電和雙線觸電，物體發生相對運動時產生的摩擦分為滑動摩擦和滾動摩擦等，都可以將概念進行分類.通過表格將知識進行歸納比較，從而揭示物理知識間的區別與聯系.

3.3 問題鏈模型

問題鏈教學是問題驅動教學的典型方式.復習課教學要依據課標要求和教學目標，緊扣教學重難點，找準學生知識缺漏，基于學生認知水平，按照復習的知識內容設計一系列由淺入深的問題，構成一條或幾條問題鏈模型，通過解決這些問題而逐步深入理解和鞏固物理知識，直至達成教學目標.如在復習平面鏡成像時，可創設“澆不滅的蠟燭”演示情景等，激起學生學習興趣.再重新演示平面鏡成像實驗或播放平面鏡成像視頻，設置如下問題鏈：平面鏡成像實驗中，利用玻璃板代替平面鏡的目的是什么？平面鏡所成的像是實像還是虛像？平面鏡所成的像的大小與物體的大小是否相同？像和物到平面鏡的距離是否相等？當物體靠近或遠離平面鏡時，像的大小怎么變化？讓學生圍繞這些問題進行思考討論、分享評價，從而進一步理解和鞏固平面鏡成像的特點.構建復習課問題鏈模型，不僅改變了課堂復習的教學方式，而且有利于提升學生思維，提高課堂復習效果.

4" 結束語

模型建構要依課型和教學內容而定，課型不同，教學內容不同，建構的物理模型一般也不同.在初中物理實驗課、習題課、復習課教學中，教師要善于創設物理情境，引導學生建構適合的物理模型，以期達到促進學生思維、深化知識理解的目的.

參考文獻：

［1］ 張定而.初中物理教學中滲透科學方法教育［J］.物理教學，2013（5）：40-43.

［2］ 黃煜欣.教育數字化戰略背景下中職學校適應性在線課程的開發與應用［J］.廣西教育，2023（14）：86-88.

［3］ 陳懋.例談初中科學概念的解構與轉化策略［J］.物理教學探討，2016（03）：45-48.

［責任編輯：李 璟］