指向科學思維的體驗式物理模型教學設計

摘要：依據《普通高中物理課程標準》，基于對物理模型與科學思維關系的分析，參照物理模型的相關研究成果，提出指向科學思維的體驗式物理模型教學設計流程，即甄選模型、設計目標、建構模型、修正模型與應用模型。并根據該設計流程，以“自由落體運動”為例，以促進學生科學思維能力發展為目標，以實驗為載體，以分析解決問題為主要教學內容，設計體驗式物理模型教學案例。引導學生在真實的問題情境中發現問題、分析問題、解決問題的過程中建構關于“自由落體運動”的模型，并通過習題修正模型和強化對該物理模型的應用，為高中物理教師開展物理模型教學提供借鑒和參考。

關鍵詞：科學思維；物理模型；模型建構；模型修正；模型應用

1概述

《普通高中物理課程標準》（2017年版2020年修訂）指出：高中物理旨在落實立德樹人根本任務，進一步提升學生的物理學科核心素養[1]。物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面[1]；“科學思維”是“科學探究”的基礎，“物理觀念”與“科學態度與責任”是“科學思維”的結果[2]，所以，科學思維能力培養是提升學生物理學科核心素養的關鍵?？茖W思維能力主要包括模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新，具體而言，就是將實際問題的對象和過程轉化為物理模型，進行分析、推理和論證，并進行質疑的能力[1]，因此，物理模型教學對于發展學生的科學思維能力具有重要作用。緣此，本文提出指向科學思維的體驗式物理模型教學設計流程，以“自由落體運動”為例，設計體驗式物理模型教學案例，為高中物理模型教學提供借鑒和參考。

2指向科學思維能力培養的體驗式物理模型教學設計流程

物理模型建構教學一般由描述、建立、修正、應用等四個階段組成[3]，綜合分析國內外物理模型教學研究的相關成果，本文提出指向科學思維能力培養的體驗式物理模型教學設計流程如圖1所示。

2.1甄選物理模型

首先，對物理課程標準和教材中的物理模型進行甄選；其次，根據教學設計需要，將遴選出的物理模型按照對象模型（狀態模型）、過程模型和條件模型進行梳理和分類[4]。

2.2設定教學目標

根據物理模型的特點設置教學目標。對于學生方便親自動手操作的這類物理模型，在教學目標的設定上要偏向于模型建構、科學推理、科學論證和質疑創新等方面；對于學生不便親自動手操作的這類物理模型，在教學目標的設定上要偏向于模型建構、科學推理、科學論證等方面。

2.3設置真實情景問題

設置真實情景問題，能夠發展學生提取關鍵信息，抽象、簡化問題的能力，完成本節相關物理模型的建構與應用。真實情景問題在內容選取上，要盡可能聯系學生的生活或學習經驗。

2.4建構物理模型

建構物理模型一般包括初步建構物理模型和物理模型修正兩個環節。一些物理模型本身即包含其適用的方法，如“質點”模型，此類模型在初步建構后即完成了該模型的建構。一些物理模型本身并未明晰其適用范圍的限制，如勻變速直線模型，物體無法保持一直加速或減速的運動狀態（加速的極限為光速，減速的極限為0），此類模型在初步建構后還需要進一步修正，完善其適用范圍。

2.5應用物理模型

物理模型是重要的科學模型，也是物理學的重要研究方法[5]，故要在問題解決中通過應用進一步提高。因此，在完成物理模型的建構與完善后，要設置不同情景的問題使學生熟練掌握該模型并逐步掌握該方法。情景問題的設置要保持一定的梯度，先設置一些近遷移的情景問題，使學生熟悉物理模型建構與應用的方法；再設置一些遠遷移的情景問題，使學生對本節所學物理模型的應用熟練化。

3指向科學思維培養的“自由落體運動”體驗式物理模型教學設計案例

3.1分析課標和教材，遴選物理模型

課程標準中指出“通過實驗，認識自由落體運動規律；結合物理學史的相關內容，認識物理實驗和科學推理在物理學探究中的作用”[1]。在高中物理教材中，自由落體運動是勻變速直線運動在豎直方向的應用[6]，自由落體運動又是之后平拋運動的基礎[7]。參照物理課程標準和教材可知，自由落體運動是重要的物理過程模型，其忽略空氣阻力的條件為條件模型，其研究對象為對象模型。因此，“自由落體運動”非常適宜作為物理模型教學案例。

3.2依托主題，設定目標

自由依托主題，將教學目標確定為：（1）使學生經歷自落體運動模型建構與應用的過程，發展學生的模型建構與應用能力；（2）通過探究影響物體下落快慢的因素，發展學生的科學推理能力；（3）通過牛頓管實驗論證物體下落快慢與物體質量無關，通過分析與比較自由落體運動各時間段內的加速度論證自由落體運動為勻變速直線運動，發展學生的科學論證能力；（4）讓學生解決重力加速度會隨著維度和海拔的改變而改變的習題，發展學生的質疑創新能力。

3.3結合目標，設置真實情景問題

自由落體運動旨在讓學生理解影響物體下落快慢的因素為空氣阻力的存在，使學生理解只在重力作用下不同質量的物體從同一高度釋放后的整個過程下落速度是相同的。故問題的設計要凸顯出不同質量的物體從相同高度下落速度不同的這種差異，結合生活中的實例，冰雹和雨水能夠較好的反映該差異，且是真實情景問題，能夠順暢的引出亞里士多德的觀點“物體下落快慢跟它的輕重有關，重的物體下落得快”，進而引出學生的思考與探究。

3.4精心設計，高效教學

教學設計：首先，通過紙巾實驗、伽利略邏輯推理、播放牛頓管實驗等環節，讓學生認識到影響物體下落快慢的影響因素并非物體的質量，而是空氣阻力；其次，結合自由落體運動物體打點計時器實驗計算出重力加速度，初步建立自由落體運動的模型，然后，有意設計重力加速度變化的情景，使學生理解重力加速度是會隨位置發生變化，修正學生對自由落體運動模型中重力加速度的認識；最后，通過設置不同的情景問題，強化學生對自由落體運動模型熟練應用的能力。

3.4.1探究影響物體下落快慢的因素

教師提問：“水是人類生存環境的重要組成部分，通過水的三態變化，地球上的水在不停地循環。常見的降水形式有降雨、下雪、下冰雹，顯然冰雹下落的危害更大。是否能夠說明越重的物體下落的越快？”通過該問題激發學生思考關于影響物體下落快慢的原因。

• 實驗操作1。將同學進行分組探究，每組發放兩張相同的紙巾和半截粉筆（半截粉筆質量遠大于紙巾的質量）。介紹探究步驟及注意事項（兩兩進行比較時，要確保從同一高度釋放；未避免粉筆摔斷，釋放位置不宜過高，粉筆亦可用筆帽替代）；布置探究任務，將其中一張紙巾捏出粉筆的形狀，將粉筆形狀的紙巾和粉筆從同一高度釋放，觀察哪個先落地；將粉筆形狀的紙巾與普通紙巾從同一高度釋放，觀察哪個先落地；探究結束后，由小組代表總結探究得到的規律。引導學生通過分析實驗結果，得出物體下落的快慢與質量無關這一結論，對物體形狀對于其在空氣中下落存在影響形成一定認識，使學生體會物理實驗在物理學探究中的作用，發展學生的科學論證能力。
• 邏輯推理1。引導學生分組通過科學推理，來論證亞里士多德的觀點是否正確。（現在有兩個物體，質量分別是和，，按照亞里士多德的觀點，重的物體下落更快，現在將兩個物體捆綁在一起，那么捆綁在一起的物體下落的更快還是更慢？為什么？）由學生代表上臺分享本組科學推理結論后，由教師講述伽利略關于自由落體運動的推理過程。引導學生通過邏輯推理來得出物體下落的快慢與質量無關這一結論，使學生認識到科學推理在物理學探究中的作用，發展學生的科學推理能力。

3.4.2情景問題抽象化，建構自由落體運動物理模型

先通過牛頓管實驗（真空管中羽毛與鐵片從同一高度釋放，同時運動到管底），使學生形成對自由落體運動的感性認識。再通過物體拉動穿過打點計時器的紙帶下落過程中紙帶上的打點情況，分析自由落體運動運動過程的運動數據，確定自由落體運動是豎直方向上初速度為零的勻加速直線運動；試著讓學生描述自由落體運動的研究對象，過程，約束條件，初步建立自由落體運動的物理模型；進而引導學生類比勻變速運動公式推導出自由落體運動的公式和公式。

• 演示實驗。播放牛頓管實驗視頻，使學生獲得的重物（鐵片）與輕物（羽毛）在真空中下落速度相同的經驗，認識到在空氣中影響物體下落快慢的因素為空氣阻力，形成對自由落體運動的感性認識。

（2）實驗操作2。學生分組研究自由落體的運動的規律。介紹研究步驟及注意事項（系著重物一端的紙帶靠近打點計時器，手捏著紙帶上端，先啟動打點計時器，再松手使重物自由落體）；布置探究任務，先通過自由落體運動實驗得到連接重物的紙帶，再分析紙帶上的數據獲得各時間段重力加速度，通過比較各段時間段內重力加速度的異同，從而確定自由落體運動是初速度為零、加速度為的勻變速直線運動。

（3）初步建立自由落體運動模型。引導學生表述自由落體運動的運動形式（初速度為零，加速度為的勻變速直線運動），研究對象（自由落體的物體），過程（由初速度達到一定的末速度），以及約束條件（不計空氣阻力）；幫助學生初步建立自由落體運動模型，發展學生的模型建構能力。

（4）修正物理模型。對于自由落體運動模型模型而言，其重力加速度并非定值，而是會隨著物體所在位置的維度和高度的變化而改變。通過有意設置重力變化的習題，如例題1所示，使學生認識到重力加速度是會隨著位置發生改變，進而修正對于自由落體運動模型的認識，發展學生的質疑創新能力。

例題1跳傘運動員分別從甲地、乙地距離地面2000米的高空從飛機上跳傘，用時分別為、，通過比較發現，你認為可能原因是（""）

A."甲地、乙地海拔接近，乙地的維度更高

B."甲地、乙地維度接近，甲地的海拔更高

C."甲地、乙地在同一緯度的同一高度，甲地跳傘的運動員體重更大

D."甲地、乙地在同一緯度的同一高度，乙地跳傘的運動員體重更大

（5）邏輯推理2。在學生已經形成自由落體運動是初速度為，加速度為的勻變速直線運動的認識后；引導學生結合勻變速直線運動的速度與時間和位移與時間的關系式，推理得出自由落體運動速度、位移與時間的關系式，發展學生的類比推理能力。

3.4.3更換不同的問題情景，應用物理模型

在學生形成對自由落體運動模型的正確認識后，要更換不同的問題情景讓學生進行應用，逐漸發展學生的物理模型建構與應用能力。情景問題的設計要保持一定梯度，從自由落體運動模型的認識，再到自由落體運動模型的應用。

例題2質量不同的小鐵片和羽毛，在豎直牛頓管中從同一高度同時由靜止釋放落到管底，則（ ）

A."牛頓管內有空氣時，小鐵片與羽毛下落時的加速度相等

B."牛頓管內有空氣時，小鐵片與羽毛下落過程中間距保持不變

C."牛頓管抽成真空時，小鐵片與羽毛在管中下落的時間不相等

D."牛頓管抽成真空時，小鐵片與羽毛相等時間內速度變化相等

例題3關于自由落體運動，重力加速度，下列說法中正確的是（ ）

• 在任意連續兩個內的位移之差都是
• 第內的位移為"

C."從開始下落的兩個連續相等時間內的平均速度之比是

D."從開始下落通過兩個連續相等位移所用的時間之比為

例題4若一個雞蛋從某樓層離地高處無初速下落，不計空氣阻力，重力加速度。求：

（1）雞蛋在前內下落的高度；

（2）試估算雞蛋在下落過程的平均速度；

（3）雞蛋在第內下落的高度。

結語

物理模型教學是21世紀物理教育的主要發展趨勢，一些國家已經在國家層面編制了相關的物理課程標準和物理教材。根據物理模型教學對于發展學生科學思維的重要作用，本文提出了指向科學思維的體驗式物理模型教學設計流程，該設計流程不僅既具有理論意義，而且具有實踐指導價值，廣大教師可參考該設計流程，在認真分析物理課和教材的基礎上，開展高中物理模型教學設計，培養學生的科學思維。

參考文獻：

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• 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書物理·必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019."
• 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書物理·必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019."

作者簡介：張聰聰（1993—"），男，漢族，河南南陽人，碩士在讀，主要從事物理教學研究。

*通信作者：謝明艷（1999—"），女，漢族，河南周口人，碩士在讀，主要從事物理教學研究。