模型建構促進科學思維的形成

一、相關理論概述

（一）科學思維的內涵

科學思維是物理學科核心素養的組成部分之一，是指個體在物理學科系統學習過程中，通過不斷解釋物理現象、解決物理問題，形成的具有創造性和批判性的思考方式與思維特性。它的培養涉及對個體模型建構、科學推理、科學論證能力及質疑創新能力的提升。

（二）模型建構的內涵

模型建構是解決物理問題的重要方法之一，符合物理學學科屬性。模型是對物體、事件等的表征，是對原型高度概括抽象后的結果。模型建構基于物理原型，找出關鍵特征與本質，建立動態模型以解釋或解決問題。中學物理學涉及理想模型、等效替代模型等，模型建構方法有板演推理、動畫模擬等。

（三）模型建構促進科學思維形成的可行性

模型建構與應用屬于科學思維范疇，利用其可提升學生科學思維。模型價值獲得很多發達國家的認可，被納入課程標準。

二、指向科學思維的模型建構教學—以\"照相機與眼球視力的矯正”為例

“光現象”屬于“運動和相互作用”觀念部分，依據物理課程標準，學生需了解不同透鏡的作用、凸透鏡成像規律應用。“照相機與眼球視力的矯正\"是凸透鏡成像規律應用內容，故需要達到“理解\"水平。學生在學習本節之前已掌握透鏡、凸透鏡成像規律等知識；對近視眼的成因有感性認識。能力上，學生有初步建模能力；但理論與實際結合能力欠佳，物理語言表達能力不足。

（一）創設情境，引出課題

分享靈山大佛、三國城、括花灣等景點照片，提出問題：記錄與欣賞照片分別需要什么？引出“照相機\"與\"眼睛”。

設計意圖：以身邊實例引入新知識，建立理論與實際的聯系，激發學生的學習興趣

（二）模型建構，層層遞進

環節一：實物展示

教師活動：借實物介紹“照相機\"結構，介紹它的鏡頭由一組透鏡組成，引發學生思考透鏡的種類

學生活動：利用\"看\"\"摸\"\"照”三種方法判斷透鏡種類。

設計意圖：學生參與課堂，做課堂的小主人，調動他們學習的積極性及求知欲。加深他們對鏡頭為凸透鏡的認識，為建立原理模型打下基礎。

環節二：模型建構

設計問題鏈：（1）照片表明是實像還是虛像？ （2）照片與實物相比有什么特點呢？是放大還是縮小？（3）凸透鏡成實像是正立的還是倒立的？

設計意圖：這一系列的問題循序漸進，引發學生思考凸透鏡成像規律知識，構建照相機成像原理的模型。實際上就是一個物距大于2f、像距在f-2f的凸透鏡成像（圖1）。這個過程鍛煉了學生的空間想象能力及邏輯思維能力。

圖1凸透鏡成像

環節三：實踐活動

實踐性任務：模型的建立及認知并沒有牢牢地融人學生已有認知結構中，接下來設置一個實踐性任務來進行鞏固。如果追溯到19世紀，照相機的雛形實際是一個暗箱，接下來啟發學生思考：如果已經有了一個凸透鏡、一個光屏，要想拍照，怎么實現暗箱呢？很容易聯想到“關燈\"來實現，緊接著讓學生以小組為單位把凸透鏡（焦距為 10cm 固定在光具座的 10cm 刻度處為教師“拍照”。動手操作前，需先思考如何才能找到像？是凸透鏡還是光屏對準物體？物距需在什么范圍內？

交流討論：看到的像有什么特點？像距是多少？可發現是倒立縮小的實像，與理論分析相符，但坐在教室各個角落的學生測出的像距卻不符合“成實像時，物遠、像近\"的成像規律，而是近似相等，為什么？

設計意圖：問題鏈的設計是讓學生明晰自己的操作步驟，將理論與實際結合起來，才能復原照相機的原理模型并應用，從而形成科學思維。真實數據引發學生認知沖突，這就是一個很好的且真實的物理原始問題。這考查了學生的模型建構能力、數據分析能力，促進學生科學思維的形成

（三）對比研究，深化理解

環節一：對比眼晴和照相機首先利用“眼晴是怎樣觀察到世界的？人能看到物體，肯定有什么進入眼晴？\"等問題構建光的模型光線，然后借用眼球的結構圖介紹光是如何通過晶狀體、視網膜等成像的。接著建立眼睛與照相機的聯系，利用問題鏈啟發學生思考眼睛成像原理：（1）眼睛看到的物體的像與實物相比有什么特點呢？（2）像呈現在哪？實像還是虛像？由此引導學生建立出眼睛的成像原理模型實際，即圖1。

環節二：人眼看清遠近物體的原理

假設晶狀體是個形狀不變的“透鏡”，當物體靠近時，像的位置如何變化？根據凸透鏡成像規律，成實像時，物近，像遠，像變大，像會后移，也就是呈現在視網膜的后方。是否能看清楚？如果不能，那么眼晴是怎么調節的？問題鏈的設計，讓學生認識到眼睛與照相機的不同，它通過調節晶狀體的焦距實現成像清晰。

設計意圖：模型構建在這里是有助于解決問題的，用光線代替光進行建模（圖2），物體靠近眼晴時，要想看清物體，從晶狀體射出的光線需會聚一點，晶狀體的折光能力要變強，即厚一點。這是推理，后續制作水透鏡的模型，通過吸水注水改變透鏡厚薄程度（焦距）來進行驗證，“建模 + 推理 ↓ 驗證\"很好地促進了學生科學思維的發展，也降低學生的理解難度。

圖2建模

（四）知識遷移，學會應用環節一：建模分析

教師活動：近視、遠視情況下，晶狀體成像位置與視網膜位置有何關系？戴什么眼鏡矯正？引導學生用光線代替光建模（圖3）。

學生活動：思考得到近視眼成像在視網膜前方，需要佩戴發散作用的透鏡，即凹透鏡；遠視眼成像在視網膜后方，需要佩戴會聚作用的透鏡，即凸透鏡。

圖3

設計意圖：直接講授、純粹記憶是難以讓學生真正理解近視/遠視的成因的，通過模型建構加推理，可以直觀看出光路的路徑，深化理解。

環節二：實驗驗證

實驗：提供用F光源、凸透鏡（代替眼球）光屏（代替視網膜）光具座（帶有刻度尺）近視/遠視眼鏡等，觀察有/無眼鏡時成像位置。

設計意圖：對該結論進行驗證實驗（圖4），分析近/遠視眼成像位置與視網膜位置關系，使建立的模型更立體、全面，有說服力。整個過程涉及抽象思維能力、推理能力、動手操作能力等，促進科學思維的發展，激發學生的學習興趣。

圖4模擬探究近視眼的缺陷

（五）知識拓展，激發興趣

教師活動：在課堂尾聲通過視頻科普它的原理，實際是改變晶狀體的焦距；科普電影藝術采用的視覺暫留原理，并提供畫冊讓學生快速翻閱。

設計意圖：增加課堂的人文性，提醒學生保護眼晴很重要。學習的根本目的是解決生活問題，物理學科與生活息息相關，初中物理課堂教學應該多拓展，啟發學生的思維。

三、指向科學思維的模型建構教學策略

（一）有效的問題鏈設計

記憶一個知識點的難度遠低于應用它，只有會應用它去解決實際問題才能深刻理解。但是對學生來說，難以建立理論與實際的聯系，抓住問題或事物的關鍵，找出其根本原因。因此，在日常教學中需要設計問題鏈，啟發學生，引導他們分析問題、解決問題。教師備課時需充分了解學生，對學生進行預估。比如介紹光線的概念時，可先讓學生對比簡筆畫的云和外面天空中的云，很明顯，畫中的云是模型，而天空中的云是實物，構建學生對模型的認知。

（二）注重模型制作

模型構建是將原型高度抽象化、概括化的過程，學生需抓住問題的關鍵才能找出本質所在，從而建立模型。因此，生活中的很多常見事物都可作為原型進行簡單的模型制作，比如水泵、照相機、投影儀等，在制作過程中，既可以幫助學生提高尋找事物本質的能力，深化他們對知識點的理解、對事物的認識，又可以鍛煉他們解決實際問題的能力，深化建模思想

（三）日常教學注意訓練學生的邏輯性思維

科學思維的形成是離不開嚴謹的邏輯性思維的。在日常的課堂教學中，教師可以多提供機會讓學生進行實驗現象的表述總結，鍛煉他們對因果關系的梳理能力，培養邏輯性思維。例如，蘇科版八年級上冊物理教材中的《凸透鏡成像的規律》一節，在實驗后，就可以邀請一位學生演示并用語言表述操作步驟對應的現象。整個過程教師可以提醒演示的學生表述時注意強調物距、像距，以及提醒他向大家介紹怎么尋找像的位置。整個過程既鍛煉了學生語言表達能力、操作能力，又鍛煉了其嚴謹的邏輯性思維，如果表述過程出現錯誤，更能引發學生的認知沖突，加深他們的理解。

四、結束語

在之前的教學中，學生一直存在知識應用能力較差的問題，物理方法學習過、探究過程學習過、知識點學習過，但是一遇到需要解決實際問題時，卻無從下手。對此，需要教師有自的地設計有效的問題鏈，以引導為主，讓學生自主探究，避免死記硬背，幫助學生學會抓住問題的關鍵。課后教師應注重模型的制作，并注重鍛煉他們的邏輯思維。此次選的課例以模型建構為基調，涉及類比法、推理驗證、探究實驗等，旨在幫助學生真正理解物理問題，學會如何解決物理問題，并逐步促進科學思維的形成。

【參考文獻】

[1]郭玉英，姚建欣，張玉峰，等.基于學生核心素養的物理學科能力研究[M.北京：北京師范大學出版社，2020.

（本文為省中小學教學研究課題（2023）年度第（十五）期“指向概念理解的初中物理實驗探究項目化設計與實施研究\"的階段性成果，課題編號：2023JY15-L61）