深耕物理规律教学，培养学生建模能力

■浙江省宁波市北仑区顾国和外国语学校 焦 越

学生在学习初中物理的时候，普遍感到物理问题的棘手。究其原因，是学生对物理问题的解决缺乏系统的过程方法认识。物理问题的解决一般包括以下四个思考阶段。

首先，要根据问题所描述的物理情境建立或选用合理的物理模型；其次，在物理模型中分析存在的物理概念和满足的物理规律，选择和应用它们；再次，利用题中所提供的有关物理条件，把情境中要求的解答作为物理问题目标转化为一种数学关系；最后，通过数学运算将获得的结果再回放到物理模型中检验、讨论。若结果具有物理意义，则称物理问题得到了解决，即物理习题获得解答。显然，建立模型阶段是物理问题解决过程中最重要的一步。模型正确与否或合理与否，直接关系到物理问题解决的质量好坏，物理问题解决过程中的各操作阶段对应学生的相应学习能力，这些能力有序地构成了学生的问题解决能力。在整个初中物理知识体系中，物理规律占据其中很大篇幅，物理规律教学也是初中物理教学的重要组成部分。物理规律反映了物理现象中的事物之间的内在联系，是科学知识的核心，也是物理知识结构的骨架。在物理教学中，许多教学内容需要学生从科学现象中去发现科学规律，然后运用科学规律去解释科学现象，从而揭示现象本质。

从模型思维上讲，这个过程即为从现象出发，根据某一特定目的，抓住现象的本质特征，对现象进行抽象，把复杂的现象加以简化和纯化，建构一个能反映现象本质联系的模型，进而通过对模型的研究获取现象的信息，为形成规律建立基础。同时，还能将模型应用于同类现象的研究。因此，物理模型不仅仅是对物理规律简单、生动的描述，也是物理规律应用的工具。在物理规律教学中，对学生进行物理建模能力培养，能真正提升学生的科学素养，为学生后续发展提供持久的动力。因此，在规律教学中培育学生的物理建模能力，对学生科学素养的发展有举足轻重的作用。

一、物理规律教学中渗透物理建模的思想

物理模型的建立，需要授课教师有清晰的目标意识，相关的教学环节设计要简洁高效地围绕目标展开。以“光的反射”为例，该课是一节典型的研究物理规律的课。通过教学，学生要知道反射的规律，并能用反射规律来解释一些现象。而反射规律主要体现在以下三个方面：一是入射光线、反射光线和法线在同一平面内；二是入射光线、反射光线分居法线两侧；三是反射角等于入射角。分析教学的重点可以看出，教学的首要目标是建立一个对象模型，即光反射的模型。由于物理规律在一定条件下有普遍性的特点，因此仅仅通过这个相对静态的对象模型，学生还是无法清晰得出光的反射规律。如果让这个对象模型在一定条件下“动”起来，学生是非常容易总结出规律的。因此，教学的第二目标是将对象模型转变为过程模型。

（一）纯化科学现象，建立模型

将指星笔定位好，在讲台上展示光反射光路。请学生观察现象，画出它的光路图。之后，请一位学生在黑板上画光路图，建立光反射的物理模型图。学生上台展示，并自主命名“入射角”“法线”“反射角”等名称。建立光反射的物理模型图，对学生的思维要求很高，传统做法是教师建立，学生认知。然而，这样无法体现学生学习科学的主体性。对此，教师要用实验现象做台阶，用已掌握的模型做扶手，顺利突破难点，使学生收获成功建立物理模型的乐趣。

（二）动手实验探究，升华模型

将科学现象中的研究对象模型化，建立对象模型，仅仅是研究问题的开始，更重要的是找出研究对象运动过程、变化过程所遵循的规律。因此，教师要将对象模型进行升华，形成过程模型。这个过程是学生由科学现象生成科学规律至关重要的一个环节。教师在教学中容易把这个环节简单化：将对象模型进行重点剖析，将对象模型的特点强化为科学规律。这种教学本身是缺乏科学性的。以本课为例，建立反射的对象模型时，用实验纯化的科学现象是静态的，只能说明光在这个角度反射时有这样的特点。如果改变一下入射角，是不是还有这样的特点？这个问题不经过探究实验是不能轻易下结论的，毕竟物理是一门实证学科。让对象模型“动”起来，让学生在“动”中对反射光路的连续变化情况有深入体验，由此可以建立过程模型，从而自然生成反射规律。

第一，引导学生对光反射规律进行猜想。师生讨论并确立探究的三个方向：入射光线、反射光线和法线是否共面；入射光线、反射光线是否在法线两侧；反射角是否等于入射角。

第二，教师引导学生结合实验台上的实验器材，小组合作，设计探究方案。师生讨论，形成最终实验方案：用入射光线和反射光线是否在偏折的白板上显现来探究三线是否共面；观察入射光线和反射光线的位置来探究入射光线、反射光线是否在法线两侧；有规律地改变入射光线的射入方向，用白板上的量角器测量反射角和入射角，由此来探究反射角是否等于入射角。

第三，进行实验：学生两人一组进行探究实验，两人分工明确，一人执激光笔进行操作，一人观察并记录实验现象、数据。实验结束后，两人对实验现象和数据进行分析，归纳结论。最后全班讨论总结光的反射规律：入射光线、反射光线和法线共面；入射光线、反射光线在法线两侧；反射角等于入射角。

第四，让学生用反射规律与光反射的模型进行相互印证，加深对光反射现象的认识。引导学生对“光从另一侧射向镜子”的反射现象大胆猜想，并组织学生对实验方案进行设计。

第五，进行实验。由于这个实验是前一个实验的延续，学生两人一组非常顺利地完成了探究实验。实验结束后，两人对实验现象和数据进行分析，归纳结论。最后得出光从另一侧射入也符合光的反射规律，从而得出光路可逆的结论。

（三）多样模型融合和应用，加深对规律的理解

通过文字、图像或者写出数学表达式等方法，对模型进行描述。无论哪种方式，都能客观反映出规律模型的基本特征。因此，可将物理规律用多样化的物理模型表达，增进学生对物理规律的理解。以本课为例，通过作图，反射规律就一目了然了。之后，教师继续鼓励学生对光的反射规律用文字表述，将光的反射模型应用在具体的物理情景中，加深学生对光反射规律的认识。

二、物理规律教学中物理建模能力培养的注意点

广义的物理规律包含了物理定律、物理定理或原理以及假说等。物理规律具有物理知识的几个基本属性，其中就包括近似性。这种近似性表现在规律对实际运动过程的描述具有近似性，即任何物理规律都是以实际的物理现象和客观实际为基本背景，又在实际的基础上通过严密的逻辑推理和抽象思维归纳总结出的，适用于一定的物理模型和条件。应用时必须明确研究对象是否符合定律所要求的模型条件。以本课为例，光的反射规律只适用于同一均匀介质。此外，物理模型的实际应用中，同样应注意实际情况的特殊性，对物理模型总结性表述的理解非常重要。以本课为例，光垂直射向镜面和漫反射现象均属于光反射现象中的特殊情况，在建立物理模型中要进行说明。

总之，每一名教师要有模型意识，深思物理，深耕教学，加强对学生建模能力的培养，让学生掌握探索物理规律的基本方法，提升学生分析和解决实际问题的能力，从而让学生的科学素养有质的飞跃。