立足科学思维培养的物理建模教学探究

倪子元|浙江省杭州第四中学

新课标的最大特点是育人导向的转变，认为核心素养可学、可教且可评，教学须以此为依归进行升级转型。建模是物理学常用的研究方法，也是高中物理的教学重点和学生应具备的关键能力。建模教学要求学生基于原有认识，观察、分析物理现象以形成初步的心智模型，再通过推理、论证等复杂的认知行为对心智模型进行修正，最终形成物理模型，旨在帮助学生在学习物理的过程中发展自己的模型，并使其最终与科学模型达成一致［1］。因此，教师要遵循学生的思维发展规律，以学习进阶的关键“阶”点为依托，不断突破学生现阶段的认知水平，促使其由经验向科学转变，逐步建立起物理模型。

高中物理建模教学不能仅定位于关键能力培养，而更应有科学思维、研究方法以及“迁移和应用”层面的考量。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“《课程标准》”），在“学业质量水平5”中要求“能将较复杂的实际问题中的对象和过程转换成物理模型”，这对教师提出了非常高的要求。思想是行动的先导，教师如果不能深刻领会《课程标准》的育人意图，就很难以建模教学的思想为指导进行教学实践。下面，笔者以人教版普通高中教科书《物理》必修第一册第一章中的“质点”教学为例，谈谈如何通过物理建模教学培养科学思维，发挥物理学科的育人价值。

一、内容解析及目标设定

（一）教材及课标解析

“质点”是高中物理的开篇内容，作为高中生学习的第一个理想化对象模型，它是形象性和抽象性的统一，是学生由感知升华到科学思维的产物。对于刚接触高中物理的学生来说，教师在新的教学理念指导下进行的教学，会让他们有不同于以往的学习体验，并得到学法示范。

相较于之前的课标偏重知识理解和应用层次，《课程标准》更强调让学生经历模型建构过程，体会建构物理模型的思维方式，认识物理模型在探索自然规律中的作用。这是由《课程标准》强调核心素养的课程性质决定的。意图很明显，即让学生“通过实际问题认识建模方法，然后应用这个方法去解决实际运动问题”。学生在此过程中收获的不仅仅是知识和技能，更是解决问题的方法，这正是新课程所倡导的重过程、重方法理念的体现。因此，教师的教学实践也要朝着有利于学生核心素养培育的方向升级转型或者优化：首先，要理解课标精神和教材编写意图；其次，课堂教学中要更关注学生的科学思维过程，注重让他们经历建模的过程，体会物理模型在探索自然规律中的作用，初步掌握科学抽象理想化模型的方法，渗透抓住主要因素、忽略次要因素的哲学思想。

（二）教学目标设定

根据上述分析，笔者认为“质点”教学可从两个方面设置教学目标：一是以学生为主体，了解学生认知水平，以学定教强调体验；二是深刻领会和把握“模型建构”学业水平层次要求。

教学中，使用来源于学生生活中的物理现象设置问题情境，可引起学生的共鸣，激发其探究动机，有利于学生重现物理研究过程。描述物体运动对高一学生来说并不陌生，而如何让他们意识到自己已经具备对复杂运动进行初步研究的能力，则是教师在授课过程中应重点突出的环节。此外，引导学生将已有的经验描述“科学”化，最终形成质点模型，是教学的难点。要突破对重、难点的教学，教师应做到如下三点：了解学生是怎样建构运动物体形象的；知道如何避免错误的建构；知道如何暴露学生大脑中的建构过程。

二、立足科学思维培养的建模教学设计

建模教学理论的核心观点是认为物理学是基于模型开展推理的，通过应用如图形、图表、数学方程等来表征具体的物理情境，从而开始模型建构过程［2］。因此在建模教学的具体实施中，教师要对学生的前认知进行分析，引导学生从前认知出发，经历科学思维过程，自主建构模型。教师的主要任务是启发引领学生“激惑（兴趣目标）—自寻（经验探寻）—交流（丰富辨别）—正解（建构正解）—应用评析”。模型概念本身固然重要，但建模意识和思维过程更加重要。因此在具体的教学过程中，教师要稚化自己的思维，站在学生的认知水准上，引导学生逐渐地去“发现”理想化模型。这种不同于演绎法，更有别于概念讲授法的教学流程，更能培养学生的建模意识和建模能力。具体到“质点”教学，教师可以按照以下五个步骤分解课堂，一步一步地引领学生建构起质点模型。

（一）感受需求

课堂上，教师先给出几个学生生活中常见物体的简单运动情境，让学生描述。此时，学生往往会有难以言明的感觉。接着，教师给出描述的要求。在明确要描述的关键点后，学生成功描述物体的运动，体验到成功的喜悦，从而产生对复杂运动物体进行适当描述的强烈冲动。

（二）显化过程

教师可让每个学生根据如下要求作四幅图。

（1）水平桌面上静止的篮球、静止的乒乓球和旋转的乒乓球。

（2）地球绕着太阳公转做圆周运动。

（3）空中竖直下落的乒乓球和羽毛球。

（4）站在水平地面上的“你”和讲台的受力图。

学生画完后，教师在巡视、交流的基础上，选择有典型意义的作品投影，并请“作者”陈述自己的创作过程。该环节的重点在于挖掘学生对实物进行非写实“处理”时的想法及其缘由。以下为根据这一设计进行教学的一个案例。

绘制篮球和乒乓球的时候，大部分学生并不会关注其实际大小的比例关系，而都用一个小球代替，有些学生甚至已经能用一个极小的黑点代替，但也有部分学生美术速写般地画出篮球及其条纹。这表明，学生此时还没有用“点”来代替球的概念，但是他们大多能根据作图的需要，合理地缩小两个球的体积。而对于旋转的乒乓球，学生都画出了它的球状，并利用线条等符号呈现其运动特征。

绘制地球绕着太阳公转时，学生都会用两个点或小球分别代替地球和太阳。

绘制乒乓球下落和羽毛球下落时，学生用小球或点替代乒乓球，而羽毛球则都用实际形状近似画出。表述理由时，学生提及羽毛球的形状和下落时球体形状的上下位置会影响它所受空气阻力的大小。

绘制自己和讲台的时候，大部分学生使用了形似的画法或用方块乃至点替代，并正确画出了二力示意图。

学生本来就具有一定的将实际的复杂问题简化处理的需求和能力，因此教师可设计情境，让他们在形象作画的过程中体现这种需求和能力，在陈述为什么这样处理的逻辑“理由”时显现这种需求和能力。在将观察到的实物或已有的表象落在纸上画成图像的过程中，学生能逐渐提炼出这样的认识：立足于不影响所表达的物理情境，不同物体可以有不同的加工处理方式。这就是一个体验建模经历的过程。教师是这个过程中提供素材的搭桥者，引领学生到达建立概念的彼岸，并充分关注科学概念和学生自我需求的契合。

如此，通过情境和问题，可让学生根据描述的需要，将一个个具体的运动物体形象清晰化，使其在简化处理的过程中进一步了解自己是怎样简化的，并在不同的处理方式中逐渐明确建模需求。

（三）深入情境

教师可先设计一个情境（配合大屏幕投影的图片），展示物体复杂的运动过程，让学生进行描述。由于动态的整体或局部运动情形极其复杂，学生很难描述全面。

此时，教师再设计如下情境，引导学生更加深入地开展有方向性的思考。

在学校的同学（甲）想知道去北京出差的老师（乙）乘坐的高铁到了哪里，甲会怎么问？乙又会怎么回答？此时正好甲知道自己爸爸（丙）也在同列高铁上，想让丙去找到乙，甲会怎么跟丙说？

通过这样的真实情境设置，可让学生在提问和回答的过程中体会到：有时候只需要把高铁的大致位置描述清楚就可以了，而有时候就必须说清楚高铁车厢和座位位置；对于不同的情况，高铁本身的形状有时可以忽略，有时又必须交代清楚。在解决问题的过程中，学生需要考虑火车的长度、形状、两地间隔距离等与所研究问题的关系，这就是一个思维加工的过程。

随后，教师呈现一张“几个高矮胖瘦不同的人站着合影，旁边还摆放着一些物体”的照片，请学生进行不同人和物体的受力分析，引导学生将关注点聚焦在“物体重力大小不同，导致受力情况不一样”上。在分析的过程中，学生也会发现二力平衡的分析完全可以不考虑物体的形状。设置这个情境的目的是想强调：质点概念来自于受力分析的相关问题，当然也可以应用于受力分析问题中。由于现行教材先讲运动学再讲动力学，所以从运动描述中引入质点概念是必然的选择，但教师要防止学生简单地以数学中的空间“点”概念来理解物理中的“质点”概念。在后续对动力学的学习中，学生会真切感受到质点模型的必要性和重要性。

如此，教师创设真实情境、布置任务，引导学生在观察情境并完成描述任务的过程中，逐渐明白研究对象的大小、形状、体积等对所研究问题的影响，使其进一步思考“如果没有影响，是不是可以用更简单的方式来处理物体”。学生通过自己和其他学生提供的具体经验，逐渐从具象场景走向概括化场景，初步抽象出建立模型的需求和模型的雏形。

（四）得出模型

在充分思考与讨论的基础上，学生自己阅读理解教材中质点的定义及物体可以视作质点的条件，对其中的两个要素“质量”和“点”进行合理想象，使思维从形象过渡到抽象，逐渐形成初步认知。

建构主义理论认为，学习应是学生在已有经验的基础上，积极主动形成正确的科学概念，建构自身知识体系的一个过程。因此，这种知识体系的建构应该包含获得知识所需要的物理方法和科学思维。学生是建构的主体，而教师主要是起到引领、点拨的作用。教师的作用主要体现在两个方面：一是引导学生反复多次地将已有的经验与新知识相互调和作用，从而形成自身的知识体系；二是让学生感受到形成概念过程中所经历的途径和方法。在后续类似点电荷、单摆、点光源等概念的建立过程中，也需要应用相似的方法。

物理源于生活实际，接触的对象极其宽泛复杂，研究对象与外界也有着各种各样的联系，但作为一门自然科学，它又需要能够简化且合理地对自然现象加以解释。在这样的源于复杂归于简化的科学研究过程中，正确地形成概念、建立理想化模型便成为一种基本的研究方法和技能。因此在讲解概念时，教师要找准学生存在的前概念，使学生最终能够理解不以（体积）大小、不以（几何）形状、不以（质量）轻重、不以（运动）繁简来判断物体是否可视作质点。从哲学的角度来说，这就是在观察事物的过程中，根据要研究的问题，抓住矛盾的主要方面，忽略次要方面，从而对物体进行科学合理的简化处理，迅速得到正确结果的辩证思维方式。

（五）应用评析

物理概念的本质往往和概念建立的实际价值密不可分。因此概念的“来龙”（为什么要建立这个概念）“去脉”（概念的应用及其条件）较之于概念的定义更能体现其价值。“一个有质量的点就是质点”这句话很简单，却包含了去除次要因素，抓住本质去研究问题，建立理想化模型的科学方法。这种研究问题的方法始终贯穿于高中物理教学中，并且对学生毕业后的思维发展、探究能力提升等也大有裨益。因此学习“质点”概念，学生不能仅记定义，而是要领会物理实质并学会模型的建构流程。

建模教学的最后一环，教师要安排学生对刚学的质点模型进行适度的进阶式应用，而且这种应用的问题情境可以让学生自主设计，例如在笔者之前的授课中，就有学生提出初中学过的杠杆、工作中的定滑轮是否可以被视作质点之类的问题情境。在学生应用质点模型的过程中，教师可引导学生开展交互式的生生评点。这种应用和评析的过程，是学生进一步强化模型概念和如何处理实际情境的思维强化过程。明确任务（目标）后，学生必定先搜索自己可见的现象或者表象，用通俗的语言进行初步描述，再经过教师的提示和引导，作出更加抽象的描述，进而发现在达成目标的过程中，可以采用忽略次要因素、抓住主要因素的本质描述法，最终成功建模。

综上，物理学在研究问题时经常要把复杂的事物简单化，这是一种本领和智慧，但简约不等于简单，大道至简之中还蕴含着大美。因此，物理建模并不是一种孤立的科学方法，而是需要观察、分析、综合、抽象、概括、归纳等方法的相互配合，这些正是基于核心素养的课程所要求培育的科学思维。教师要将教学内容放到整个物理学进程的背景中去考虑，引导学生不断经历实际情境和物理本质的相互转化，并对其进行长期训练。只有这样，学生才能逐渐学会用物理的眼光观察客观世界，用科学思维解决实际问题，其科学思维品质才能得到有效提升。这样的物理教学，才是培育学生核心素养的育人“场”。