劉姝芳 許桂清 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

建模教學(xué)是一種科學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)科的探究教學(xué)模式，是一種引導(dǎo)學(xué)生參與建立、檢驗(yàn)與應(yīng)用自然規(guī)律概念模型的教學(xué)活動(dòng)[1].在最新頒布的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中，模型建構(gòu)是科學(xué)思維的重要組成部分.建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方法，教師在教學(xué)中要讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)這些物理模型的思維方法，理解物理模型的使用條件，能通過(guò)建構(gòu)物理模型來(lái)研究實(shí)際問(wèn)題[2].在新版高中教材中，呈現(xiàn)了許多能夠進(jìn)行建模教學(xué)的教學(xué)素材，下面筆者結(jié)合新教材探討如何立足教材開(kāi)展物理建模教學(xué).

2 立足物理新教材開(kāi)展建模教學(xué)的策略

2.1 源于教材的物理建模教學(xué)流程

經(jīng)認(rèn)真研究發(fā)現(xiàn)，重視物理建模教學(xué)，是新版粵教版高中物理教材的特色之一，通過(guò)總結(jié)歸納，筆者以粵教版高中物理必修2為例，進(jìn)一步梳理出新版高中物理教材所呈現(xiàn)的一般性的物理建模教學(xué)流程如圖1所示.

圖1 立足教材開(kāi)展物理建模教學(xué)流程

從上述流程可以看到，高中物理教材中所設(shè)計(jì)的建模教學(xué)，首先都從創(chuàng)設(shè)情境問(wèn)題切入.進(jìn)一步分析新教材所創(chuàng)設(shè)的情境，筆者發(fā)現(xiàn)教材中建構(gòu)物理模型的素材主要來(lái)源于物理實(shí)驗(yàn)、生活現(xiàn)象和工業(yè)化生產(chǎn)3類情境，并且以生活和生產(chǎn)情境為主，啟發(fā)師生物理建模的目的之一就是解決實(shí)際問(wèn)題.筆者也發(fā)現(xiàn)，新教材提出的建模教學(xué)，大致可以劃分為創(chuàng)設(shè)情境、建立模型、完善模型、模型拓展4個(gè)環(huán)節(jié)，為師生開(kāi)展物理建模提供了較好的腳手架.下面以粵教版高中物理必修2中“拋體運(yùn)動(dòng)”為例，具體探討各個(gè)建模教學(xué)環(huán)節(jié)相應(yīng)的教學(xué)策略.

2.2 基于教材的物理建模教學(xué)策略探討

2.2.1 善用教材挖掘問(wèn)題

問(wèn)題是學(xué)習(xí)知識(shí)的起點(diǎn)，當(dāng)學(xué)生有了問(wèn)題意識(shí)之后才有可能調(diào)動(dòng)自己的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力主動(dòng)獲取知識(shí)，尋找問(wèn)題的答案.新教材設(shè)置了具象的導(dǎo)入情境，作為教師則需要幫助學(xué)生從情境中挖掘出值得探索的物理問(wèn)題.例如，在新教材平拋運(yùn)動(dòng)這節(jié)內(nèi)容中，教師展示教材呈現(xiàn)的一個(gè)簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn)引入新課：沿水平方向扔出一塊橡皮.緊接著教師可以拋出3個(gè)問(wèn)題，橡皮的運(yùn)動(dòng)軌跡是怎樣的？橡皮的運(yùn)動(dòng)是否有規(guī)律？如果有，又該如何建立物理模型探究橡皮的運(yùn)動(dòng)規(guī)律呢？上述3個(gè)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生從看似簡(jiǎn)單的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)入手，逐步走向物理建模的思維深化過(guò)程.

提出物理建模任務(wù)后，還需要通過(guò)師生對(duì)話的方式，引導(dǎo)學(xué)生將注意力放在已有知識(shí)和現(xiàn)有問(wèn)題之間的聯(lián)系上，幫助他們超越自己目前的知識(shí)水平到達(dá)最近發(fā)展區(qū).而師生對(duì)話的關(guān)鍵，仍然是在教材基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系列針對(duì)性的引導(dǎo)性問(wèn)題.

例如，在這里可以提示學(xué)生聯(lián)系我們之前學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)受力分析得知，忽略空氣阻力的話，橡皮僅受到重力作用.接著再啟發(fā)學(xué)生思考：僅在重力作用下的物體會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)？學(xué)生自然就能想到必修1中學(xué)到的自由落體運(yùn)動(dòng).進(jìn)一步追問(wèn)學(xué)生：這里橡皮的運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)么？引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突后，提示學(xué)生：這兩者有怎樣的聯(lián)系和區(qū)別？如何經(jīng)由自由落體運(yùn)動(dòng)去探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律？由此充分借助教材的素材，從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)演示逐步引向物理模型的建構(gòu)環(huán)節(jié).

2.2.2 小組討論建立模型

針對(duì)教材中呈現(xiàn)的實(shí)際情境提出物理建模的針對(duì)性問(wèn)題后，教師可以將初始建立模型的過(guò)程轉(zhuǎn)化為課堂小組討論任務(wù)，給予學(xué)生更多的建模體驗(yàn).各小組呈現(xiàn)討論的物理模型后，若出現(xiàn)不同意見(jiàn)時(shí)可以小組間相互辯論，以此拓展建模的思路；教師在這個(gè)環(huán)節(jié)中在各個(gè)小組間巡視，適當(dāng)提供思考的腳手架，幫助學(xué)生解決物理建模過(guò)程中遇到的難題.

例如，小組討論后，有些小組的學(xué)生聯(lián)系教材前面所學(xué)內(nèi)容，大膽建立了平拋運(yùn)動(dòng)模型，認(rèn)為橡皮的平拋運(yùn)動(dòng)可以分解為自由落體運(yùn)動(dòng)和水平方向的直線運(yùn)動(dòng).他們給出的理由是：在教材的前一節(jié)內(nèi)容運(yùn)動(dòng)的合成與分解中就出現(xiàn)了類似的運(yùn)動(dòng)，即用小錘擊打彈性金屬片的運(yùn)動(dòng)情況分析，從運(yùn)動(dòng)的效果上我們可以將此過(guò)程分解為兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的分運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是在水平方向上的直線運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是在豎直方向的直線運(yùn)動(dòng).這個(gè)大膽的模型猜想在某些組的學(xué)生看來(lái)有點(diǎn)難以置信，所以接下來(lái)教師就可以借此鼓勵(lì)小組成員設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證自己所建物理模型的正確性，引導(dǎo)全班學(xué)生共同思考：如果該模型成立，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng)，水平方向是勻速直線運(yùn)動(dòng)？由此逐步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出教材中的探究性實(shí)驗(yàn)，促使學(xué)生體會(huì)物理模型對(duì)探究實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的指導(dǎo)價(jià)值，從而避免了照著教材探究方案機(jī)械操作的低層次思維.整個(gè)過(guò)程就是這樣一步步深入發(fā)展下去，教師在這個(gè)過(guò)程不斷地言語(yǔ)提示，喚醒學(xué)生腦海中已有的教材中所學(xué)知識(shí)內(nèi)容，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生思維，對(duì)比聯(lián)想建立模型驗(yàn)證自己的模型猜想.

2.2.3 師生問(wèn)答完善模型

各小組將建立的模型以圖表或者文字的形式呈現(xiàn)出來(lái)后，教師對(duì)各組的模型進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，建議采用蘇格拉底問(wèn)答法，比如“你怎么知道的？”“為什么要這么做呢？”“這個(gè)模型適用于任何情況么”等，由此引發(fā)學(xué)生的自我反思，使得學(xué)生對(duì)物理模型的理解更加深刻.此處需要注意的是，物理模型往往具有適用條件，教師需要通過(guò)蘇格拉底式問(wèn)答，啟發(fā)學(xué)生對(duì)此進(jìn)行分析與總結(jié).

比如在建構(gòu)平拋運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，學(xué)生類比了前面教材中學(xué)過(guò)的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，應(yīng)用了運(yùn)動(dòng)的合成與分解知識(shí)，在這里教師需要通過(guò)一問(wèn)一答，引導(dǎo)學(xué)生注意明確平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的適用條件是：僅在重力作用下的運(yùn)動(dòng)且有水平方向的初速度.再如，在教材中呈現(xiàn)了柱形和弧形兩種不同形態(tài)的噴泉，這兩種噴泉的不同形態(tài)會(huì)給學(xué)生造成錯(cuò)誤的物理模型認(rèn)知，有些學(xué)生會(huì)認(rèn)為噴泉之所以會(huì)有柱形和弧形兩種形態(tài)是水壓大小的原因，水壓大的呈現(xiàn)柱形，水壓小的呈現(xiàn)弧形，出現(xiàn)物理模型建構(gòu)的混亂.此時(shí)，教師可以提出針對(duì)性的問(wèn)題：小水滴到了最高點(diǎn)會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)？由此啟發(fā)學(xué)生聯(lián)想到教材前面所學(xué)的自由落體知識(shí)，并反思意識(shí)到弧形噴泉并不滿足自由落體的物理模型條件.

2.2.4 提出新問(wèn)題模型應(yīng)用

模型應(yīng)用環(huán)節(jié)主要是診斷學(xué)生是否能夠?qū)⑺⒌奈锢硇履Ｐ瓦w移到其他情境中加以應(yīng)用.粵教版新教材十分注重物理模型在實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用，列舉呈現(xiàn)了大量的應(yīng)用實(shí)例.教師需要在教材基礎(chǔ)上，針對(duì)教材中的應(yīng)用實(shí)例，拋出新問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生學(xué)會(huì)從新情境中識(shí)別物理模型并加以應(yīng)用.

例如，在粵教版必修2“運(yùn)動(dòng)的合成與分解”一節(jié)課中，教材用一道例題呈現(xiàn)了小船過(guò)河的實(shí)際情境，以此幫助學(xué)生進(jìn)一步熟悉應(yīng)用速度和位移合成與分解的相關(guān)物理模型.在該過(guò)程中，教師可以拋出引導(dǎo)性問(wèn)題：遇到這一類實(shí)際生活情境，應(yīng)當(dāng)將實(shí)際物體抽象成怎樣的物理模型？選取怎樣的物理過(guò)程模型予以解決？又如，粵教版教材在平拋運(yùn)動(dòng)一節(jié)的討論與交流欄目中，呈現(xiàn)了平拋運(yùn)動(dòng)與自由落體運(yùn)動(dòng)的頻閃照片.教師可以適時(shí)地拋出新問(wèn)題：如何利用頻閃相片，驗(yàn)證前面實(shí)驗(yàn)中建構(gòu)的物理模型，即證明平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向的運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)，水平方向的運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)？還如，教材在實(shí)踐與拓展欄目中，要求學(xué)生利用平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀得到鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，教師需要補(bǔ)充提示：如何利用平拋運(yùn)動(dòng)模型來(lái)指導(dǎo)該實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)方案指明思考的方向，體驗(yàn)?zāi)Ｐ椭笇?dǎo)的價(jià)值.

除了教材中已有欄目設(shè)置的實(shí)際問(wèn)題外，教師也需要鼓勵(lì)學(xué)生聯(lián)想物理模型在日常生活中的應(yīng)用，還可以鼓勵(lì)學(xué)生之間仿照蘇格拉底式的提問(wèn)方式，針對(duì)生活中的各類現(xiàn)象，相互提問(wèn)并回答加深對(duì)物理模型的靈活應(yīng)用.

3 基于物理實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)生活現(xiàn)象建模教學(xué)的異同點(diǎn)分析

需要指出的是，在立足教材開(kāi)展建模教學(xué)的策略中，基于物理實(shí)驗(yàn)和基于生產(chǎn)生活現(xiàn)象的建模教學(xué)存在一定的差異.

仔細(xì)閱讀教材會(huì)發(fā)現(xiàn)，新粵教版高中物理教材在基于物理實(shí)驗(yàn)的建模教學(xué)中，往往是先從理論上建構(gòu)物理模型，然后再在物理模型的指引下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)建構(gòu)的物理模型進(jìn)行檢驗(yàn).例如，教材中平拋運(yùn)動(dòng)中豎直和水平方向分運(yùn)動(dòng)的規(guī)律探究，即采用了上述建模教學(xué)思路.

而基于生產(chǎn)生活現(xiàn)象的建模教學(xué)，新粵教版高中物理教材則主要采用從真實(shí)的生產(chǎn)生活場(chǎng)景中抓住現(xiàn)象的本質(zhì)特征，抽取出能夠表征現(xiàn)象本質(zhì)特征的相關(guān)物理要素，然后由物理要素組合形成新的物理模型.例如，教材中關(guān)于噴泉現(xiàn)象、傳送帶現(xiàn)象和跳遠(yuǎn)現(xiàn)象的物理建模，都采用了類似上述的建模思路.

當(dāng)然，上述兩種建模教學(xué)方式也有相似之處，它們的目的都是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程中掌握構(gòu)建物理模型、分析實(shí)際問(wèn)題的方法，都強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生歷經(jīng)物理建模的過(guò)程，深化學(xué)生的科學(xué)思維；都強(qiáng)調(diào)在同伴交流和師生互動(dòng)環(huán)節(jié)中，培養(yǎng)實(shí)事求是、追求真理的科學(xué)態(tài)度.

4 總結(jié)與展望

上文結(jié)合新版高中物理教材提煉了立足新教材開(kāi)展物理建模教學(xué)的一般流程，探討了基于物理實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)生活現(xiàn)象建模教學(xué)的異同點(diǎn).需要指出的是，物理建模教學(xué)側(cè)重對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，雖然新版高中物理教材呈現(xiàn)了良好的建模教學(xué)思路，但仍屬于是靜態(tài)的直接顯現(xiàn)的教學(xué)素材，在實(shí)際的建模教學(xué)課堂中，仍需要充分發(fā)揮物理教師的能動(dòng)作用.

首先，教師是課堂的組織者，要引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)教材中的建模素材進(jìn)行針對(duì)性的討論，不同個(gè)體之間思維的碰撞能創(chuàng)造出不同的建模思路，對(duì)于學(xué)生的思維發(fā)展有極大的作用.

其次，對(duì)于教材中不同知識(shí)點(diǎn)的建模教學(xué)，我們要從學(xué)生的認(rèn)知角度出發(fā)，充分利用好學(xué)生腦海中的已有知識(shí)概念，采取相應(yīng)的教學(xué)策略，通過(guò)認(rèn)知沖突或架橋策略，糾正學(xué)生錯(cuò)誤的前概念，建立起正確的物理模型.

建模過(guò)程中師生互動(dòng)和同學(xué)間的交流討論較多，相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)課堂，建模教學(xué)顯得生動(dòng)有趣，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，能夠最大限度地讓每一個(gè)學(xué)生都參與進(jìn)來(lái).

展望未來(lái)，物理課堂在建模教學(xué)中倡導(dǎo)更加開(kāi)放性的課堂，已有學(xué)者研究表明，建構(gòu)的基于學(xué)生心智模型進(jìn)階的導(dǎo)引式建模教學(xué)模式在大班教學(xué)中取得了較好的效果，對(duì)提高學(xué)生興趣和促進(jìn)靜電學(xué)心智模型的進(jìn)階有積極作用[3]，然而大部分建模教學(xué)仍以教師的引導(dǎo)為主.未來(lái)物理教師也可以在立足教材的基礎(chǔ)上，大膽去創(chuàng)設(shè)適合物理建模教學(xué)的開(kāi)放性的課堂，探索更多元化的物理建模教學(xué)策略.