孔紅艷 何小雨

關(guān)鍵詞：初中物理：科學(xué)思維;模型建構(gòu)：中考試題

近年來，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)引起了我國教育界廣泛的關(guān)注。對于物理學(xué)科而言，科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心。初中生的思維正處在形象思維至抽象思維的轉(zhuǎn)變階段，這也是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的關(guān)鍵期。以陜西省中考物理科目對學(xué)生能力的培養(yǎng)與考查要求為例，2019年有五項(xiàng)能力要求，分別為觀察能力、分析概括能力、分析問題與解決問題能力、白學(xué)能力以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?2020年取消了觀察能力，明確納入了思維能力?？梢园l(fā)現(xiàn)，中學(xué)教育階段對學(xué)生思維能力的重視程度正在顯著提高。

在科學(xué)思維的內(nèi)容構(gòu)成中，首位便是模型建構(gòu)。模型建構(gòu)的過程中滲透著多種思維活動(dòng)，需要諸多科學(xué)思維方法的參與，它對學(xué)生形象思維能力和抽象思維能力的培養(yǎng)起到了重要的作用。高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中對模型建構(gòu)水平做出了具體的描述，給教學(xué)提供了清晰的目標(biāo)，而對于初中模型建構(gòu)水平尚沒有統(tǒng)一的劃分，對學(xué)生建模能力的目標(biāo)要求模糊，不利于教師培養(yǎng)學(xué)生的相關(guān)能力。

1相關(guān)概念厘清

在科學(xué)中，模型被視為是對真實(shí)世界的表征。物理模型是為了更方便地研究物理問題，突出事物的本質(zhì)特征，而對所研究的對象進(jìn)行的一種簡化性描述。建模則是對模型的建構(gòu)，即從復(fù)雜的現(xiàn)象中抽取出能描繪該現(xiàn)象的元素或參數(shù)，并找出這些元素或參數(shù)之間的正確關(guān)系，建構(gòu)足以正確描述、解釋該現(xiàn)象的模型的過程。

目前，對物理模型的分類沒有統(tǒng)一的規(guī)定，研究者的出發(fā)點(diǎn)不同，分類亦不同。本文從物理問題解決的角度出發(fā)，采用以下分類方式對理想化物理模型進(jìn)行分類：

（1）對象模型：忽略研究對象（物體或系統(tǒng)）的次要因素，建構(gòu)反映對象本質(zhì)的理想模型。例如，輕繩、輕桿、輕彈簧、點(diǎn)電荷、電場線、純電阻、磁感線、電路模型等。

（2）狀態(tài)模型：表示研究對象的某種理想狀態(tài)。例如，物體的平衡狀態(tài)等。

（3）過程模型：研究對象運(yùn)動(dòng)過程的理想化結(jié)果。例如，勻變速直線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)等。

2基于SOLO分類理論的模型建構(gòu)層次

SOLO（ structure of the observed learning out-come）是由教育心理學(xué)家Biggs在1982年提出的一種以等級描述為基本特征，對學(xué)生學(xué)業(yè)水平分類的質(zhì)性評價(jià)方法。該理論以皮亞杰的發(fā)展理論和信息加工理論為基礎(chǔ)，其本質(zhì)仍是一種認(rèn)知發(fā)展理論。個(gè)體認(rèn)知水平的發(fā)展不僅在個(gè)體的成長階段具有階段性，而且在解決特定的問題時(shí)，其思維水平也具有階段性。SOLO分類評價(jià)理論將學(xué)生解決問題時(shí)所達(dá)到的思維水平進(jìn)行由低到高的五個(gè)基本結(jié)構(gòu)層次的等級劃分，具體內(nèi)容及特征簡述如下：

（1）前結(jié)構(gòu)水平：學(xué)生無法正確理解問題，無法對問題進(jìn)行處理。

（2）單點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平：能夠使用問題的一個(gè)相關(guān)線索或者信息，并立刻形成結(jié)論。

（3）多點(diǎn)結(jié)構(gòu)水平：同答問題時(shí)，能使用多個(gè)孤立的信息，進(jìn)行獨(dú)立的總結(jié)，但缺乏有機(jī)整合的能力。

（4）關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)水平：能從整體把握題目的要求，可以將各種信息加以整合歸納，能在設(shè)定的情境或已經(jīng)經(jīng)歷的經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)進(jìn)行概括。

（5）擴(kuò)展抽象結(jié)構(gòu)水平：能使用更加抽象的知識，能對未經(jīng)歷的情境進(jìn)行概括，可以聯(lián)想到與問題相關(guān)的其他問題。

SOLO理論中的前結(jié)構(gòu)水平處于培養(yǎng)目標(biāo)之下，所以在建模水平劃分時(shí)，不予考慮。經(jīng)過對初中物理常用模型及學(xué)情的研究，結(jié)合一線教師的意見，基于SOLO理論形成了初中物理模型建構(gòu)的層級劃分，如表1所示。

3基于物理建模層次對中考試題的探討

在中考物理學(xué)科考查的科學(xué)內(nèi)容中，“物質(zhì)”“運(yùn)動(dòng)與相互作用”及“能量”所占的比例分別為15%、45%和40%，試題難度分為“容易、較易、較難、難題”四種，所占比例在2018年與2019年的試題中均約為4：3：2：1，實(shí)測難度均比較符合預(yù)定難度0.65。試題總難度較為穩(wěn)定，中等題占較大部分，可以讓多數(shù)學(xué)生的付出獲得很好的反饋，增加學(xué)生的信心;同時(shí)，部分題目區(qū)分度較大，能夠很好地激勵(lì)學(xué)生向著更高的目標(biāo)不斷奮斗。

以陜西省為例，根據(jù)陜西省教育科學(xué)研究院對陜西省2018年與2019年中考物理學(xué)科的考生作答情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)抽樣的方式選擇Y市與H市考生情況，基于上文形成的物理模型建構(gòu)層級結(jié)構(gòu)，對中考試題進(jìn)行了進(jìn)一步的整理，并以部分題目為例予以分析。

3.1認(rèn)識層次例題分析

初中學(xué)生在模型建構(gòu)中，最基本的要求是了解和辨識簡單的物理模型。此能力不僅會在試題中直接考查到，而且也是學(xué)生在面對其他更高的建模要求時(shí)需要的基礎(chǔ)能力。在直接考查學(xué)生對模型辨識能力的題目中，學(xué)生的答題情況良好，說明對于大多數(shù)學(xué)生而言，均具備了對簡單物理模型的辨識能力，例如，對斜面模型、凸透鏡模型、勻速直線運(yùn)動(dòng)模型的辨識。典型例題如2018年選擇題第4題簡單機(jī)械問題，作圖題第29題第1問力學(xué)問題;2019年第4題力學(xué)問題，第25題機(jī)械運(yùn)動(dòng)問題，第26題光學(xué)問題，等等。

例1在高速公路長下坡路段的外側(cè)，常設(shè)有避險(xiǎn)車道，供剎車失靈的車輛白救。當(dāng)車輛沖上該車道時(shí)，被強(qiáng)制減速停車。要求判斷不正確的說法，A選項(xiàng)為“避險(xiǎn)車道相當(dāng)于一個(gè)斜面”。

點(diǎn)評：本題來源于2018年陜西省中考試題第4題，實(shí)測難度為0.67，A選項(xiàng)的錯(cuò)選率為4.95%。本題以高速公路為題目背景，問題情境設(shè)置為“當(dāng)車輛沖上避險(xiǎn)車道時(shí)，被強(qiáng)制停車”?？紤]的主要因素為車道的長度、傾斜度與粗糙程度，其他如車道的形變、車輛壓槽痕等實(shí)際的因素不需要考慮。因此，結(jié)合斜面的特點(diǎn)，可以將避險(xiǎn)車道抽象為對象模型，即斜面模型。這對于大部分學(xué)生來講，是很容易的。

3.2聯(lián)系層次例題分析

學(xué)生不僅需要具備對基本、簡單物理模型的辨識、選擇能力，而且需要對熟悉場景中的簡單問題進(jìn)行解釋。這一層次的題目所涉及的大部分內(nèi)容較為基礎(chǔ)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中已進(jìn)行了較多的訓(xùn)練，因此，學(xué)生對于這部分物理問題的情境比較熟悉。而由于涉及的物理模型也是較為基礎(chǔ)的，這部分題目的難度只是略微大于第一層次。典型例題如2018年選擇題第2題光學(xué)問題，第32題聲音的特性問題：2019年選擇題第1題聲學(xué)問題，選擇題第3題光學(xué)問題，等等。

例2 2018年5月1日晚，在大雁塔北廣場上演了一場水舞光影秀。巨型燈柱陣、多臺超高清投影機(jī)和音樂噴泉交錯(cuò)配合，使大雁塔隱在光幕之中，美輪美奐。這是中華文化和現(xiàn)代科技的一次完美結(jié)合。下列關(guān)于這場光影秀的說法不正確的是（）

A.發(fā)光的燈柱是光源

B.光的三原色是紅、綠、藍(lán)

C.音樂噴泉形成的水幕對光只有反射作用

D.演出過程中高清投影機(jī)可成逼真的實(shí)像

點(diǎn)評：本題來源于2018年陜西省中考試題第2題，實(shí)測難度為0.69，屬于較易題，正確答案為C選項(xiàng)，未做出正確選擇的比率為31%，其中D選項(xiàng)的錯(cuò)選率為15.53%。在本題中，通過題干可知“水舞光影秀”是燈、投影機(jī)與水幕的相互結(jié)合。A、B選項(xiàng)考查對知識的記憶;對C選項(xiàng)，水幕為噴泉所形成，忽略其不斷變化的整體形狀與不規(guī)則的表面形狀，將其抽象為熟悉的水面，類比熟悉的光射人河面問題，會出現(xiàn)反射現(xiàn)象與折射現(xiàn)象：對D選項(xiàng)，高清投影儀為凸透鏡模型，依據(jù)凸透鏡的成像規(guī)律，則知道成像為倒立、放大的實(shí)像，這也是凸透鏡應(yīng)用的逆向思維過程。

3.3應(yīng)用層次例題分析

初中物理中，已將一些常見的重難點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行了較為鞏固的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，例如電學(xué)和簡單機(jī)械模塊。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，需要白行從實(shí)際問題里抽象出物理模型，再解決物理問題。雖然對這部分已經(jīng)進(jìn)行了較多的習(xí)題訓(xùn)練，抽象出的模型是學(xué)生很熟悉、很常見的。但是，這對于學(xué)生來講難度依然很大。典型例題如2018年選擇題第3題電路連接問題;2019年選擇題第7題簡單機(jī)械問題，作圖題第29題第2問電路連接問題，綜合題第33題力與機(jī)械能問題。

例3圖1為某種型號的剪叉式高空作業(yè)平臺，這臺機(jī)器利用起升電機(jī)升降作業(yè)平臺，方便工人高空作業(yè)。該機(jī)器的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

（1）這臺機(jī)器空載且靜止時(shí)，對水平地面的壓強(qiáng)是多大？（g取10 N/kg）

（2）起升電機(jī)以額定功率工作時(shí)，將總重為1000N的人和作業(yè)丁具以0.2m/s的速度舉高8m。該機(jī)器做的有用功是多少？機(jī)械效率是多少？

（3）此類機(jī)器機(jī)械效率一般較低的主要原因是：

點(diǎn)評：本題來源于2019年陜西省中考試題第33題，實(shí)測難度為0.47，屬于難題。本題滿分8分，平均分僅為3.74分，分析答題情況發(fā)現(xiàn)“學(xué)生連基本的速度和壓強(qiáng)計(jì)算都掌握不好”。第1問考查機(jī)器對地面的壓強(qiáng)大小，根據(jù)壓強(qiáng)的定義，壓強(qiáng)與物體所受壓力和受力面積有關(guān)，此時(shí)不需要考慮支架的升降，將其視為對象模型，即物塊即可。通過查表找到相關(guān)數(shù)據(jù)，問題便可解決。在第2問中，題目中的信息點(diǎn)為“以額定功率工作”“總重為1000 N的人和作業(yè)工具”“以0.2m/s的速度舉高8m”，因此第1問的模型便不適用。結(jié)合相關(guān)的基本概念及基本規(guī)律，同時(shí)由題目的信息得知舉高過程中的速度未發(fā)生變化，可將升降機(jī)的升降過程建立為過程模型，即勻速直線運(yùn)動(dòng)過程模型，得到舉高的時(shí)間，要注意對公式的準(zhǔn)確理解與記憶，便可以正確解答第2、3小問。本題建立的模型較為簡單，但是建構(gòu)模型之后，對問題進(jìn)行分析時(shí)涉及到的知識綜合性很強(qiáng)。

3.4遷移層次例題分析

學(xué)生會面對生活實(shí)際情境中的問題，這些問題可能是原始物理問題或者僅是對其進(jìn)行簡單初步處理后的問題。對于此類問題，要求學(xué)生應(yīng)該具有較高的能力，能夠從生活問題中正確地建構(gòu)出物理模型，并結(jié)合物理概念、規(guī)律進(jìn)行解題。典型例題如2018年第6題簡單機(jī)械問題，第33題力學(xué)問題，第34題電磁能問題;2019年第33題力與機(jī)械能問題，第34題電磁能問題，等等。

例4如圖2所示的不銹鋼空調(diào)架，安裝時(shí)橫桿OB伸出墻外由斜桿AC支撐，其中O、A兩點(diǎn)固定在墻上，C點(diǎn)固定在橫桿OB上。通常將空調(diào)室外機(jī)置于該支架上時(shí)不緊靠墻體。下列相關(guān)說法正確的是（

）

A.空調(diào)架對墻沒有力的作用

B.若以O(shè)為支點(diǎn)，OB -定是一個(gè)省力杠桿

C.若將室外機(jī)向外移動(dòng)，AC對OB的支撐力變大

D.室外機(jī)不能緊靠墻體主要是為了防止漏電

點(diǎn)評：本題來源于2018年陜西省中考試題第6題，實(shí)測難度為0.58，屬于難題。本題在原始物理問題的基礎(chǔ)上，對空調(diào)支架進(jìn)行了簡單說明，學(xué)生需要將生活實(shí)際問題中的裝置轉(zhuǎn)化為物理模型，這要求他們對杠桿模型的學(xué)習(xí)有較為深入的理解與靈活應(yīng)用的能力。首先，最重要的是確定支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂及阻力臂，正確抽象出杠桿模型，再依據(jù)杠桿模型結(jié)合力臂的關(guān)系判斷出杠桿類型，根據(jù)杠桿平衡條件對力的變化進(jìn)行分析，問題便可以迎刃而解。

4教學(xué)建議

4.1增強(qiáng)對模型建構(gòu)教學(xué)的意識

從模型建構(gòu)的4個(gè)水平對試題的研究發(fā)現(xiàn)，在模型建構(gòu)的認(rèn)識水平與聯(lián)系水平上，學(xué)生表現(xiàn)良好，試題的實(shí)測難度均在0.7左右，說明有70%左右的學(xué)生可以掌握;而在應(yīng)用與遷移水平上，這兩個(gè)層次對于學(xué)生而言難度較大。有調(diào)查研究表明，教師對學(xué)生專業(yè)知識的培養(yǎng)力度很大，但是對于學(xué)生“順利完成物理建?；顒?dòng)的思維和策略基礎(chǔ)”的培養(yǎng)并不夠重視。實(shí)際上，在物理學(xué)習(xí)中模型的建構(gòu)具有重要的作用。美國理論物理學(xué)家David Hestenes認(rèn)為，“物理問題的解決主要是建模的過程”。建模教學(xué)模式在國外歷經(jīng)30余年的發(fā)展，其有效性得到了實(shí)踐的證明。教師在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)有意識地顯化建模的活動(dòng)，包括如何建構(gòu)、采用的方法、用了什么、怎么應(yīng)用等，加強(qiáng)對學(xué)生建模能力的訓(xùn)練，這能夠促進(jìn)學(xué)生的邏輯思維發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

4.2結(jié)合學(xué)情，將建模教學(xué)融入多種教學(xué)方式

現(xiàn)有的研究大多從建模的策略人手，例如類比法、等效法等。如果能將物理建模與問題教學(xué)、思維導(dǎo)圖、學(xué)習(xí)進(jìn)階等方式相結(jié)合，順應(yīng)學(xué)生的思維發(fā)展特點(diǎn)，讓學(xué)生來提出問題，讓建模過程可視化，會使得學(xué)生更容易理解，興趣更高。例如，將物理建模與學(xué)習(xí)進(jìn)階相結(jié)合，實(shí)際上具有很強(qiáng)的操作性，將建模過程的思維階段和學(xué)習(xí)進(jìn)階的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整合，可以充分體現(xiàn)彼此的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高科學(xué)教育的教學(xué)效率。如果教師能結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，在模型建構(gòu)的教學(xué)中采用適合的方式，可能會收獲意外的驚喜。

4.3將物理模型與實(shí)際生活相聯(lián)系

從物理模型應(yīng)用與遷移水平上的考查可以看出，這兩個(gè)層次對于學(xué)生而言是比較難的。因?yàn)檫@兩個(gè)層次不僅涉及學(xué)生對模型的白主建構(gòu)，而且需要他們采用物理模型實(shí)現(xiàn)對問題的分析與解決，這考查了學(xué)生對知識的分析綜合與應(yīng)用能力。在教學(xué)中，如果能夠加強(qiáng)物理與生活的聯(lián)系，多進(jìn)行物理原始問題教學(xué)，用建構(gòu)的物理模型去解決學(xué)生常見的以及并不常見的生活問題，不僅可以讓學(xué)生擁有“物理建模能力”這一利器，而且能發(fā)揮出模型建構(gòu)教學(xué)的威力，相信對學(xué)生知識掌握程度與能力提升方面都更有益處。