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        基于科學(xué)思維素養(yǎng)培育的初中物理模型建構(gòu)策略

        2023-05-04 06:23:16張定而
        物理教學(xué)探討 2023年4期
        關(guān)鍵詞:科學(xué)思維初中物理教學(xué)策略

        張定而

        摘? ?要:核心素養(yǎng)是課程育人價值的集中體現(xiàn),2022年版義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出“培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)”。科學(xué)思維是核心素養(yǎng)的重要組成部分,而模型建構(gòu)是科學(xué)思維的關(guān)鍵要素。在教學(xué)中,教師應(yīng)通過精心的教學(xué)設(shè)計,使學(xué)生了解模型表象,體驗(yàn)建模過程,活化模型運(yùn)用,讓學(xué)生在理解物理知識的同時,領(lǐng)會科學(xué)思維方法,養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣,提升科學(xué)思維能力,從而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

        關(guān)鍵詞:科學(xué)思維;初中物理;模型建構(gòu);教學(xué)策略;核心素養(yǎng)

        中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2023)4-0015-4

        物理模型建構(gòu)是科學(xué)思維的主要形式,是落實(shí)核心素養(yǎng)的重要途徑。在物理教學(xué)中,應(yīng)充分了解物理模型的內(nèi)涵及類型,掌握模型建構(gòu)的方法,以物理知識背景為基礎(chǔ),以圖像、表格或文字等表征為媒介,抓住物理問題的主要特征,構(gòu)建反映物理本質(zhì)的模型,培養(yǎng)學(xué)生的建模能力,從而提高學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

        1? ? 初中物理基本模型分類

        研究物理學(xué)問題時,常常要抓住主要因素,摒棄次要因素,這種方法建立的模型稱為物理模型。在初中物理模型建構(gòu)教學(xué)中,首先要讓學(xué)生了解一些常見的物理基本模型。

        1.1? ? 理想對象模型

        物理概念比較抽象,其思維形式與過程相對復(fù)雜,為了研究方便,往往要將研究對象實(shí)體進(jìn)行簡化或理想化,這樣構(gòu)建的實(shí)體模型稱為理想對象模型。比如,“液片”是初中物理中一個重要的理想對象模型,是為研究問題方便而選取的一個極薄的液體薄片。其特征是不計體積和質(zhì)量,但有面積,其形狀與內(nèi)裝液體或氣體的容器的橫截面相同。它可以靜止,也可以做勻速直線運(yùn)動或做變速直線運(yùn)動,它可以受平衡力的作用,也可以受非平衡力的作用?!耙浩痹谘芯恳后w或氣體問題中有著廣泛的應(yīng)用,研究連通器原理就應(yīng)用到了“液片”。如圖1所示,連通器內(nèi)裝同種液體,當(dāng)液體靜止時,在U型管下部正中取一個液片AB,液片兩側(cè)受到的液體壓強(qiáng)相等,根據(jù)液體壓強(qiáng)公式p=ρgh,可知h=h,即容器中左右兩側(cè)液體的深度相同。初中物理中的理想對象模型還有點(diǎn)光源、杠桿、平面鏡、薄透鏡、均勻介質(zhì)等。

        1.2? ? 理想條件模型

        將研究對象所處的條件進(jìn)行理想化處理而構(gòu)建的模型稱為理想條件模型。它是人為塑造的一種模型,在實(shí)際生活中并不存在,只是為了簡化處理問題而引入的。如“光滑表面”就是典型的理想條件模型,研究問題時通??梢圆豢紤]因摩擦阻力帶來的影響。圖2所示是伽利略的理想實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),一個鋼珠從左側(cè)光滑斜面的某一高度處靜止?jié)L下,無論右側(cè)光滑斜面的坡度如何,由于斜面表面光滑沒有摩擦阻力產(chǎn)生的能量損耗,鋼珠必定到達(dá)與下落點(diǎn)幾乎相同高度的地方;如果把右側(cè)光滑斜面變成光滑的水平表面,鋼珠就會一直運(yùn)動下去。伽利略的理想實(shí)驗(yàn)推翻了亞里士多德“力是維持物體運(yùn)動的原因”的錯誤觀點(diǎn),在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)推理,為得出牛頓第一定律奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。理想條件模型還有“輕桿”“輕繩”等,研究問題時通??梢圆豢紤]它們的質(zhì)量,再比如“均勻介質(zhì)”“忽略溫度對電阻的影響”等,就是將物理?xiàng)l件理想化,從而有助于揭示事物的本質(zhì)。

        1.3? ? 理想過程模型

        影響物理過程的因素一般不止一個,往往涉及多種因素共同作用,研究物理過程時只考慮主要因素,忽略次要因素,構(gòu)建的過程模型稱為理想過程模型。例如,勻速直線運(yùn)動,物體運(yùn)動過程中排除了空氣阻力等干擾因素,不考慮物體本身受力,物體將做速度大小保持不變的直線運(yùn)動,它在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能存在的,但有些物體的運(yùn)動很接近勻速直線運(yùn)動,可近似看成勻速直線運(yùn)動。還有自由落體運(yùn)動、穩(wěn)恒電流等都是理想過程模型。

        2? ? 在物理概念教學(xué)中構(gòu)建模型

        在初中物理概念教學(xué)中,讓學(xué)生經(jīng)歷建模過程,理解模型本質(zhì),對啟發(fā)學(xué)生思維、正確理解物理概念將會起到很好的橋梁作用。

        2.1? ? 類比模型

        類比模型是指借用類似現(xiàn)象或過程構(gòu)建的模型。通過類比,實(shí)現(xiàn)模型建構(gòu)遷移,使人們對日常生活事例有更直觀、形象的認(rèn)識,從而建立新的物理概念。例如,在“功率”概念的教學(xué)中,可以與速度概念進(jìn)行類比。速度是表征物體運(yùn)動快慢的物理量,比較物體運(yùn)動的快慢有兩種方法,一是相同的路程比較時間,二是相同的時間比較路程。在物理學(xué)中,比較物體運(yùn)動的快慢一般用相同的時間比較路程。如果兩個物體運(yùn)動的路程和所用的時間都不相同,可以通過路程與時間的比值反映物體運(yùn)動的快慢,我們把路程與時間的比值叫作速度。同樣,功率是表征物體做功快慢的物理量,通過類比“速度”概念,構(gòu)建“功率”概念形成過程模型:列舉做功相同所花時間不同或者時間相同做功不同的做功事例,讓學(xué)生比較物體做功的快慢,在物理學(xué)中,比較物體做功快慢一般用相同的時間比較做功的多少,如果物體做功和做功所花時間都不相同,可以通過功與時間的比值反映物體做功的快慢,我們把功與時間的比值叫作功率。還有物質(zhì)密度、壓強(qiáng)、熱值等,這些概念的形成過程應(yīng)用了類比模型,同樣有助于加深學(xué)生對新概念的建立和理解。

        2.2? ? 等效模型

        在確保某種效果一樣的條件下,為方便研究,把復(fù)雜的物理問題或過程等效轉(zhuǎn)化為簡單的物理問題或過程,這種方法構(gòu)建的模型稱為等效模型。例如,在“重心”概念教學(xué)中,我們可以把物體各部分受到的重力等效認(rèn)為集中作用在物體的一個點(diǎn)上,這個點(diǎn)就叫作物體的重心。又如,在“平均速度”概念教學(xué)中,物體在一段路程內(nèi)做變速直線運(yùn)動,在這段路程內(nèi),我們可以等效認(rèn)為物體做勻速直線運(yùn)動,求出的速度就是物體通過這段路程的平均速度,它能粗略描述物體在這段路程的運(yùn)動快慢。還有在“總電阻”“合力與分力”概念教學(xué)中,同樣可以運(yùn)用等效替代的方法,構(gòu)建等效模型,這樣可以簡化物理概念建立,使問題由繁變簡,降低學(xué)習(xí)坡度,有利于達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

        2.3? ? 圖像模型

        物理圖像模型可以用來定量描述物理概念,它既可以將物理量之間的關(guān)系形象、直觀地呈現(xiàn)出來,又能揭示物理概念的形成過程,有助于深刻理解物理概念。例如,“密度”概念比較抽象,學(xué)生不容易理解,“密度”教學(xué)中,可讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的不同種物質(zhì)的若干組質(zhì)量與體積,作出質(zhì)量m隨體積V變化的關(guān)系圖像,并引導(dǎo)學(xué)生從圖像中獲取信息。通過分析發(fā)現(xiàn),對于同種物質(zhì),質(zhì)量與體積的比值相同;不同種物質(zhì),質(zhì)量與體積的比值一般不同。可見,質(zhì)量與體積的比是由物質(zhì)種類決定的物理量,它反映了物質(zhì)的一種特性,這個特性叫作密度。這樣,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn),并借助構(gòu)建的直觀圖像,在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下自主建立密度概念,印象是深刻的,理解是牢固的。另外,在“伏安法”測電阻的教學(xué)中,同樣也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的幾組電阻器工作時的電壓值和對應(yīng)的電流值,作出I-U關(guān)系圖像,通過分析圖像,進(jìn)一步理解電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì)。

        2.4? ? 虛擬模型

        為了形象、直觀地描述客觀存在的物質(zhì)或現(xiàn)象,有時需要引入一些虛擬的模型來描述物質(zhì)或現(xiàn)象的某些性質(zhì)或特征,雖然客觀存在的物質(zhì)或現(xiàn)象是真實(shí)的,但所建立的物理模型是對實(shí)際物質(zhì)或現(xiàn)象的模擬,因而是不真實(shí)的,建立起來的模型是虛擬模型。虛擬模型不是用來發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律,其目的是讓學(xué)生更容易理解原有的物理概念。例如,在“磁感線”教學(xué)中,為了形象地描述磁場人為地引入磁感線,即在磁場中畫出一些有方向的閉合曲線,它不是實(shí)際存在的,只是一種虛擬模型,但它能反映磁場的一些特征和性質(zhì)。還有光線、力的圖示等也都是人為虛擬建構(gòu)的,它們同樣可以描述物理現(xiàn)象的某些特征,有助于進(jìn)一步理解物理概念。

        3? ? 在物理規(guī)律教學(xué)中構(gòu)建模型

        在初中物理規(guī)律或原理教學(xué)中,通過引領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建實(shí)物模型、仿真模型和數(shù)理模型等,讓學(xué)生在構(gòu)建模型的過程中揭示物理規(guī)律或物理原理,從而提高學(xué)生的建模能力,促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展。

        3.1? ? 實(shí)物模型

        為了讓學(xué)生更好地理解物理規(guī)律或原理,在平常教學(xué)中,教師要引領(lǐng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究,向他們展示實(shí)物、圖片等,以便構(gòu)建直觀、形象的實(shí)物模型,提升學(xué)生的建模能力。例如,探究“光的反射規(guī)律”,用激光束沿光屏從某點(diǎn)入射到平面鏡上的O點(diǎn),可以觀察到反射光線。接著,改變激光源的位置,分別讓激光入射到鏡面上的O點(diǎn),觀察反射現(xiàn)象,并把3組不同的入射光線、反射光線用紅、綠、藍(lán)3色竹簽插在泡沫上,直觀展示光的反射模型。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合實(shí)物模型可以得出:反射光和入射光分居在法線兩側(cè);反射光線與入射光線在垂直鏡面的同一平面內(nèi),且關(guān)于過入射點(diǎn)垂直于鏡面的直線對稱,這條直線用虛線表示,引出法線概念;反射光線和入射光線與法線的夾角相等,引出反射角和入射角。將有反射光線的右半部分光屏向后折,光屏上看不到反射光,這說明反射光線、入射光線與法線在同一平面內(nèi)。圖3是實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)際情境,圖4是從實(shí)際情境中構(gòu)建的實(shí)物模型,能直觀反映物理問題的本質(zhì),不僅能幫助學(xué)生深刻理解物理規(guī)律,還能促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

        3.2? ? 仿真模型

        在初中物理規(guī)律教學(xué)中,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究后,為深化知識理解,教師可以運(yùn)用PPT、Flash或希沃軟件,整合多種媒體資源,將聲音、動畫、顏色等元素搭配起來,制作仿真實(shí)驗(yàn)視頻,通過播放仿真實(shí)驗(yàn)視頻重現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)探究過程,呈現(xiàn)形象、直觀的動畫片段,讓物理過程縮放自如。比如,在凸透鏡成像規(guī)律、串并聯(lián)電路的電流規(guī)律、機(jī)械能守恒定律、力的相互作用規(guī)律等,都可以制作仿真實(shí)驗(yàn)視頻模擬物理規(guī)律的動態(tài)變化過程,利用按鈕隨停隨放,讓學(xué)生能夠更加準(zhǔn)確、深刻地理解物理規(guī)律。課堂教學(xué)呈現(xiàn)仿真模型畫面,它可以化枯燥為生動,吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,促進(jìn)學(xué)生由形象思維向抽象思維過渡,從而提高學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。

        3.3? ? 數(shù)理模型

        數(shù)學(xué)作為物理學(xué)的基礎(chǔ)工具,對促進(jìn)物理學(xué)的建立和發(fā)展有著非常重要的價值和作用。在物理規(guī)律或原理教學(xué)中,數(shù)學(xué)的數(shù)型結(jié)合思想、方程思想、函數(shù)思想、解析方法等都可以使具體的物理對象找到它的數(shù)理邏輯聯(lián)系。對實(shí)際物理問題進(jìn)行抽象,用數(shù)學(xué)形式表達(dá)物理規(guī)律或原理而建立的模型稱為數(shù)理模型。建立數(shù)理模型,有助于描述物理現(xiàn)象或物理過程的本質(zhì)特征,深刻領(lǐng)會物理規(guī)律或原理。例如,在“阿基米德原理”教學(xué)中,通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究,收集并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),讓學(xué)生用語言表述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象蘊(yùn)含的數(shù)理邏輯聯(lián)系,再通過學(xué)習(xí)評價,不斷糾正、補(bǔ)充和完善,最終教師與學(xué)生共同總結(jié)得出阿基米德原理。由此可見,學(xué)好物理必須要具備基本的數(shù)理能力,能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象蘊(yùn)含的數(shù)量關(guān)系,實(shí)現(xiàn)物理問題到數(shù)學(xué)問題的轉(zhuǎn)換,正確運(yùn)用數(shù)理語言準(zhǔn)確表述物理規(guī)律,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)理模型的有效構(gòu)建。構(gòu)建數(shù)理模型,不但培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)理能力,而且也培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用數(shù)理語言準(zhǔn)確表述的邏輯思維能力。

        中學(xué)物理模型建構(gòu)的類型與方法還有許多,它是由課程內(nèi)容和課程類型決定的。除了上述介紹的課型外,實(shí)驗(yàn)課、復(fù)習(xí)課、習(xí)題課等采用的模型和方法也不盡相同,教師要有針對性地選用最合適的物理方法讓學(xué)生體驗(yàn)物理模型建構(gòu)過程,從而揭示物理學(xué)科本質(zhì),訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維,發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)[S].北京:北京師范大學(xué)出版社,2022.

        [2]盧義剛.抓“兩線”,激思維,顯“味道”——基于“光的反射”的教學(xué)設(shè)計及反思[J].物理教師,2019,40(6):36-39.

        [3]董博清,彭前程. 核心素養(yǎng)視域下科學(xué)思維的內(nèi)涵及其實(shí)現(xiàn)路徑[J].課程·教材·教法,2019,39(4):84-90.

        (欄目編輯? ? 趙保鋼)

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