基于科学思维指导下物理模型的教学设计策略

吕 征

(浙江省宁波市镇海龙赛中学 315201)

一、理想化思维指导下物理模型教学设计

理想化思维的特点是忽略或摒弃原型中的次要因素，突出原型主导因素，突出主要矛盾.结合物理教学中理想模型方法应用的主要三种形式：理想模型、理想过程和理想实验.其中“理想模型”是一种高度抽象的理想客体，显然实际的物体是具有多种属性的，次要因素和主导因素也是具有相对性的，理想化方法加工时忽略或摒弃的条件是什么？为什么是这样的条件而不是那样的条件？在科学思维的哪一水平层级来突出原型主导因素？在教学呈现的程序中怎样突出主要矛盾？以下《单摆》教学设计片段.

1.情境观察

①钟摆摆动；②吊灯受风吹后的摆动；③荡秋千时秋千的摆动

2.引导设问

把悬挂的物体看作一个什么样模型既能使问题得到简化又能解答实际问题？学生一般能简单表述为悬挂物体是摆，都类似用一根绳子挂着一个球状的物体.实际问题如何转化为物理问题，实际物体又如何抽象为物理模型的呢？

3.理想化思维指导下设计六种相似性摆动

[演示1]金属丝下悬挂一小钢球，让小钢球在竖直面平面内摆动；[演示2]细线下悬挂一小钢球，让小钢球在竖直面平面内摆动；[演示3]橡皮筋下悬挂一小钢球，让小钢球在竖直面平面内摆动；[演示4]铁链下悬挂一小钢球，让小钢球在竖直面平面内摆动；[演示5]细线下悬挂一乒乓球，让乒乓球在竖直面平面内摆动；[演示6]细线下悬挂一大木球，让大木球在竖直面平面内摆动.

4.运用理想化方法加工建构模型

运用理想化方法加工实际物体抽象成为物理模型时，谁是次要因素，谁是主导因素，忽略或摒弃谁，在教学设计时需要把对比条件具体化出来，在科学思维的水平层级来突出原型主导因素，在呈现的对比演示程序中突出主要矛盾.

[演示1]和[演示2]比较可知，为了简化研究问题，要求连接小球的细连接体质量m细比小球的质量m球小得多，条件要满足：m细<

[演示4]和[演示2]比较，目的是使研究对象由刚体变为质点，变多体为单体.

[演示2]和[演示3]比较可知，为了简化研究问题，要求连接小球的连接体伸长量Δl比连接体本身的长度l小得多，条件要满足：Δl<

[演示2]和[演示6]比较可知，为了简化研究问题，要求悬挂小球的半径r比细线本身的长度l小得多，条件要满足：r<

二、抽象思维指导下物理模型教学设计

科学思维是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程，抽象思维的特点是具有概括性、逻辑性、间接性，是抽取事物最本质的特性而形成概念，并运用概念模型进行推理、判断的思维活动.科学思维的发展是在掌握和运用知识技能的过程中才能完成的.指导模型建构教学设计中抽象思维和形象思维需要集体参与. 以下《简谐振动》教学设计片段.

1.从具象到抽象，定义振子的位移

[引导性提问] 在运动研究中我们首先要记录运动物体在不同时刻的具体位置，即运动物体的位移大小和方向.做来回往复运动的振子如何确定它的位移呢？

[引导对比 学生概括] 根据位移知识，先要明确振子的初始位置.对比不同位置的特征，平衡位置作为振子位移的初始位置O点，运动描述最简单.

2.概括实验记录，抽象弹簧振子运动模型

[提问归纳 枚举方法] 运动学的研究方法中有哪些记录运动物体在不同时刻的位移的实验方法和手段呢？

[实验记录的转换] 要正确认识概括抽象的不同要求，有些知识点属于“懂”的级别，有些知识点属于“会”的级别.概括连拍照片的实验记录虽然具有直观性，但如果缺乏实验抽象思维的指导，优选方案的环节也仅仅是学生感性化思维的表现，仅属于“懂”的级别，难以达到“会”的层次.

对比竖直振子离开静止位置时的位移x与直角坐标系纵坐标轴.按照记录的顺序，把照片连接成一长排集合，然后粘贴到黑板上.

3.创设论证环节，定性抽象运动模型特征

[问题提出] 观察照片水平的排列方向蕴涵时间的流逝，横坐标可以代表时间t轴.观察到弹簧振子的位移随时间在发生变化.弹簧振子的位移-时间图象是一条什么样的曲线呢？

[推理环节]学生1：位移-时间图象是几段直线相连.

学生2：位移-时间图象是几段曲线相连.

学生3：位移-时间图象是余弦(正弦)曲线.

[论证评价]假设学生1正确，图1的x-t图象表示振子是匀速直线往复运动，实验观察的结果振子是变速往复运动，学生1结论可以否定.

假设学生2正确，图2的x-t曲线图象，分析0～T/4过程中，曲线的斜率变小，速度变小，实验观察振子从最大位移向平衡位置运动过程中振子是加速运动的，学生2结论也可以否定.

假设学生3正确，图3的x-t曲线图象，与实验中振子的变速运动分析和连拍照片对比都很接近，是不是就是余弦(正弦)曲线还需要进一步的论证.

4.结合数理方法，抽象定量运动模型

[拟合验证] 运用特殊值来验证，科学实验的信度并不理想. 运用计算机的拟合计算来验证学生3的猜想，把测量数据进行拟合计算作出曲线.

由对弹簧振子运动的位移与时间的关系的研究，可以得出简谐振动的位移与时间的关系是一条正弦(余弦)曲线，它不是质点的轨迹，并由此定义简谐振动.

[再从抽象到具象]

[问题再提出]不光要让学生说得出，写得出，抽象得出x-t图象，还要能设计得出一种能连续描绘振动位移的实验装置，计录到弹簧振子的位移随-时间变化是一条正弦(余弦)曲线呢？

如何实现把不同时刻的位移分开来呢？

[体验 质疑] 互助合作模拟振动绘制振动图象.在学生调试中发现曲线不均匀，图形很不完美.进一步发现，时间的流逝是均匀的，拉动通过的距离与时间应成正比x=vt才能实现时空的等效转换.

三、演绎思维指导下物理模型教学设计

演绎思维方法的特点是以一般概念、原理为前提推导出个别结论的思维方法.演绎推理把最一般性作为逻辑出发点，按照事物本身的转化关系把事物联系完整地复制出来，使科学知识结合成一个严密的体系，显示出建构知识体系的强有力的功能.

教学实践表明，即使对于比较好的学生，新授课完成后基本处于“懂”，部分处于“会”的状态.科学思维水平也仅处于1，2级水平.原因是只经历新授课学习后的学生知识结构基本是“单一结构水平”，少数量好学生各知识点间会有一些联系，大多数学生的知识结构不会自动发展成内容丰富、关系清晰、功能强大的知识结构，需要科学思维指导下的复习课教学设计解决学生知识结构的优化问题. 选取器件模型“质谱仪模型的演化”复习课为例.

1.模型构建的程序性物理知识清晰了吗？

展示课本例题的情境，如何把各个知识点之间的联系清晰的联立起来呢？

2.模型构建条件变化了能理清共同点，区别点吗？

单个带电粒子经过电场加速，垂直磁场边界入射磁场，偏转的运动规律熟悉了，模型运用的背景知识清楚了.如果研究对象入射粒子从单一变为一丛，或电性变为不同，比荷也不相同，或入射点位置不同，入射速度大小和方向不同等模型构建的条件发生了变化.如何分类理清共同点，区别点呢？

3.模型构建从单一结构水平到多元、关联结构水平内化的途径搭建了吗？

高考最后一题往往是一个复杂的问题或过程，既要能够把它们分解开来，研究细节，发现隐含条件和变化特征，还要能够把它们联系起来，寻找相互之间存在的关系，从而解决问题，就要掌握应用模型的方法和策略，还需要通过训练加以内化.搭建从单一结构水平到多元、关联的结构水平的可攀登的思维台阶，这样的教学训练才能达到内化的目标.

(1) 特殊性当R=a时，圆心刚好在B点，与y轴交点C的纵坐标：y=R+Rsinθ.

如图5搭建“膨胀圆”的轨迹，即在同一磁场中旋转相等的时间，速度的方向始终平行.可以判断：所有离子旋转过150°相同圆心角.

当然从“懂”到“会”再到“熟”和“巧”并进一步内化，其中过程往往伴随着不断的试错，并且错误常常是十分顽固的，不能期望一次的订正就能一劳永逸解决问题，但是根据解决问题的需要建构恰当的物理模型的体验与经历，并由此获得正确的思维流程和领略规范要求，是物理学科核心素养提升的最好途径.有意识的运用科学思维来指导物理概念、物理规律、物理模型等的教与学，对于培养学生的科学思维能力，具有很重要的促进意义.