对高中物理新课标中模型建构的认识

肖磊 廖长山 张克彬

肖磊，河南大学卓越中学教师培养计划学术导师，教育学博士，博士生导师，副教授，河南大学首批“青年英才”，河南省高等学校青年骨干教师培养计划入选者，全国课程学术委员会常务理事、全国教学论专业委员会理事，河南大学教育科学学院教育学系主任。

主持人：《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》明确了物理学科核心素养的具体内容，科学思维是物理学科核心素养的一个重要方面，而模型建构又是科学思维的要素之一。那么，我们应如何看待模型建构？

廖长山（河南大学卓越教师班）：模型建构作为一种认识物质及其运动的手段和思维方式，是学习主体对研究的具体问题和真实情境进行客观分析之后，在抽象和概括的基础上构建能够反映事物物理特征和相同物理属性且方便研究的理想模型、理想实验、理想过程和物理概念的过程。模型建构是物理学科核心素养的重要组成部分，它与科学推理、科学论证和质疑创新等构成了科学思维。

模型建构对学生发展能够起到促进作用，其主要表现在：第一，有助于学生在问题情境中抓住事物的关键要素。模型建构的第一步就需要学生能够在具体的问题情境中分清楚事物的主要因素和次要因素，如果颠倒了主次，模型建构就无从谈起。学生经过亲身建构物理模型，在面对复杂问题时，就能准确找到关键要素，为问题解决奠定基础。

第二，有助于学生加深对物理概念、物理过程和物理系统的理解。物理模型有不同的种类，如物质模型、过程模型等，模型建构很好地诠释了物质及其运动背后的本质。通过亲身建构物理模型，学生对于物理概念、物理过程等将会有更加深刻的认识。

第三，有助于学生形成系统思维。模型建构是一个系统化的过程，需要经历抽象、形成、应用、再构等环节。学生具备了模型建构的能力，也就形成了严谨而又系统的逻辑思维。如果将模型建构比作一棵树，那么抓住事物的关键要素就是树根，物理概念、物理过程等方面的深度学习就是树干和树枝，系统思维的形成便是果实。

主持人：模型建构是物理学科核心素养中的重要内容，需要借助特定的内容载体——物理模型方能形成。那么，新课程标准中渗透的物理模型有哪些，能否举例说明？

廖长山（河南大学卓越教师班）：新课程标准中渗透的物理模型主要有物质模型、过程模型、条件模型、相互作用模型等。

第一，物质模型。物质模型是根据研究的问题或情境，抓住事物的主要因素，忽略次要因素，并对事物的主要因素进行抽象与概括后最终所形成的模型，如质点、点电荷、纯电阻等。其中，质点模型是学生在高中物理学习中所接触到的第一个模型。学生建立质点模型时，需要充分分析研究的问题或情境，然后明确地分辨出主要因素和次要因素，最终建立适合研究的质点模型。构建质点模型可以培养学生发现问题和分析问题的能力，使学生透过事物的表象分析本质，然后抓住主要因素，结合研究的需要，对物体的特征进行抽象与概括。

第二，过程模型。过程模型是为了研究物体的复杂运动过程，建立在物体运动的基础上，根据研究对象的属性和需要，将运动过程中的主要因素保留，忽略次要因素，简化研究问题，揭示事物本质的理想过程，如平抛运动、匀速直线运动、牛顿第二定律等。过程模型的建立较为复杂，以平抛运动为例来说，学生在构建平抛运动的过程模型中，首先要借助于质点模型进行科学推理，将平抛运动轨迹分为水平方向上的匀速直线运动和竖直方向上的自由落体运动。建立平抛运動模型过程中，至少运用到了质点、匀速直线运动、自由落体运动三个模型，这可以提高学生科学推理和综合应用模型的能力。

第三，条件模型。条件模型是将研究对象的外部条件进行理想化处理后建构的完美模型，如匀强磁场、光滑平面、恒定电流等。在此，以匀强磁场模型建构为例进行说明——匀强磁场在实际的生活中并不存在，蹄形磁铁和通电螺线管中的磁场均不是匀强磁场，但为了方便物理问题的研究，便将其理想化为匀强磁场。匀强磁场的建立，为学生下一步的科学推理奠定了基础，如推导导体在匀强磁场中切割磁感线所产生的感应电动势的规律、带电粒子在匀强磁场中的运动规律等。匀强磁场条件模型的建立，可使学生掌握研究物质及其运动的基本思路和方法，在面对复杂的物理情境时，知道怎样对研究对象的外部条件进行理想化处理。

第四，相互作用模型。相互作用模型是为了更好地对物体间的关系进行定性与定量描述，而将系统与外界的相互作用变量表示为系统的状态变量函数，如万有引力、重力、安培力等。比如，万有引力是描述物体相互作用的概念，而表征万有引力的公式给出了物体的质量以及物体之间的距离与万有引力的定量关系。万有引力模型的建立，使学生对于物质运动的相互作用规律有了清晰的认识，可以解释为什么地球围绕太阳做圆周运动等现象，有助于学生夯实物理基础知识，提升科学思维能力。

主持人：培养学生的模型建构能力是物理课程教学的重要目标，那么，在具体的教学实践中，如何引导学生进行模型建构呢？

张克彬（河南大学卓越教师班）：在物理教学过程中，如何引导学生理解物理模型的本质，并恰当选用物理模型，或将复杂问题转化成物理模型，这是教师需重点关注的问题。一般而言，物理模型建构需要经历抽象、形成、应用、再构等阶段。

第一，在抽象阶段，主要是根据研究问题确定主要因素与次要因素，进而围绕主要因素，忽略次要因素，抽象出研究对象的本质特征。需要注意的是，对同一研究对象，当研究问题改变后，主要因素与次要因素也会随之改变，其特征也有所差别。例如，在火车过桥情境中，当车长远小于桥长时，因火车的长度、形状为次要因素可忽略，可抓住火车的质量这个主要因素将其抽象成质点;当车长大于或近似于桥长时，火车的长度和形状为主要因素不可忽略，那么火车不能抽象成质点。

第二，在形成阶段，主要是根据抽象出的特征建构合适的物理模型以表征研究对象。理想化和类比法是形成模型的重要方式。其中，理想化是将主要因素理想化建构出模型。例如，建构理想气体等压过程，即将气体变化过程所处的环境进行理想化。类比法是通过已知情境与未知情境的类比，建构出未知情境的模型。例如，运动的合成与分解模块中“小船渡河”模型的形成便是基于已知的原始物理模型。物理学史上经典的模型建构过程为我们形成物理模型提供了典范，教师需深刻剖析经典建模过程，带领学生亲身体验建模过程，体会其中的物理方法和思想，从而提升学生的模型建构能力。

第三，在应用阶段，主要是根据建构的物理模型或其变式寻求解决问题的路径。模型的变式即围绕某一模型从不同角度拓展或融合其他模型，从而衍生出新的模型，运用模型变式解决问题更有助于知识系统化。在此阶段，教师应密切联系生活情境，引导学生善用所学知识解决实际问题，同时加强学生抽象本质特征形成物理模型的能力。例如，万有引力模型融合圆周运动模型又可衍生出多星系统模型。在教学中，教师可编制由不同水平题目组成的题组，将学生分析、解答问题的过程上升为抽象、形成及应用模型的过程。

第四，在再构阶段，主要是教师根据学生应用物理模型的水平确定是否需要再构。如果学生能够顺利将复杂问题转化为物理模型，即说明其具备模型建构能力，否则需要再次建构。在此阶段，侧重点不在于引导学生重新建构模型，而是要针对学生在建构模型过程中出现的问题对症下药。要针对的问题包括：在抽象阶段，主要因素与次要因素的分析是否得当、是否忽略模型建构的前提条件等;在形成阶段，物理情境是否过于理想化而脱离实际、对经典模型建构过程的理解是否透彻等;在应用阶段，是否能运用建构的模型解决问题等。