基于核心素养培养学生模型建构能力的实践研究

蔡福珍

摘   要：随着新课程标准的实施，教师在教学过程中创设情境，引导学生建构物理模型，是促进学生科学思维发展的有效方式之一。如何开展模型教学，要以当前的教学现状作为基础进行分析，寻找开展模型教学的有效方式。

关键词：创设情境;模型建构;科学思维;能力培养

当前，中学物理教学改革指向学生高阶思维的发展，指向学科核心素养的培育，指向了课程综合育人的目标。新高考评价体系下，通过情境化试题考查学生知识、能力、素养也成为高考物理试题命题的趋势。无论是从教学改革的方向还是新高考的评价，启示是：在教学过程中要教会学生用物理知识和物理思维方法，将情境问题转化为非情境问题，并建构相应的模型解决实际问题。本文以鲁科版必修一“自由落体运动”为例，深入分析了模型建构能力的培养及具体的措施，以期实现物理教学与新课标理念的对接。

1  模型建构在新课标中的教学要求与传统教学中的区别

在过去的教学中，教师也很重视物理模型教学。那么模型建构在新课标中的教学要求与传统教学有什么区别？

2003年版《普通高中物理课程标准》对模型建构的要求是：认识物理模型在物理学发展中的作用。这其实是让学生知道有哪些重要的物理模型，然后直接用这些模型去解决物理问题。这就造成了学生学习模型建构后，能解决的问题大多是理想模型，它是對模型的直接应用，显然不利于学生解决真实情境中的问题。 2017 年版《普通高中物理课程标准》对其提出新要求：具有构建模型的意识和能力[ 1 ]。这要求在一个真实情境，学生先要意识到须将一个真实情境处理成一个物理模型，然后还要知道怎么建构一个合理、科学的物理模型。显然这样的要求一定是伴随着一个真实的情境或者一个真实问题而产生的。

2  培养学生建构物理模型的教学策略

2.1  创设适切的情境

教师日常开展物理模型教学具体的教学指导：教学中要结合学生的生活经验，联系生产科技发展，从多个角度创设情境，提出物理学有关的问题，引导学生进一步讨论，让学生体会建构物理模型的必要性和方法[ 2 ]。可见，培养学生模型建构意识与能力，创设适切的情境是必然的一条路径。

情境要围绕教学活动的目的，贴近学生生活，符合学生学习基础，去繁存简，利于学生基于情境运用一定的科学思维方法展开思维分析活动。可以先从研究生活中的落体运动入手再进一步建立自由落体模型。因为从实际情境到模型建立需要一定的逻辑层次。教师可以通过图片方式提供4个学生常见的情境如蹦极运动员的下落（绳子未拉直绷紧阶段）、随风飘落的树叶、空中下落的跳伞人员（伞已展开）、高空下落的雨滴。

这四个情境的图片画面简洁，研究对象突出，同时下落受到的外界影响又都不大相同，又都是学生所熟悉的，非常利于学生就此展开讨论，而又不会受到其它无关因素的干扰。学生经历分析探讨的过程比较容易将解决问题的路径指向受力分析。通过受力分析学生能自行分析并总结出四个情境均受到重力和阻力这两个共同的特征，从而进一步将思维活动引向下一个关键性问题。可见，教师创设的4个情境正是适合模型建构的适切情境，正因为情境适切，才能导向清晰，才能帮助学生发展思维建构模型。

2.2  以情境为载体，设计与物理学有关的有逻辑层次的问题链或活动

在具体情境中设计与物理学有关的有逻辑层次的系列子问题或活动。学生通过解决这些相互关联的子问题经历模型建构的思维活动过程，从而体会和学习模型建构的方法。也就是说以情境为载体，通过问题引领，活动设计从而经历模型建构的过程，提高模型建构的能力。

在提供四个情境后，教师提出问题①：现在哪个物体的运动最简单？通过这个问题的引领，学生在分析讨论后容易据已有知识得到蹦极运动员与水滴的下落的运动比较简单。从而找到影响落体运动的两个相关因素——重力和阻力。进一步提出问题②：这两个因素是如何影响物体下落的？进一步引导学生当研究一个问题与两个要素的关系时可通过控制变量法进行定量研究。确定了实验方法，接下来教师就可引导学生创设相应的活动进行探究，如活动一：学生用质量相同的纸片与纸团等高同时静止释放，比较二者下落的快慢。活动二：学生用质量不同的纸片，但形状相同，等高同时释放。活动三：抽去空气的牛顿管，观察到的现象是羽毛与铁片几乎同时落到管底。为了让问题更突出，可逐步再放入空气，可观察到当玻璃管内空气越多，羽毛下落得越慢。通过实验的对比，学生易感知到下落得快慢不同是空气阻力引起的。在此基础上可进一步提出问题③：若完全排除空气阻力，轻重不同的物体下落情况是否一样？教师最后再提供视频进行验证——高真空实验环境下的羽毛与球下落快慢完全一样，最终得到自由落体运动的模型。

教师从纸片——纸团——牛顿管——高真空实验环境下的羽毛与球的下落，已从实际生活过渡到实验环境，让学生体会空气阻力彻底去除并不符合实际情况，从而理解自由落体运动是一个理想模型。可见，适切的情境并不完全是实际的情境也包括半理想甚至是理想化的实验情境。关键是这些情境之间能符合逻辑的逐渐过渡，符合学生的认知发展。

2.3  通过原始问题解决提升学生的建模能力

学生不仅要学习模型建构的方法，更要通过建构模型去解决实际问题，模型建构能力才能真正得到提升。所以还要设计实际问题情境去训练学生。比如在自由落体运动模型已经建构后，可创设情境化的问题：雨滴如何从云层下落到地面？这个问题对学生来讲是有一定难度的。学生首先会将情境与已有的自由落体模型关联。由于雨滴会受到空气阻力，阻力相比重力是否可忽略不计是个难点。教师可补充现实中空气阻力与下落速度的关系，告知学生下落的初阶段，雨滴速度小，阻力小，当速度越大时，阻力也随之增大，通过受力分析将情境化的问题“雨滴怎么落？”转化为非情境化的问题：开始是自由落体运动吗？最终是匀速直线运动吗？从而将复杂问题简单化，简单问题模型化，将实际情境展开成可以研究的子问题。

2.4  教材深加工，挖掘其中物理模型

高中物理教材的内容涵盖了学生高中阶段所学的物理知识，并且大部分的内容都是以物理模型为基础向学生传递物理知识和规律。但是教材内容的编排是按整个知识的逻辑体系进行编排的，所以物理模型便较为零散地镶嵌在教材内容中。开展模型教学首先需要对教材深加工，以单元架构的视角，创设丰富的适切的情境，对模型及建模过程进行教学设计[ 3 ]。通过物理模型的建构和应用，学生能透过实际现象感悟背后所蕴含的物理规律，思维得到发展，素养进一步提升。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017 年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 任佩璐，张兵荣.2003版与2017版物理课程标准中物理模型及建模的比较研究[J].物理教师，2021，42（3）.

[3] 房金萍. 建构物理模型在高中物理教学中的实践研究[D].长春：东北师范大学，2011.