基于物理建模能力的科学思维培养研究

檀辰馨

（南京航空航天大学附属高级中学，江苏 南京 210007）

在教学实践中，常常有学生反映“课堂听讲一听就懂、课后做题一筹莫展”的情况。出现这一问题的主要原因在于学生缺少建模能力，导致其无法将题目信息与所学知识联系起来。因此，在平时的教学中，教师要有意识地培养学生的建模能力，重视科学思维的培育，促进学生核心素养的提升。

一、建模教学实施策略

儿童认知发展理论认为，认知的发展是在已有认知结构的基础上，通过对外部的同化或顺应，实现对原有知识的图式扩充或改变，以及对外部知识的自主构建。因此，建模教学必须基于学生原有的认知基础，充分发挥学生的个体主动性，让学生经历模型构建全过程，重塑原有认知结构，实现科学思维的跨越式发展。

在学生心智模型发展理论中，儿童心智模型主要分为三类：初始心智模型（Initial Models）、综合心智模型（Synthetic Medels）和科学心智模型（Scientific Models）。初始心智模型中，学生的知识要素呈碎片状，各知识要素之间不能围绕核心要素建立起联系，此时学生的思维主要表现为经验思维和迷思概念；综合心智模型中，学生的知识要素之间能够建立起一定联系，但是存在错误或缺失，或知识要素之间存在错误关联，此时学生已经具有了一定的科学思维基础；科学心智模型则是指学生能围绕核心概念建立起知识要素之间的正确联系，排除无关要素，使自我认知与客观情况达成一致，初步确立了科学思维的标准。

初始心智模型是学生科学思维发展的起点，教师在课堂中要做的就是引导学生围绕核心概念在知识要素之间建立联系，不断修正和完善心智模型，逐渐向科学心智模型进化。基于学生心智模型进阶的脉络，建模教学可以分为以下三个步骤：（1）模型表征与构建。对于新概念或新情境，学生仅有一些生活经验，能够联想到若干关联概念，但各认知要素仍处于零碎、混乱的状态，认知处于初始心智模型阶段。为了帮助学生理解核心要素，发掘核心要素与其他要素之间的关联，激发学生主动构建模型的潜能，教师可以采用多重表征来构建初始模型，即对同一对象采用多种形式进行描述和表达。另外，为了帮助学生理解情境，教师还可以通过演示实验、提出真实问题等方式构建生活化、形象化、具体化的学习情境，引导学生探究模型中各相关要素之间的关系，达到初步构建物理模型的目标。（2）模型分析与修正。教师应引导学生对初始物理模型进行分析、检验，以评估初始物理模型的不足与可能存在的错误，可以采用的方式包括实验验证、现象解释、逻辑分析等。当出现初始物理模型数据与实验结果不符的情况时，会引发学生的认知冲突，此时学生进行主动反思、反复修正，逐渐实现向科学心智模型的进阶，以此实现原有认知结构的更新。（3）模型应用与拓展。经过多次修正后，学生基本完成了科学物理模型的构建。此时，教师可以为学生创设全新的情境，让学生用已建立的物理模型分析并解决问题。之后，引导学生在新建立的物理模型和原有物理模型之间建立联系，实现认知的同化和迁移，从而逐渐构建起物理学科的整体模型结构，达到提升学生科学思维能力的目标。

二、建模教学的应用实践

以“电场概念模型的构建”为例，学生对这一抽象模型存在理解困难，因此无法完成知识的自主构建。若教师一味地讲授，不引导学生进行自主构建，则其很难实现心智模型的进阶，自然也就不能真正理解、掌握知识。

通过前期学习，学生已经有了初步的知识储备，能理解基本的受力模型和运动模型。因此，教师在教学设计时应引导学生从已有认知出发，通过类比、寻找、联系等方法，自主构建新的电场概念模型。学生对模型的构建必须基于对真实情境的认知，否则就失去了立足点。在教学中，首先教师可以让学生观察演示实验，类比重力场模型，选择电场产生的初始模型。然后创设教学情境，让学生通过多重表征获得感官体验，从多个角度发掘与电场模型可能相关的物理要素，并思考它们之间的关系，构建出初步的电场模型。学生很可能会根据观察到的实验现象，直接将电场模型与受力模型画上等号，认为可以用静电力的大小来描述电场的强弱。这说明了其心智模型中存在要素错误、要素关系错误等问题。此时，教师应通过演示实验，抛出矛盾点以引发认知冲突：如果电场模型只与受力相关，那么为什么某一点的电场没有发生变化而小球的受力却发生了变化呢？这时，学生会发现用初始模型是无法解释这一现象的，从而主动反思、修正初始模型，形成科学的电场模型，并拓展已建立的电场模型，将其迁移、应用到不同的外部条件中。

在上述的教学设计中，教师通过引导学生经历完整的物理模型构建过程，促使学生的认知图式发展、心智模型逐级进阶。学生在此过程中体验了建模过程、掌握了建模方法、获得了建模能力，实现了核心素养的提升。

三、建模教学的效果评价

为了评价本次建模教学的效果，教师可通过反馈练习对学生进行半定量测试。以笔者所在学校为例，高中某年级共有4个班级，每个班级的学生数为43人。将这4个班级分别编为A班、B班、C班和D班，其中A班和B班为同层次班级（标记为层次1），C班和D班为同层次班级（标记为层次2），层次1班级学生的学习基础高于层次2班级。4个班级由笔者和另一位相同教龄的物理教师共同执教，其中笔者（标记为教师甲）执教A、C班，另一位物理教师（标记为教师乙）执教B、D班。

两名执教教师分别在A班和D班进行建模教学（A班、D班为实验组），在B班和C班进行常规教学（B班、C班为对照组）。在完成教学后，两名教师给学生布置相关习题，习题涉及“电场概念”“电场强度概念”“几种典型的电场”3个知识点，每个知识点2道习题。测试结果显示：（1）在两个层次的组别里，实验组的正答率都高于对照组。由此可见，建模教学对学生理解知识点有促进作用。（2）层次1班级中实验组和对照组之间的差距明显小于层次2班级。这说明建模教学对学习基础比较薄弱的学生影响更大，笔者认为这是因为层次1班级学生的学习基础本来就比较好，其自主构建模型的能力也较强，但层次2班级学生自主构建模型的能力较弱，因此通过建模教学可以帮助他们更容易理解核心概念，学习效果的提升幅度更大。（3）在同一层次组，对于不同难度的测试题，层次1班级和层次2班级的数据差异也有所不同：对于较简单的题目，正答率差别不大，但对于有一定难度的题目，层次1班级的正答率明显高于层次2班级。

基于上述结果，可以初步得出以下结论：（1）建模教学对学生构建模型、理解概念有积极影响；（2）建模教学对学习基础较弱的学生帮助更大；（3）建模教学对促进学生深入理解核心概念、突破教学难点有积极作用。

模型构建是解决物理问题的第一步，在建模教学中，教师除了要积极引导，还要注意两点：第一，确保学生深度参与。学生自主构建是提升其建模能力的重要前提。因此，在模型构建环节，要贯彻“学生为主体、教师为主导”的原则，让学生深度参与、主动构建。第二，重视思维阶梯的搭建。提升学生的建模能力不可能一蹴而就，教师在教学中要循序渐进，从简单的物理模型开始，有意识地通过真实生活情境培养学生的建模能力，给学生搭建适度的思维阶梯，为他们的自主学习提供适当的落脚点，从而助推其思维进阶。