初中物理模型建构能力的培养

安小娜

摘   要：构建物理模型是研究物理规律和物理理论的基础。在模型构建过程中，教师可通过创造真实的教学情景，培养学生对问题的感知能力，将模型建构与学生的日常生活相结合，提取真实情境中的本质物理要素，将情景问题类比迁移为基础的物理模型。这样可将物理问题建构还原成熟悉的物理模型，促使学生对问题情境进行自主分析、深度分析，培养其物理模型建构能力。

关键词：初中物理;模型建构;科学思维;核心素养

中图分类号：G633.7    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2023）26-0040-04

《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确提出了“培养学生核心素养”“促进学生核心素养的发展”。物理学科核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是学生科学素养的重要构成，主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面，模型建构是科学思维的重要要素。物理学科核心素养的科学思维内容特别强调了学生要有建构物理模型的能力。所以，基于物理学科的核心素养，进行必要思维训练，培养学生的模型建构能力至关重要。

一、模型建构

物理学是自然科学领域研究物质的基本结构、相互作用和运动规律的一门基础学科。自然界中物质种类各式各样，物体的运动错综复杂，物体间的相互作用各不相同，每一个实际的物理问题都涉及几个甚至多个方面的因素。为了更形象真实地描述客观事物的属性、相互作用以及运动规律，科学家往往把研究的物理问题或物理过程及情境通过理想化、简化、类比等方法抽象处理为简單、直观、理想的物理模型，这个过程就是模型建构的过程。模型是一种对客观事物的本质特征和事物间的相互关系等的表征，建模是建构或修改模型的动态过程。所以为了充分认识物理现象的本质，我们需要在客观事实的基础上对研究的物理问题（物理对象、条件和过程等）进行一定的简化，忽略研究对象或过程的次要因素，抓住其本质特征，把复杂的研究对象或过程简化为较为理想化的模型，从而发现和表达物理规律。

二、对初中学生模型建构能力的要求

物理学中的很多概念和规律都是从实际生活情境中总结、简化、抽象出来的，初中物理教材中涉及到的物理模型有：平面镜、光线、凸透镜、匀速直线运动、连通器、杠杆、串并联电路、用电器、磁感线、点电荷、液柱、液片等。模型建构能力要求初中生“会用所学模型分析常见的物理问题”“体会利用模型分析和解决实际问题所带来的方便”“体会模型建构是科学思维的重要方法”。初中阶段学生的年龄处于13～15岁，思维处于由形象思维向抽象思维发展的阶段。初中物理课程中涉及到的物理模型大多数是从实践生活中抽象概括出来的，如果不注重模型建构能力的培养，不重视规律和结论的得出过程，就不能解决初中物理中较复杂的问题。学生要在实际问题的解决过程中具备一定建模意识，能通过观察分析主动地从物理情境中确定研究对象，在物理过程中提取描述问题的本质特征、找到问题中各要素之间的关系，在题目中挖掘隐藏条件，构建物理模型，应用、拓展相关的模型，从而提高模型建构能力。这样在模型建构过程以及基础模型拓展应用中，学生就能迅速地找到解决问题的方法，深刻理解物理规律并灵活运用物理规律解决问题，进而提升科学思维能力。

三、初中物理教学中培养学生模型构建能力的策略

学生解决物理问题的过程就是将研究对象的本质抽象地表现出来，把物体以及物体的运动过程构建成物理模型并应用模型解决问题的过程。初中生的物理模型建构意识和建构能力的培养是以实际问题和真实情境为基础，以学生为主体，拓展思维，促进学生核心素养的发展的过程。在教学过程中培养学生模型构建能力的策略有如下几种：

（一）重视对问题的感知能力，体会模型建构过程，提高模型建构的意识

初中生的思维能力发展处于从形象思维到抽象思维的转型阶段，对物理知识的学习是从问题感知开始的。在模型建构的过程中，教师为学生提供真实的情境，学生通过对真实的生活现象或实验现象的观察分析、感官体验和自我思考，发现、理解、抽象出问题的本质。

例如，在光学的教学中，教师要善于运用图片或实验引导学生认识光线这一物理模型，让学生体会光线并不是真实存在的，而是为了研究问题的方便，忽略次要因素抓住问题的本质而引入的抽象模型。初中物理教学中液片模型的建构过程在液体压强的推导公式、连通器以及测量大气压强中都有涉及。以连通器中液片模型的建构过程为例，教师应该引导学生思考什么条件下、根据什么原理、建构什么样的模型。在学生对问题的感知中，引导学生利用液体压强和二力平衡的知识分析连通器里的液体不流动时，各容器中液面的高度总是相同的原因。引导学生设想在连通器的底部有一个“薄液片”，当液体不流动时，分析它两侧受到的压力和压强的情况。在液体不流动时，“薄液片”处于平衡状态，两侧受到的压力相等，压强也相等，两侧的液面高度相同。如图1，设想连通器底部有一液片AB，当液体不流动时，液片AB处于静止，根据二力平衡，即F左=F右，进一步展开

P左·S左=P右·S右，又因为S左=S右，所以P左=P右，根据液体压强公式可得ρ左gh左=ρ右gh右，由于ρ左=ρ右，所以h左=h右，即液面高度相同。

在这个过程中学生能够感知液体处于平衡状态，在分析抽象的液面过程中学生能够体会液片模型的建构过程，意识到模型建构对解决问题的重要性，在解决新的物理问题时学生就能清晰地构建出符合条件的物理模型。

（二）恰当选择生活中的模型，掌握模型建构的方法，提升模型建构的能力

物理知识来源于生活，并应用于生活。初中物理贴近学生生活，在物理教学模型建构活动的开展过程中，教师应注重模型建构与学生的日常生活相结合，让学生体会到物理知识与生活紧密相连，在对生活中模型的实际操作中，理解模型建构的方法，用生活化的模型引导学生建立构建模型的思维，从而加强对物理知识的理解，促进学生思维的发展，拓展学生的思维能力。

例如，在杠杆模型的建构过程中教师可以多给学生准备一些器材，比如：羊角锤、钳子、剪刀、扳手等，引导学生根据定义对生活实物的分析，利用实物让学生体会在使用过程中这些工具是围绕哪个位置转动，即支点是哪儿;体会使用工具的过程中受到的阻力方向、动力方向、动力臂和阻力臂等;最后再由动力臂和阻力臂的大小关系判断省、费力情况。在分析生活实例的过程中，忽略支点的大小和动力及阻力的准确方向，突出支点的位置及力的大小关系判断。如图2，开瓶器可抽象为杠杆，动力是人的手对开瓶器施加的向上的力F1，阻力来源于瓶盖对开瓶器的弹力F2，支点就是开瓶器与瓶盖顶部接触的点O。在逐步的引导中学生建模的过程中让学生掌握了杠杆模型的建立方法，知道了如何建构一个简单的物理模型，提升了模型建构能力。

学生掌握了对杠杆模型的建构方法，对杠杆模型就有了清晰的认识，就可以将杠杆的定义迁移至更广泛的应用。以学生常用的燕尾夹为例，如图3，用力摁住A点可以打开该夹子，教师可以让学生在反复操作过程中找到支点O、动力作用点F1和阻力作用点F2。学生掌握了模型建构的方法，就能够迅速地分析构建出杠杆模型，拓展了其科学思维能力和模型建构能力。

（三）建构情境化物理模型，深化对模型建构的理解，培养学生建构模型解决实际问题的能力

在初中物理课堂教学中，教师要创设良好的教学情境，开展情境化的模型建构。在情境化模型建构过程中引导学生对模型进行思考，针对学生自己需要的内容进行模型建构，学生在模型建构的过程中找到存在的规律，从而将知识引申到固定的公式上，使得抽象的物理模型变得更为具体化、过程化、动态化。

如图4所示的是我国棉花收割机正在收割新疆棉花的场景，收割机的质量为10t，轮胎与地面的接触总面积为5m2，当棉花收割机在地面上行进工作时，收割机受到地面的阻力为收割机总重的0.1倍，求：当天收割完成后，棉花的质量为2t，此时收割机对地面的压强为多少？（铲斗不接触地面）

针对一个实际的生活、生产场景，教师需要要引导学生提取情境中的本质物理要素，忽略次要因素。比如，忽略收割机的形状和质量分布不均匀，忽略粮食在收割机上的位置，突出收割机和棉花总重力和面积的对应关系，建立起如图4所示的熟悉的立方块叠放模型，才容易找到压力和面积的对应关系。

学生把真实情境中的物理问题建构还原成熟悉的物理模型，对问题情境进行自主性的深度分析，再寻找对应的物理知识解决实际问题，深化对模型建构的理解，从而使其解决复杂问题的能力得到提升，建构模型解决实际问题的能力得以培养。

（四）科学运用类比迁移物理模型，拓展模型建构的应用，落实物理学科核心素养

物理模型的搭建不仅需要建构者对所学物理知识有深刻理解，还要求建构者能够在深刻理解掌握的基础上对相关知识进行迁移。针对物理综合题，教师引导学生类比迁移物理模型，不仅可以帮助学生梳理出清晰的解题思路，还能很好地培养学生的建模能力，落实物理学科核心素养。

如例题，小明利用电子秤、细线、盛有适量水的烧杯设计了如下实验（如图5所示）来判断一个手镯是不是纯银制品。（g取10N/kg）

实验步骤：

①首先利用电子秤测出手镯的质量m镯=0.018kg;

②然后将装有水的烧杯放在电子秤上，测量出此时水和烧杯的总质量m0=2.3kg;

③接着用细线吊住手镯，将其完全浸没在水中（手镯与烧杯底不接触），此时水和烧杯、手镯的总质量m1=2.302kg。

分析并计算手镯的密度是______kg/m3。

此题的目的是计算手镯的密度，需要知道手镯的质量和体积，学生能很轻松地从图中找到手镯的质量，但是没有清晰的思路計算出手镯的体积。我们可以用类比迁移物理模型的方式，结合学生学习固体压强时已经构建的基础模型，帮学生把控情景，梳理解题思路，进而拓展学生的模型建构应用。类比迁移的过程如下：

基础物理模型（如图6-1～图6-3），图6-1固体物体B静止在水平面时对地压力等于物体B的重力，图6-2物体A放到物体B上时增加的压力为物体A的重力，图6-3物体B对地增加的压力等于物体A对物体B的压力。依据基础物理模型，我们可以类比迁移到规则形状容器中的液体对容器底部的压力变化，从图6-4变化到图6-5再变化到图6-6，增大的压力都等于物体对液体的压力。在类比基础物理模型的前提下迁移、拓展，学生很容易从图6-7类比迁移到图6-8，增加的质量就是由于手镯对水的压力（与浮力互为相互作用力）产生的，从而得到排开水的质量，进而算出排开水的体积，即手镯的体积。在这个过程中通过类比迁移帮助学生克服模型建构的障碍，增强学生建构物理模型的能力。

在教学中构建物理模型，可以突出物理问题的主干，疏通学生的思路，使学生容易建立起清晰直观的物理情景，把问题化繁为简、化难为易。这样不仅能降低学习难度，增强学生学好物理的自信心，更重要的是建模思想对学生起到了潜移默化的影响。教师对模型建构教学方法的采用可以有效地培养学生思维能力和模型建构能力，促进学生物理水平的提高。模型建构的教学方法可以让学生能够在物理解题过程中有效地运用各种解题方法、联系有关的物理知识以及掌握将“变”转化成“不变”的规律，让学生对自己存在的问题进行分析，找出模型建构的因素和内容，巧妙地将模型建构生活化、情境化，同时让学生的物理学习过程变得更加生动有趣，从而加深学生对教材中各种公式、定理的理解，促进学生思维能力、综合水平的提高。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]廖伯琴.义务教育物理课程标准（2022年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2022.

[3]吕小强.建构物理模型以培养迁移和创新能力[J].广西教育，2019，（10）：138～139.