前言
??江秀梅，劉大明.基于學科核心素養(yǎng)的高中物理模型教學策略【J】.新課程評論，2020（04）：84—91
摘要: 核心素養(yǎng)指引下的《普通高中物理課程標準(2017年版)》把“物理模型”素養(yǎng)要素的重要性提高到了一個新高度。高中物理課堂教學專門提出物理模型教學主題有利于落實課程目標，并促進學科核心素養(yǎng)的最終養(yǎng)成。文章分析了物理模型對于落實高中物理課程標準的重要性，并從認知策略、顯化策略和運用策略三個方面闡述應(yīng)該如何進行物理模型教學才能提升高中物理模型教學水平，最終實現(xiàn)指向?qū)W科核心素養(yǎng)的課程目標。
關(guān)鍵詞: 物理模型;學科核心素養(yǎng);課程標準;質(zhì)點模型
一、提出問題
“物理學科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與責任?？茖W思維是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式;是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概況過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領(lǐng)域的具體運用;是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格?！保?］從上述表述中不難判斷:模型建構(gòu)是科學思維中的核心要素，因為在模型建構(gòu)的過程中需要科學推理和科學論證等要素的參與，建構(gòu)模型后還需要針對實際問題進行反饋性批判，這又需要質(zhì)疑與創(chuàng)
新的態(tài)度及能力。
雖然模型建構(gòu)明確歸為科學思維素養(yǎng)要素，但在落實其他學科核心素養(yǎng)目標時也必不可少。法國科學方法論學者阿雷說:“科學的基本活動就是探索和制定模型。”可見，建構(gòu)模型是科學探究的重要內(nèi)容和歸宿，落實科學探究素養(yǎng)教學必須以物理模型教學為載體。高中物理新教材主編彭前程教授指出，“教學中只有在概念、規(guī)律教學的基礎(chǔ)上有意識地將其中的觀念歸納、提煉出來，才能使物理觀念的學習扎扎實實地落到實處”［2］。趙凱華教授在新的物理教科書中撰文指出，“物理學的一般探索過程是通過觀察和實驗積累經(jīng)驗，在經(jīng)驗事實的基礎(chǔ)上建立物理模型，提出簡潔的物理
規(guī)律，用它們?nèi)ヮA(yù)言未知現(xiàn)象，再用新的實驗去檢驗這些物理模型和物理規(guī)律，去否定或進一步修正它們”。由此可見，在注重科學知識生成過程教學中，建構(gòu)物理模型是前提性教學環(huán)節(jié)。堅持“在經(jīng)驗事實的基礎(chǔ)上建立物理模型”和用新的實驗去檢驗、否定或修正物理模型的科學研究原則，這本身就是一種科學態(tài)度的體現(xiàn)。
綜上分析，高中階段進行物理模型教學是落實物理學科核心素養(yǎng)的應(yīng)然要求。從《普通高中物理課程標準(2017年版)》(下文簡稱《課程標準》)就物理模型一詞提及的頻次和有關(guān)表述中亦能發(fā)現(xiàn):物理模型是一個熱點詞匯，《課程標準》將物理模型的地位提升到了
一個新高度?？梢匀缡钦f，在高中物理課堂教學中明確和突出物理模型教學是落實物理學科核心素養(yǎng)的必然要求，是遵照課程標準達成課程目標的教學使命。那么，如何在高中物理課堂教學中進行物理模型教學?怎樣的物理模型教學更有利于達成物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標?
二、物理模型教學策略
物理模型是一種理想化的思維模型，師生就物理模型的認識、理解、運用等方面存在嚴重不足，基于此提出以下三個方面的教學策略。
(一)認知策略:提升物理模型認識水平是前提
現(xiàn)行教材和教學就物理模型教學方面存在顯性化水平不高，認知水平不足的教學現(xiàn)狀;而且從心理、教學、應(yīng)試方面都導(dǎo)致了不少建模思維障礙［3］。中學物理教師首先要提升物理模型思維意識水平，才能引導(dǎo)學生培養(yǎng)物理模型思維意識，以下四個方面值得特別強調(diào)。
1.認識物理模型的普遍性
不少學生僅僅知道質(zhì)點、點電荷為物理模型，甚至不少教師也未能認識到物理模型的普遍性。事實上，物理模型可分為幾種類別:(1)對象模型:質(zhì)點、點電荷、輕彈簧、輕桿、輕繩、剛體、理想氣體等;(2)過程模型:勻速直線
運動、勻變速直線運動、平拋運動、勻速圓周運動、彈性碰撞、簡諧運動、理想氣體狀態(tài)變化等;(3)結(jié)構(gòu)模型:原子核式結(jié)構(gòu)模型、固體、液體、氣體、絕緣體、導(dǎo)體等;(4)模擬模型:電場線、磁場線、光線等;(5)條件模型:勻強電場、勻強磁場、真空等。從某種意義上說，物理學是物理模型的集合部。
2.理解物理模型的必要性
物理模型雖然是簡化的、理想化的思維產(chǎn)物，但卻更容易推進對真理的認識，從而更好地認識原型的本質(zhì)特征。
例如，一塊金屬導(dǎo)體有很多特征屬性，諸如大小、形狀、體積、質(zhì)量、溫度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等等。只有選擇關(guān)注體積、質(zhì)量兩個屬性，而忽略其他屬性，才能得出密度這一固有屬性;選擇了溫度、導(dǎo)熱屬性，才能得出比熱容固有屬性;關(guān)注導(dǎo)電時的電流、電壓，才能得出電阻固有屬性及發(fā)現(xiàn)歐姆定律;進一步關(guān)
注電阻、長度、橫截面積等屬性，才能得出電阻率固有屬性及發(fā)現(xiàn)電阻定律。
3.明確物理模型的思維內(nèi)核
物理模型的思維內(nèi)核就是舍去次要因素，突出主要因素，使得原型或?qū)嶋H問題純凈化、簡單化、理想化，便于開展更嚴密的數(shù)學邏輯猜想、推理和判斷，最終有利于問題的有效解決。原物是否可以理解為某種模型，一定要認識到一核兩面:一核，就是要把握所研究問題
的本質(zhì)特征。兩面，就是指忽略了哪些因素，突出了哪些因素，忽略的因素對所研究問題沒有影響或影響很小，不是所研究問題的本質(zhì)屬性;突出的因素對所研究問題有影響，是所研究問題的本質(zhì)屬性。所以進行物理模型教學時務(wù)必引導(dǎo)學生明白:忽略了什么?突出了什么?如此處理解決了什么問題?不這樣學中，突出思維過程是關(guān)鍵。物理模型教學策略均源自模型思維特點，下文還將詳細論述。
4.體會物理模型的發(fā)展性
從某種意義上說，物理學的發(fā)展過程是一個不斷建立模型、運用模型和修正模型的過程。例如，人們對宇宙的認識，從天圓地方說到地心說、日心說再到宇宙膨脹說，正是宇宙模型的發(fā)展過程。如是例子，在物理學中還有很多。再例如，人們對原子結(jié)構(gòu)的認識，經(jīng)歷
了一個漫長過程，從第一個具有科學形態(tài)的實體結(jié)構(gòu)模型，到棗糕模型、核式結(jié)構(gòu)模型、波爾模型以及量子模型，都以經(jīng)驗事實和新實驗事實為依據(jù)對已有模型進行修正而提出。在教學中，務(wù)必呈現(xiàn)實驗事實并強調(diào)模型建構(gòu)中必須以事實為依據(jù);還得提示學生，認識或評價物理模型時不要簡單地用“對”與“錯”來評判，而要關(guān)注每一種模型的適用條件，即突出了什么因素，忽略了(或還未關(guān)注到)什么因素。
認識和理解到物理模型在物理學發(fā)展中的普遍性和必要性，有利于克服思維障礙，提升運用物理模型解決問題的意識;明確物理模型的思維內(nèi)核，有利于掌握思維方法，提高運用物理模型解決實際問題的能力;體會物理模型的發(fā)展性，有利于培養(yǎng)思維靈活性，能夠具
體問題具體分析，靈活構(gòu)建不同物理模型解決不同問題。也即，運用物理模型發(fā)展物理觀念而不至于僵化;運用物理模型提高科學思維水平而不至于片面;運用物理模型培養(yǎng)科學探究能力而不至于刻板;運用物理模型樹立科學態(tài)度與責任而不至于虛幻。
(二)顯化策略:呈現(xiàn)物理模型思維過程是關(guān)鍵
長期以來，關(guān)于科學方法教育問題一直存在“隱性教育”和“顯性教育”之爭。其中，科學方法隱性滲透教學的思想一度占據(jù)上峰，成為教材編寫和一線教學的權(quán)威性指導(dǎo)思想。教學實踐表明，這種教學思想不利于科學方法教育，阻礙了學生思維能力的提高。這里舉兩個教學實例:筆者曾問即將高中畢業(yè)的學生，“你們學習了哪些物理模型?”絕大多數(shù)學生僅僅能答出質(zhì)點和點電荷兩種模型。更值得反思的例子是，師生就“為什么帶電微觀粒子在電磁場中，可以忽略重力作用卻不能忽略質(zhì)量的影響”思考題的思考十分膚淺，甚至疑惑不解。
兩個例子說明，學生就物理模型只停留于記憶層面(以至于說死記硬背也不為過)，幾乎沒有形成必要的思維意識和能力，更遑論運用模型思維解決實際問題了。
歷經(jīng)張憲魁、邢紅軍等堅持科學方法顯性教育學者的努力，顯性教育思想已經(jīng)初露端倪，在新教材編寫中有了重大體現(xiàn)。盡管如此，依然存在“形顯神不顯”的嫌疑，即只在科學方法名稱上著筆，并沒有就科學方法在運用中的思物理模型思維的核心是忽略次要因素突出主要因素，那么在進行物理模型教學時，應(yīng)當明確哪些是主要因素哪些是次要因素，還要知道其原因。建構(gòu)物理模型是為了更好地解決實際問題，所以還要知道如此構(gòu)建模型還有什么好處，有什么限制性條件。只有通過顯化物理模型思維過程，才能展現(xiàn)建構(gòu)模型的教學價值。
例如，基于物理模型建構(gòu)教學下的理想變壓器教學設(shè)計流程為:介紹變壓器結(jié)構(gòu)，演示對比實驗(實驗組:原線圈接交流電源;對照組:原線圈接直流電源)→觀察實驗現(xiàn)象，討論變壓器工作原理→引導(dǎo)提出問題(例如電壓關(guān)系
跟什么因素有關(guān))，實驗探究定量結(jié)論→
對實驗評估交流，結(jié)合更多經(jīng)驗事實(教師提供，如果條件允許還可以實驗呈現(xiàn))建構(gòu)理想變壓器模型(突出了什么因素，忽略了什么因素，即明確理想化條件)→根據(jù)理想變壓器模型進一步推導(dǎo)其他規(guī)律(例如電流關(guān)系，若班級整體素質(zhì)較高，可以進一步拓展到多副線
圈變壓器，“串聯(lián)”變壓器的有關(guān)規(guī)律推導(dǎo))。
在實際教學時，教師需要注意理想變壓器模型的建構(gòu)應(yīng)基于實驗經(jīng)驗之上，并綜合教師提供的更多事實，經(jīng)歷忽略次要因素，突出主要因素的思維過程，如此才能真切地培養(yǎng)模型建構(gòu)思維能力;建立理想模型后再推導(dǎo)有價值的物理規(guī)律，如此能夠體會理想模型的理論與實踐意義，提升運用物理模型解決問題的能力。
(三)運用策略:建構(gòu)模型解決原始問題是核心
核心素養(yǎng)是指學生應(yīng)該具備的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學生接受學校教育后最終應(yīng)達到的發(fā)展目標;學科核心素養(yǎng)是核心素養(yǎng)在特定學科的具體化，是學生學習一門學科之后所形成的，具有學科特點的成就(包括必備品格和關(guān)鍵能
力)。［5］由此可見，指向核心素養(yǎng)的課堂
教學目標就是要培養(yǎng)能夠解決實際問題的必備品格和關(guān)鍵能力?；趯W科核心素養(yǎng)的物理模型教學最終要落實到運用物理模型解決實際問題上來，唯有如此才能真正地提高物理模型思維能力。正如前文提出，物理學幾乎可以說是物理模型的俱樂部。高中中后階段的物理課
堂教學，課程內(nèi)容應(yīng)以“原始問題”的形式呈現(xiàn)，引領(lǐng)學生自主建構(gòu)模型解決原始問題。特別是，在教學評價或試題命制中，需要設(shè)置適量的原始物理問題，以此構(gòu)建指向核心素養(yǎng)的評價體系。下面以一個原始問題教學案例為例。
在上面的解題過程中，把地球看成一個帶電的導(dǎo)體球，忽略地球的外表形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等次要因素，突出了帶電主要因素，而且簡化為完美球形，有利于進一步科學推理以達到最終解決問題的目的。值得指出的是，原始物理問題不一定完全符合客觀實際，就此建構(gòu)物理模型并推理所得結(jié)論也不一定與客觀實際完美吻合，從考核評價而言，這并不會影響學科教學目標的達成;從學術(shù)研究視角而言，這正是學術(shù)交流、實踐探索、科學進步的發(fā)展空間。
物理模型教學如同一個撬動地球的支點，能夠撬動包括科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新，問題、證據(jù)、解釋、交流，科學本質(zhì)、科學態(tài)度、科學責任，物質(zhì)觀、運動觀、相互作用觀、能量觀整個學科核心素養(yǎng)球的運轉(zhuǎn)，而且相當全面、高效、深刻。開展好物理模型教
學，勢在必行。
為了更好地理解物理模型教學特點，下文以“質(zhì)點”一課的物理模型備課實例進一步呈現(xiàn)物理模型教學景象，以求拋磚引玉。
三、“質(zhì)點”一課物理模型教學設(shè)計實例
(一)質(zhì)點物理模型的內(nèi)涵分析
質(zhì)點模型是對物體進行簡單化、理想化、純粹化的結(jié)果;如果物體的大小、形狀對所研究的問題沒有影響或其影響小到可以忽略時，就可以把物體看作一個幾何點。質(zhì)點模型，雖然把物體簡化為了一個幾何點，但物體的質(zhì)量因素卻不可忽略，所以突出物體質(zhì)量屬性的幾
何點才是名副其實的質(zhì)點。
(二)質(zhì)點物理模型的認識誤區(qū)
在實際教學中，師生對質(zhì)點模型存在認識誤區(qū)，主要體現(xiàn)在:只看到忽略大小、形狀等次要因素的一面，卻沒有看到突出質(zhì)量主要因素的一面。之所以存在這樣的認識誤區(qū)，有下面兩個原因:現(xiàn)行教材把質(zhì)點教學安排在高中物理開篇之處，即在學生僅有直觀的初步的運動學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上講授質(zhì)點。如此安排的優(yōu)勢之處是:讓學生首次體驗到把物體看作幾何點的必要性和可行性，從而體驗物理模型的意義。但是，質(zhì)點的另一核心特點是突出了質(zhì)量因素，對于缺乏動力學知識的學生而言，是無論如何都沒有辦法體驗到為什么要突出質(zhì)
量因素。第1代課程標準版教材寫道:“看來，在某些情況下，我們可以忽略物體的大小和形狀，而突出'物體具有質(zhì)量’這個要素，把它簡化為一個有質(zhì)量的物質(zhì)點，這樣的點稱為質(zhì)點?！保?］如此灌輸式教學，教學效果極差，甚至產(chǎn)生負面影響。例如，物體具有質(zhì)量需要突出，那么物體也具有大小和形狀，為什么就能忽略呢?教材所舉實例，全是運動學問題，忽略物體質(zhì)量，對所研究問題亦毫無影響，質(zhì)量為什么不可忽略，還得突出呢?第2代課程標準版教材寫道:“看來，在某些情況下，確實可以忽略物體的大小和形狀，把它簡化為一個
具有質(zhì)量的點，這樣的點叫做質(zhì)點?！比绱吮硎霾粌H沒有進步，還有后退之嫌。另外，學習完牛頓運動定律，特別是牛頓第二定律之后，教材沒有明確討論質(zhì)量這一因素的動力學意義，致使質(zhì)點教學殘缺不全。
2.教師教學的原因
不可否認，不少教師對物理模型的認識不足，物理建模的意識和能力欠缺，于是在教學中照本宣科，教學安排缺乏系統(tǒng)性、前瞻性、結(jié)構(gòu)性。講授了牛頓第二定律內(nèi)容之后，再一次回歸質(zhì)點教學，就能彌補之前的教學缺憾，使得質(zhì)點教學系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，如此才能使得
物理模型教學完整，強化物理模型的認識。
(三)物理模型教學建議
《課程標準》必修1課程主要是機械運動、物理模型和運動規(guī)律三個核心內(nèi)容。既然把物理模型提升到核心教學內(nèi)容來看待，就應(yīng)當增加篇幅，一方面使質(zhì)點教學內(nèi)容系統(tǒng)化、完整化;另一方面，再安排對比性教學內(nèi)容———增加輕物模型教學內(nèi)容(很是遺憾，基于《課程標準》編寫的新教材并沒有落實好課
程標準所確立的課程內(nèi)容，課程內(nèi)容呈現(xiàn)還略有后退跡象)，使物理模型教學內(nèi)容靈活化，全面化。具體教學建議如下:
1.完善質(zhì)點教學內(nèi)容，形成前呼后應(yīng)
在教材開篇處安排質(zhì)點知識內(nèi)容，主要讓學生體會到忽略無關(guān)因素或次要因素對研究問題的必要性和可行性，并指出:這種簡單化、純粹化、理想化是物理模型思維的重要特點之一，是物理模型思維的一個方面;講授牛頓第二定律或牛頓運動規(guī)律之后，獨立安排一節(jié)物理模型教學內(nèi)容。在這一節(jié)中，再一次完善質(zhì)點教學內(nèi)容，突出質(zhì)量因素，引導(dǎo)學生理解突出質(zhì)量因素的必要性和意義。如此才能形成前呼后應(yīng)的教學效果，不僅使得質(zhì)點教學更完整，也能讓學生更深刻地完整地體會物理模型思維方法一方面忽略一些因素，另一方面又要突出一些因素，不管忽略還是突出，都是為了解決問題，探究規(guī)律。
2.增加輕物教學內(nèi)容，形成鮮明對比
輕物模型與質(zhì)點模型完全不一樣，它突出了大小、形狀等因素，而忽略了質(zhì)量因素。輕物模型之所以不能忽略大小、形狀因素，自然也是由問題性質(zhì)決定的;輕物模型為什么可以忽略質(zhì)量呢?忽略質(zhì)量又有什么意義?忽略質(zhì)量突出了什么本質(zhì)特征?通過深度討論式教學，
讓學生體會到輕物模型忽略質(zhì)量的必要性和可行性。［7］
通過如此對比學習，學生一方面對質(zhì)點的理解會更深刻;另一方面對物理模型思維方法會有洞見性頓悟。
四、小結(jié)與拓展
《課程標準》在對高中物理必修1的學業(yè)要求中指出:“了解建立質(zhì)點模型的抽象方法和質(zhì)點模型的適用條件，能夠在特定情景下將物體抽象為質(zhì)點，體會物理模型建構(gòu)的思想和方法?！憋@然，現(xiàn)行教材和教學，很難讓學生深刻體會物理模型建構(gòu)的思想和方法，只有完善質(zhì)點模型教學內(nèi)容，并對比性地增加輕物模型教學內(nèi)容，才能使物理模型教學完整、全面、深刻，幫助體會物理模型建構(gòu)的思想和方法。教材編者和一線教師只有全方面地領(lǐng)略物理模型課堂教學認知策略、顯化策略和運用策略，才能與《課程標準》中的物理模型地位相匹配，更與必修1主要課程內(nèi)容相稱，最終促成
學科核心素養(yǎng)教學目標的達成。當然，物理模型教學是一個持續(xù)性的教學內(nèi)容，各個課程模塊都應(yīng)當重視這一思維方法的教學，不止于隱性滲透，而要顯性強化，特別是在教學中顯化物理模型思維過程，而且要以原始物理問題為情景，運用物理模型方法去解決問題。
指向?qū)W科核心素養(yǎng)的高中物理課堂教學，就科學方法教育方面，都不能止于隱性滲透，還要顯性呈現(xiàn)，特別是置入實際問題情景中去運用，才能達到學以致用的目的。以科學方法為中心進行課堂教學設(shè)計，是核心素養(yǎng)要求下應(yīng)該形成的課堂教學框架。提出科學方法顯性教育，并不是否定隱性教育所倡導(dǎo)的“能力滲透”教育本質(zhì)。科學方法的顯性教育猶如醒目的、渲染的、定格的“廣告”，目的是培養(yǎng)潛在的、未來的、可能的“客戶”，對于廣大客戶而言，廣告內(nèi)容可能忘記了，但無形中卻成就了其思維方式。正所謂，課堂教學中無形而具有生長性的東西就是核心素養(yǎng)。
注:本文為江西省中小學教育教學課題研究與實驗基地課題“基于核心素養(yǎng)和新教材重構(gòu)中學物理課堂教學”(課題號:FZWL2019717)及“基于深度學習理念探究中學物理實驗創(chuàng)新研究”(課題編號:SZUDHWL20191001)階段性研究成果。
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