基于学科核心素养的高中物理模型教学策略|发表论文系列4
前言
江秀梅，刘大明.基于学科核心素养的高中物理模型教学策略【J】.新课程评论，2020（04）：84—91
摘要: 核心素养指引下的《普通高中物理课程标准(2017年版)》把“物理模型”素养要素的重要性提高到了一个新高度。高中物理课堂教学专门提出物理模型教学主题有利于落实课程目标，并促进学科核心素养的最终养成。文章分析了物理模型对于落实高中物理课程标准的重要性，并从认知策略、显化策略和运用策略三个方面阐述应该如何进行物理模型教学才能提升高中物理模型教学水平，最终实现指向学科核心素养的课程目标。
关键词: 物理模型;学科核心素养;课程标准;质点模型
一、提出问题
“物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任。科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实建构物理模型的抽象概况过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。”［1］从上述表述中不难判断:模型建构是科学思维中的核心要素，因为在模型建构的过程中需要科学推理和科学论证等要素的参与，建构模型后还需要针对实际问题进行反馈性批判，这又需要质疑与创
新的态度及能力。
虽然模型建构明确归为科学思维素养要素，但在落实其他学科核心素养目标时也必不可少。法国科学方法论学者阿雷说:“科学的基本活动就是探索和制定模型。”可见，建构模型是科学探究的重要内容和归宿，落实科学探究素养教学必须以物理模型教学为载体。高中物理新教材主编彭前程教授指出，“教学中只有在概念、规律教学的基础上有意识地将其中的观念归纳、提炼出来，才能使物理观念的学习扎扎实实地落到实处”［2］。赵凯华教授在新的物理教科书中撰文指出，“物理学的一般探索过程是通过观察和实验积累经验，在经验事实的基础上建立物理模型，提出简洁的物理
规律，用它们去预言未知现象，再用新的实验去检验这些物理模型和物理规律，去否定或进一步修正它们”。由此可见，在注重科学知识生成过程教学中，建构物理模型是前提性教学环节。坚持“在经验事实的基础上建立物理模型”和用新的实验去检验、否定或修正物理模型的科学研究原则，这本身就是一种科学态度的体现。
综上分析，高中阶段进行物理模型教学是落实物理学科核心素养的应然要求。从《普通高中物理课程标准(2017年版)》(下文简称《课程标准》)就物理模型一词提及的频次和有关表述中亦能发现:物理模型是一个热点词汇，《课程标准》将物理模型的地位提升到了
一个新高度。可以如是说，在高中物理课堂教学中明确和突出物理模型教学是落实物理学科核心素养的必然要求，是遵照课程标准达成课程目标的教学使命。那么，如何在高中物理课堂教学中进行物理模型教学?怎样的物理模型教学更有利于达成物理学科核心素养的培养目标?
二、物理模型教学策略
物理模型是一种理想化的思维模型，师生就物理模型的认识、理解、运用等方面存在严重不足，基于此提出以下三个方面的教学策略。
(一)认知策略:提升物理模型认识水平是前提
现行教材和教学就物理模型教学方面存在显性化水平不高，认知水平不足的教学现状;而且从心理、教学、应试方面都导致了不少建模思维障碍［3］。中学物理教师首先要提升物理模型思维意识水平，才能引导学生培养物理模型思维意识，以下四个方面值得特别强调。
1.认识物理模型的普遍性
不少学生仅仅知道质点、点电荷为物理模型，甚至不少教师也未能认识到物理模型的普遍性。事实上，物理模型可分为几种类别:(1)对象模型:质点、点电荷、轻弹簧、轻杆、轻绳、刚体、理想气体等;(2)过程模型:匀速直线
运动、匀变速直线运动、平抛运动、匀速圆周运动、弹性碰撞、简谐运动、理想气体状态变化等;(3)结构模型:原子核式结构模型、固体、液体、气体、绝缘体、导体等;(4)模拟模型:电场线、磁场线、光线等;(5)条件模型:匀强电场、匀强磁场、真空等。从某种意义上说，物理学是物理模型的集合部。
2.理解物理模型的必要性
物理模型虽然是简化的、理想化的思维产物，但却更容易推进对真理的认识，从而更好地认识原型的本质特征。
例如，一块金属导体有很多特征属性，诸如大小、形状、体积、质量、温度、导电、导热等等。只有选择关注体积、质量两个属性，而忽略其他属性，才能得出密度这一固有属性;选择了温度、导热属性，才能得出比热容固有属性;关注导电时的电流、电压，才能得出电阻固有属性及发现欧姆定律;进一步关
注电阻、长度、横截面积等属性，才能得出电阻率固有属性及发现电阻定律。
3.明确物理模型的思维内核
物理模型的思维内核就是舍去次要因素，突出主要因素，使得原型或实际问题纯净化、简单化、理想化，便于开展更严密的数学逻辑猜想、推理和判断，最终有利于问题的有效解决。原物是否可以理解为某种模型，一定要认识到一核两面:一核，就是要把握所研究问题
的本质特征。两面，就是指忽略了哪些因素，突出了哪些因素，忽略的因素对所研究问题没有影响或影响很小，不是所研究问题的本质属性;突出的因素对所研究问题有影响，是所研究问题的本质属性。所以进行物理模型教学时务必引导学生明白:忽略了什么?突出了什么?如此处理解决了什么问题?不这样学中，突出思维过程是关键。物理模型教学策略均源自模型思维特点，下文还将详细论述。
4.体会物理模型的发展性
从某种意义上说，物理学的发展过程是一个不断建立模型、运用模型和修正模型的过程。例如，人们对宇宙的认识，从天圆地方说到地心说、日心说再到宇宙膨胀说，正是宇宙模型的发展过程。如是例子，在物理学中还有很多。再例如，人们对原子结构的认识，经历
了一个漫长过程，从第一个具有科学形态的实体结构模型，到枣糕模型、核式结构模型、波尔模型以及量子模型，都以经验事实和新实验事实为依据对已有模型进行修正而提出。在教学中，务必呈现实验事实并强调模型建构中必须以事实为依据;还得提示学生，认识或评价物理模型时不要简单地用“对”与“错”来评判，而要关注每一种模型的适用条件，即突出了什么因素，忽略了(或还未关注到)什么因素。
认识和理解到物理模型在物理学发展中的普遍性和必要性，有利于克服思维障碍，提升运用物理模型解决问题的意识;明确物理模型的思维内核，有利于掌握思维方法，提高运用物理模型解决实际问题的能力;体会物理模型的发展性，有利于培养思维灵活性，能够具
体问题具体分析，灵活构建不同物理模型解决不同问题。也即，运用物理模型发展物理观念而不至于僵化;运用物理模型提高科学思维水平而不至于片面;运用物理模型培养科学探究能力而不至于刻板;运用物理模型树立科学态度与责任而不至于虚幻。
(二)显化策略:呈现物理模型思维过程是关键
长期以来，关于科学方法教育问题一直存在“隐性教育”和“显性教育”之争。其中，科学方法隐性渗透教学的思想一度占据上峰，成为教材编写和一线教学的权威性指导思想。教学实践表明，这种教学思想不利于科学方法教育，阻碍了学生思维能力的提高。这里举两个教学实例:笔者曾问即将高中毕业的学生，“你们学习了哪些物理模型?”绝大多数学生仅仅能答出质点和点电荷两种模型。更值得反思的例子是，师生就“为什么带电微观粒子在电磁场中，可以忽略重力作用却不能忽略质量的影响”思考题的思考十分肤浅，甚至疑惑不解。
两个例子说明，学生就物理模型只停留于记忆层面(以至于说死记硬背也不为过)，几乎没有形成必要的思维意识和能力，更遑论运用模型思维解决实际问题了。
历经张宪魁、邢红军等坚持科学方法显性教育学者的努力，显性教育思想已经初露端倪，在新教材编写中有了重大体现。尽管如此，依然存在“形显神不显”的嫌疑，即只在科学方法名称上着笔，并没有就科学方法在运用中的思物理模型思维的核心是忽略次要因素突出主要因素，那么在进行物理模型教学时，应当明确哪些是主要因素哪些是次要因素，还要知道其原因。建构物理模型是为了更好地解决实际问题，所以还要知道如此构建模型还有什么好处，有什么限制性条件。只有通过显化物理模型思维过程，才能展现建构模型的教学价值。
例如，基于物理模型建构教学下的理想变压器教学设计流程为:介绍变压器结构，演示对比实验(实验组:原线圈接交流电源;对照组:原线圈接直流电源)→观察实验现象，讨论变压器工作原理→引导提出问题(例如电压关系
跟什么因素有关)，实验探究定量结论→
对实验评估交流，结合更多经验事实(教师提供，如果条件允许还可以实验呈现)建构理想变压器模型(突出了什么因素，忽略了什么因素，即明确理想化条件)→根据理想变压器模型进一步推导其他规律(例如电流关系，若班级整体素质较高，可以进一步拓展到多副线
圈变压器，“串联”变压器的有关规律推导)。
在实际教学时，教师需要注意理想变压器模型的建构应基于实验经验之上，并综合教师提供的更多事实，经历忽略次要因素，突出主要因素的思维过程，如此才能真切地培养模型建构思维能力;建立理想模型后再推导有价值的物理规律，如此能够体会理想模型的理论与实践意义，提升运用物理模型解决问题的能力。
(三)运用策略:建构模型解决原始问题是核心
核心素养是指学生应该具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生接受学校教育后最终应达到的发展目标;学科核心素养是核心素养在特定学科的具体化，是学生学习一门学科之后所形成的，具有学科特点的成就(包括必备品格和关键能
力)。［5］由此可见，指向核心素养的课堂
教学目标就是要培养能够解决实际问题的必备品格和关键能力。基于学科核心素养的物理模型教学最终要落实到运用物理模型解决实际问题上来，唯有如此才能真正地提高物理模型思维能力。正如前文提出，物理学几乎可以说是物理模型的俱乐部。高中中后阶段的物理课
堂教学，课程内容应以“原始问题”的形式呈现，引领学生自主建构模型解决原始问题。特别是，在教学评价或试题命制中，需要设置适量的原始物理问题，以此构建指向核心素养的评价体系。下面以一个原始问题教学案例为例。
在上面的解题过程中，把地球看成一个带电的导体球，忽略地球的外表形状、内部结构等次要因素，突出了带电主要因素，而且简化为完美球形，有利于进一步科学推理以达到最终解决问题的目的。值得指出的是，原始物理问题不一定完全符合客观实际，就此建构物理模型并推理所得结论也不一定与客观实际完美吻合，从考核评价而言，这并不会影响学科教学目标的达成;从学术研究视角而言，这正是学术交流、实践探索、科学进步的发展空间。
物理模型教学如同一个撬动地球的支点，能够撬动包括科学推理、科学论证、质疑创新，问题、证据、解释、交流，科学本质、科学态度、科学责任，物质观、运动观、相互作用观、能量观整个学科核心素养球的运转，而且相当全面、高效、深刻。开展好物理模型教
学，势在必行。
为了更好地理解物理模型教学特点，下文以“质点”一课的物理模型备课实例进一步呈现物理模型教学景象，以求抛砖引玉。
三、“质点”一课物理模型教学设计实例
(一)质点物理模型的内涵分析
质点模型是对物体进行简单化、理想化、纯粹化的结果;如果物体的大小、形状对所研究的问题没有影响或其影响小到可以忽略时，就可以把物体看作一个几何点。质点模型，虽然把物体简化为了一个几何点，但物体的质量因素却不可忽略，所以突出物体质量属性的几
何点才是名副其实的质点。
(二)质点物理模型的认识误区
在实际教学中，师生对质点模型存在认识误区，主要体现在:只看到忽略大小、形状等次要因素的一面，却没有看到突出质量主要因素的一面。之所以存在这样的认识误区，有下面两个原因:现行教材把质点教学安排在高中物理开篇之处，即在学生仅有直观的初步的运动学经验的基础上讲授质点。如此安排的优势之处是:让学生首次体验到把物体看作几何点的必要性和可行性，从而体验物理模型的意义。但是，质点的另一核心特点是突出了质量因素，对于缺乏动力学知识的学生而言，是无论如何都没有办法体验到为什么要突出质
量因素。第1代课程标准版教材写道:“看来，在某些情况下，我们可以忽略物体的大小和形状，而突出'物体具有质量’这个要素，把它简化为一个有质量的物质点，这样的点称为质点。”［6］如此灌输式教学，教学效果极差，甚至产生负面影响。例如，物体具有质量需要突出，那么物体也具有大小和形状，为什么就能忽略呢?教材所举实例，全是运动学问题，忽略物体质量，对所研究问题亦毫无影响，质量为什么不可忽略，还得突出呢?第2代课程标准版教材写道:“看来，在某些情况下，确实可以忽略物体的大小和形状，把它简化为一个
具有质量的点，这样的点叫做质点。”如此表述不仅没有进步，还有后退之嫌。另外，学习完牛顿运动定律，特别是牛顿第二定律之后，教材没有明确讨论质量这一因素的动力学意义，致使质点教学残缺不全。
2.教师教学的原因
不可否认，不少教师对物理模型的认识不足，物理建模的意识和能力欠缺，于是在教学中照本宣科，教学安排缺乏系统性、前瞻性、结构性。讲授了牛顿第二定律内容之后，再一次回归质点教学，就能弥补之前的教学缺憾，使得质点教学系统化、结构化，如此才能使得
物理模型教学完整，强化物理模型的认识。
(三)物理模型教学建议
《课程标准》必修1课程主要是机械运动、物理模型和运动规律三个核心内容。既然把物理模型提升到核心教学内容来看待，就应当增加篇幅，一方面使质点教学内容系统化、完整化;另一方面，再安排对比性教学内容———增加轻物模型教学内容(很是遗憾，基于《课程标准》编写的新教材并没有落实好课
程标准所确立的课程内容，课程内容呈现还略有后退迹象)，使物理模型教学内容灵活化，全面化。具体教学建议如下:
1.完善质点教学内容，形成前呼后应
在教材开篇处安排质点知识内容，主要让学生体会到忽略无关因素或次要因素对研究问题的必要性和可行性，并指出:这种简单化、纯粹化、理想化是物理模型思维的重要特点之一，是物理模型思维的一个方面;讲授牛顿第二定律或牛顿运动规律之后，独立安排一节物理模型教学内容。在这一节中，再一次完善质点教学内容，突出质量因素，引导学生理解突出质量因素的必要性和意义。如此才能形成前呼后应的教学效果，不仅使得质点教学更完整，也能让学生更深刻地完整地体会物理模型思维方法一方面忽略一些因素，另一方面又要突出一些因素，不管忽略还是突出，都是为了解决问题，探究规律。
2.增加轻物教学内容，形成鲜明对比
轻物模型与质点模型完全不一样，它突出了大小、形状等因素，而忽略了质量因素。轻物模型之所以不能忽略大小、形状因素，自然也是由问题性质决定的;轻物模型为什么可以忽略质量呢?忽略质量又有什么意义?忽略质量突出了什么本质特征?通过深度讨论式教学，
让学生体会到轻物模型忽略质量的必要性和可行性。［7］
通过如此对比学习，学生一方面对质点的理解会更深刻;另一方面对物理模型思维方法会有洞见性顿悟。
四、小结与拓展
《课程标准》在对高中物理必修1的学业要求中指出:“了解建立质点模型的抽象方法和质点模型的适用条件，能够在特定情景下将物体抽象为质点，体会物理模型建构的思想和方法。”显然，现行教材和教学，很难让学生深刻体会物理模型建构的思想和方法，只有完善质点模型教学内容，并对比性地增加轻物模型教学内容，才能使物理模型教学完整、全面、深刻，帮助体会物理模型建构的思想和方法。教材编者和一线教师只有全方面地领略物理模型课堂教学认知策略、显化策略和运用策略，才能与《课程标准》中的物理模型地位相匹配，更与必修1主要课程内容相称，最终促成
学科核心素养教学目标的达成。当然，物理模型教学是一个持续性的教学内容，各个课程模块都应当重视这一思维方法的教学，不止于隐性渗透，而要显性强化，特别是在教学中显化物理模型思维过程，而且要以原始物理问题为情景，运用物理模型方法去解决问题。
指向学科核心素养的高中物理课堂教学，就科学方法教育方面，都不能止于隐性渗透，还要显性呈现，特别是置入实际问题情景中去运用，才能达到学以致用的目的。以科学方法为中心进行课堂教学设计，是核心素养要求下应该形成的课堂教学框架。提出科学方法显性教育，并不是否定隐性教育所倡导的“能力渗透”教育本质。科学方法的显性教育犹如醒目的、渲染的、定格的“广告”，目的是培养潜在的、未来的、可能的“客户”，对于广大客户而言，广告内容可能忘记了，但无形中却成就了其思维方式。正所谓，课堂教学中无形而具有生长性的东西就是核心素养。
注:本文为江西省中小学教育教学课题研究与实验基地课题“基于核心素养和新教材重构中学物理课堂教学”(课题号:FZWL2019717)及“基于深度学习理念探究中学物理实验创新研究”(课题编号:SZUDHWL20191001)阶段性研究成果。
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，2018:15．
［2］彭前程聚焦核心素养，编好新教［J］中学物理，2019(15):26．
［3］刘大明，江秀梅．“多方建模”突破物理模型思维障碍［J］．教学月刊，2018(1－2):22－26．
［4］［7］江秀梅，刘大明．物理建模与物理解模教学探究［J］课程教学研究，2018(9):76，79
［5］余文森．核心素养导向的课堂教学［M］．上海:上海教育出版社，2017．
［6］普通高中课程标准实验教科书———物理(必修1)［M］北京:人民教育出版社，2010:10
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