程柱建

摘 要 物理模型是人们对物理研究对象和过程的结果表达与解释，是一种理想化、有意义的物理表达。物理模型建构能力是物理核心素养培养的一个重要方面，因此，物理模型的教学要给学生以方法的掌握、模型的存储、应用的体验和实践的突破。

关键词 物理模型 核心素养 高中教学

《普通高中物理课程标准（征求意见稿）》指出物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成。科学思维是物理核心素养的一个方面，其主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。物理模型的建构不仅能够解释物理现象与解决物理问题，而且能够有效地促进学生的思维发展，提升学生问题解决的能力，为学生的终身发展奠基。

一、物理模型的分类

物理模型是人们对物理研究对象和过程的结果表达与解释[1]，是一种理想化、有意义的物理表达。物理模型是由客观物质世界过渡到物理概念、物理规律、物理理论的中间环节，是物理概念和物理规律赖以建立的基础[2]。例如，质点是牛顿运动定律、万有引力定律等规律建立的基础。

根据物理问题解决过程中的要素，物理模型通常分为以下四类：1.对象模型：忽略研究对象（物体或系统）的次要因素，建构反映对象本质的理想模型。例如：质点、轻绳、轻杆、轻弹簧、点电荷、电场线、纯电阻、磁感线、弹簧振子、单摆等。2.状态模型：表示研究对象的某种理想状态。例如：物体的平衡状态、理想气体的状态等。3.过程模型：研究对象运动过程的理想化结果。例如：匀变速直线运动、平抛运动、完全弹性碰撞等。4.条件模型：实际问题的某些条件理想化以简化问题而建立的模型。例如：光滑斜面、忽略空气阻力、不计导轨电阻、理想电表、足够长的导轨、磁场区域足够大等。

二、物理模型的建构

1.物理模型建构的三个阶段

模型建构是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是基础知识的高度概括和典型思维的概括。基于建构主义学习理论，“建构”是物理模型的形成和建立的过程，也是学生认识和能力“同化”和“顺应”的过程。

物理模型的建构是抓住物理情境的主要因素，忽略次要因素，通过科学抽象去认识其物理本质的过程。一般来说，对某一物理情境建构物理模型需要经历三个阶段：（1）科学抽象阶段。对物理情境进行思维加工，抽象出物理对象的本质特征。（2）模型形成阶段。将人们头脑中存储的相关物理模型和物理对象的本质特征进行比较，建构出适当的模型，同时进一步表征物理对象。（3）模型确认阶段。根据建构的物理模型寻找解决问题的相关物理规律和解决问题的路径，并尝试解决问题。问题的顺利解决即意味着物理模型的成功建构，否则需要重新建构。

2.高中生模型建构的五级水平

根据问题情境的复杂程度、内容的抽象程度、应用的水平高低等，《普通高中物理课程标准（征求意见稿）》给出了学业质量的五级水平划分，涉及模型建构的水平划分如下：

水平1：能说出一些简单的物理模型。

水平2：能在熟悉的情境下应用常见的物理模型。

水平3：能在较为熟悉的情境中根据需要选用恰当的模型并用以解决简单的物理问题，能判断现实物体和理想模型的异同。

水平4：能根据解决问题的需要建构物理模型。

水平5：能根据解决问题的需要建构恰当的物理模型。

其中水平2是針对高中毕业的水平要求，水平4是针对进入高校相关专业学习应达到的水平要求。从以上五级水平的描述，高中物理模型教学大致可以分为这样两个层次：（1）合格层次：知道物理模型、应用物理模型；（2）优秀层次：选用物理模型、建构物理模型。

三、物理模型的教学

1.物理学史帮助学生了解模型建构的方法

物理学史就是一部物理模型史，伽利略的理想斜面，牛顿的万有引力理论模型，卢瑟福、玻尔的原子模型都是物理模型的典型范例。物理学史上的经典物理模型建构的过程，不仅能让学生了解模型建构的方法，而且是对学生进行科学态度与责任教育的极佳素材。在解决物理问题时，人们常常利用抽象法、理想化、类比法、归纳法、等效替代法等方法，根据研究对象的主要因素建构反映事物本质的理想模型，将被研究问题的本质特征反映出来。

例如，自由落体运动是一种过程模型。人教版高中物理必修1将“伽利略对自由落体的研究”单列一节，是因为伽利略在研究自由落体运动时运用了科学方法和巧妙的实验。首先，伽利略用归谬法对亚里士多德的“重物的下落速度比轻物大”落体学说进行了反驳，然后从“自由落体运动应该是简单的”认识出发提出假设，猜想出v∞x和v∞t两种可能性，接着通过推理排除了前者，并通过数学推导得出检验v∞t即是检验v∞t2。在当时的实验条件下，伽利略进行了“冲淡重力”减缓下落运动的著名斜面实验，证实了落体“所经过的各种距离总是同所用时间的平方成比例”。为了把斜面实验的结论推广到竖直情况下的自由落体运动，他还提出了“等末速度假设”，即静止物体不论是沿竖直方向还是沿不同斜面从同一高度下落，到达末端时具有相同的速度，并利用单摆实验检验了这个假设[3]。伽利略在研究中应用了多种物理方法，思想丰富，值得学生细细学习和品味。

2.思维对话引导学生体验模型建构的过程

课堂是学生学习的场所，包括学习的主体—学生、客体—课程文本和组织者—教师。这三个课堂要素间的思维对话可以让课堂灵动起来。学生的头脑中需要存储一定量的物理模型，以便于在模型建构的形成阶段进行物理对象和已有模式的比较。物理模型建构的教学中要引导学生更易、更准确地提取已有的物理模型和形成新的物理模型。教学中教师要用好教材，引导学生和教材上的阅读材料对话。如学生阅读人教版必修2“宇宙航行”一节的“科学漫步：黑洞”，可以掌握黑洞的研究过程及产生原因，自主建构出黑洞的模型。endprint

课堂上的思维对话更重要的应该发生在师生、生生之间，正是因为有人的存在，课堂才显得灵动和精彩。课堂上，教师可以进行知识的重演，让学生体验模型建构的过程，提升学生迁移应用的能力。

例如，电场线是为了直观形象地描述电场分布，在电场中引入的一些假想的曲线。新课教学时，教师一般会直接给出电场线这一理想模型：在画出一根电场线的基础上，说明电场线上每一点的切线方向和该点电场强度的方向一致；然后让学生观察教材上的正点电荷或负点电荷周围的电场线，得到电场线密集的区域场强强、电场线稀疏的区域场强弱，即可用电场线的疏密表示电场强度大小的结论；最后用等量异种电荷和等量同种电荷的电场线分布图巩固习得的知识。然而，从学生模型建构的水平来说，这样的教学仅仅是让学生知道和应用电场线这一模型，是低水平的层次。

法拉第是最先尝试用“线”描述磁场和电场的科学家。为了具体地设想电荷之间的作用，他曾想象在它们之间的空间中充满了能够拉或推的“某种东西”。他谈到了某种胶皮管之类的东西，它们在两个相反的电荷之间张开并把它们拉在一起；而当电荷的符号相同时，这种类似胶皮管的东西就向各个方向伸出并把它们推开。在电场的情况下，利用电极化可以探测到这些法拉第管的方向[4]。

教师可以让学生“从特殊到一般”自主建构电场线的模型。首先，教师可以让学生自己画出正点电荷周围众多点的电场方向，学生会发现，正电荷周围各点的电场方向都是发散的，从而可以建构出像太阳光线一样的电场线；在此基础上，教师辅助学生观察等量异种点电荷周围一些对称点的电场方向，建构等量异种点电荷周围的电场线；最后让学生观察并总结电场线分布和电场强度的关系。通过这样的教学过程，让学生自己经历了电场线模型的建构过程，使他们在今后的学习工作中可能用到同样的方法来研究问题。教师再适时地介绍法拉第建构电场线的过程，进一步激发学生建构物理模型的热情。

3.题组训练促进学生重视模型建构的应用

所谓题组训练是指将类似的物理模型组合成系列问题，让学生在解决问题中学会比较、选择和应用相关物理模型，强化模型建构的意识。题组训练要重视物理思维的渗透，体现浓浓的物理味，要淡化纯粹的数学运算。

物理学习过程中，学生会遇到多种重要的典型物理模型。例如，在进行“竖直平面内的圆周运动”教学时，教师可以在学生熟悉了轻绳模型的基础上设计一组问题，让学生区别轻绳（圆轨道）模型和轻杆（圆管道）模型，还可以用水流星等小实验增强学生对相关模型的认识。

学生對物理问题进行分析和解答的过程，就是对物理模型进行识别、建构以及应用的过程，题组训练能帮助学生拓展和延伸物理模型应用的情境。例如，在掌握速度选择器模型后，学生再分析磁流体发电机、霍尔效应、电磁流量计等实际应用时，一旦受力分析后就会想到利用速度选择器模型来分析解决问题。

4.原始物理问题提升学生进行模型建构的能力

原始物理问题是指对自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理现象的描述[5]。原始物理问题是真实存在的问题，能否有效建构物理模型解决生活中的真实问题是衡量学生物理核心素养高低的重要标准。

全国物理高考命题委员会进行科研测试时曾使用过如下一道题目：一篮球自某一高度自由下落，撞到地面后又弹起，升到一定高度后又自由下落，之后又弹起、下落，一次又一次，直至篮球静止，试定性画出在整个过程中篮球的加速度a随时间t的变化图线。这道题目要求学生在分析篮球的受力、运动和能量转化过程的基础上，能够构建出篮球在空中是自由落体运动或竖直上抛的过程模型；篮球与地面的碰撞为非弹性碰撞的条件模型；篮球与地面接触过程中类似弹簧发生形变的对象模型。

教育部考试中心主任姜钢提出探索构建“一体四层四翼”的高考评价体系，“应用性”为考查要求的“四翼”之一。“应用性”要求主要体现在学生要能够善于观察现象、主动灵活地应用所学知识分析和解决实际问题，学以致用，具备较强的理论联系实际能力和实践能力[6]。近年的一些高考试题也体现了物理情境真实性的要求。

例如，回旋加速器模型是带电粒子在电场中运动的一种简化模型，常见的简化有忽略高能粒子的相对论效应、忽略带电粒子的加速时间、电压在粒子加速过程中不变等。2008年高考改革以来，江苏高考物理卷对回旋加速器模型均以计算题的形式进行了考查，2009年命题的切入点是考虑回旋频率与加速频率匹配程度对加速器出射粒子动能的影响，2011年命题的切入点是考虑高能带电粒子的相对论效应，2016年命题的切入点是粒子被电场加速的过程被视为匀加速运动，需要考虑加速时间引起的相移。这3道高考题为学生提供了部分真实的物理问题情境，考查了学生解决实际问题的能力[7]。

原始物理问题的解决呼唤理论分析和实践操作的结合。例如，必修1学习结束后，教师可以布置“估测人骑自行车时车受到的阻力”的实践作业。该实践作业要求学生通过分析将人和车整体作为研究对象，并联想到头脑中已有的滑块在地面上运动的模型。考虑实际可以利用的测量器材情况，学生不便于直接测量力，则可以从由运动求力的角度来间接测量力。学生便于直接测定人和车的质量、运动的时间和位移，则可以选择从人停止蹬车到车停止的过程来计算出加速度，再根据牛顿第二定律就可以计算出人骑自行车时车受到的阻力。教师可以将学生分成若干实验小组，在学生用纸笔进行理论分析的基础上，再让实验小组到操场上去实际测量，进一步提升科学探究的素养。

参考文献

[1] 曹宝龙.物理模型的建构与教学建议[J].物理教学探讨，2016（5）.

[2] 张宪魁，李晓林，阴瑞华.物理学方法论[M].杭州：浙江教育出版社，2007.

[3] 刘筱莉，仲扣庄.物理学史[M].南京：南京师范大学出版社，2001.

[4] 乔治·伽莫夫.物理学发展史[M].高士圻，译.北京：商务印书馆，1981.

[5] 邢红军，石尧.原始物理问题教学：一个本土化教学理论的创生[J].教育学术月刊，2016（9）.

[6] 姜钢.探索构建高考评价体系，全方位推进高考内容改革[N].中国教育报，2016-10-11（03）.

[7] 蒋霖峰，陆建隆.高考物理江苏卷回旋加速器“三部曲”的赏析与启示[J].物理教师，2017（2）.

【责任编辑 郭振玲】endprint