新课标背景下物理模型法在初中物理教学中的应用研究
时间：2023-04-18 13:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
宋佳欣，崔虹云
(佳木斯大学理学院，黑龙江 佳木斯 154007)
当今世界，各个领域的建设飞速发展。其中，教育教学知识的更新速度超乎异常，伴随着新发展、新事物的产生，新知识极速盛产，社会竞争愈加激烈。放眼观之，物理知识多数通过物理模型的方式呈现。在新课改的推动下，义务教育对初中物理教学的水平和层次提出了更高的要求，着重关注在物理教学的有效性上，期望能够通过教学方法的改进，提升物理课堂质量和效率[1]。物理模型法以其“直观化、理想化、抽象化、简化问题”[2]等特点，在教学过程中，如何使学生学会利用物理模型法掌握物理知识，培养其物理建模能力和抽象概括能力，是教育者着重实行的教育内容。在建模过程中，将理论与实际有效结合，提出并分析解决问题，加强学生物理学习能力，为学生后续学习新知打下建模思维基础。
1.1 物理模型的概念及分类
根据国内外学者已发表的文献和研究成果，目前对物理模型的定义颇多。综合来看，在新课标的背景下，物理模型可以理解为：根据研究的问题和内容，在一定条件下，抓住最具其本质特征的图象，从多维的具体图象中，建立起一个便于研究、突出本质的新图象，也是为了便于研究物理问题、探讨研究对象本质，科学抽象地对研究对象进行的一种简化描述和模拟[3]。
关于物理模型的分类，至今没有具体统一的分类标准，对物理模型的分类也存在着理解差异，但大致思想方向相同。如若按模型教学功能分为对象模型、过程模型、条件模型、数学模型；
按模型表征方式可分为具体模型、语言模型等；
按模型设计思想可分为理想化模型、探索性物理模型[4]。理想化模型作为中学物理教学中常用的基础模型，在解决实际物理问题中应用效果显著。本文中主要以理想化物理模型进行相应的教学设计，有利于培养学生建模思维能力和应用模型分析、解决问题的能力。
1.2.物理模型法教学的含义及作用
所谓物理模型法教学，是指建立符合要求模型的教学和应用模型解决实际问题的教学，也指为了抓住研究对象的主要因素，化繁为简，能够清晰地反映出其本质特性而建立起来的科学、抽象模型的教学[5]。在初中物理教学中，建立物理模型不仅仅局限于将实际问题简捷化，这种建模思想在物理研究的整个框架结构中具有举足轻重的作用。因此，采用物理模型法教学，有利于学生加深对物理概念、规律等的理解，树立严谨清晰的科学逻辑思维，将复杂抽象问题简易化，明确问题的实质，对学生各方面能力的提升具有一定程度的积极作用。而如何正确有效地引导学生建立物理模型，形成科学建模思想并应用物理模型解决问题，促进学生物理学习能力以及对事物的正确独判能力，是现阶段教育教学工作者需要加强关注力度去践行和反思的主要教学培养义务。
对于初中阶段的学生而言，学生的思维形式大多还处于形象思维向抽象思维的过度阶段，教师应以学生为主体，抓住初中生的年龄特点与性格特征，严格遵循初中学生的认知发展规律，从简单明显的物理现象出发，使其对物理建模形成一个感性的认识。利用学生对事物的好奇心，本着贴近学生生活、现象明显的原则，尽量选取能够激发学生求知欲，与理论知识紧密相连的生活经验内容，创设具体问题情境，引导学生建构对应物理模型，利用模型解决实际问题，让物理建模思想在学生头脑中根深蒂固，形成反应机制，帮助学生物理学习，提高学生学习积极性。
2.1 课前联系日常生活，帮助学生引入物理模型建构思想
物理源于生活，也用于生活。物理学以“物质及其基本结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律以及所使用的实验手段和思维方法”作为研究内容，是一门基础自然科学。因此，物理学科的学习，需要学生拥有理性思维，进行逻辑推理，尤其需要学生具备丰富的空间想象力[6]。学生在物理学习之前，根据实际生活环境，对某些物理观念及物理现象的理解有了初步的印象认识，但并不全面，缺乏一定的准确性。教师在课前准备时，除严格分析教材内容外，以学生的角度，联系学生大多一致的印象共同点，找出与物理建模紧密相关的生活素材，进行归纳整理，根据整理内容，分析得出最能够被学生接受理解，适合作为课题举例的生活素材，让学生在心理上能够明确一个方向，正确引入物理模型建构思想，有效合理地制定相关的教学计划和教学内容。
2.2 创设物理问题情境，促进学生激发建模思维
在情境创设过程中，教师要实事求是，以事实为基础依据，结合教材课本内容，创设出利于学生建构物理模型的情境，以便学生灵活分析具体物理问题，激发模型建构思想。例如，在“凝华”的教学中，教师可选取学生日常生活中熟悉的物理现象，如以“窗花”这一生活实例，创设“霜的形成”的问题情境，调动学生的好奇心，引导学生提取自我认知中的生活经验，提出自己的猜想，形成可类比的情境，引导学生的思维焦点从现象转向本质，为“凝华”的概念建模打下基础，有助于后期学习任务的完成。
2.3 抓住问题本质，引导学生建立基本的物理模型
利用物理建模解决实际问题的方法以及正确应用模型的过程，是一种严密的思维方法和科学方式。为明确研究问题的主要矛盾，需合理取舍次要因素，抓住主要因素和必要因素，排除其他因素对建模过程的影响[7]，从而让学生对研究对象的本质规律有更为清晰直观的认识。抓住问题本质，学会如何取舍主次因素，做出正确对应的抽象，是物理建模的关键所在。
在构造物理模型和分析运用的过程中，教师作为引导者，需要正确引领学生明确以上要求，促进学生抽象思维能力的发展，锻炼学生灵活分析问题的能力，让学生更深层次了解物理模型的必要性，以培养学生构建物理模型的能力，从而进一步实现物理模型的基本建立。
2.4 引领学生完善具体模型，应用规律解决实际问题
促进学生对模型建构的理解，是物理模型法教学的核心，也是应用物理模型解决实际问题的基础。教师在物理建模的过程中，需引导学生深入剖析物理问题，对抽象所得的物理模型与相似模型作出正确判断及修正。通过分析完善具体模型，拓展学生思维空间及方式，从物理本质出发，探究其中所蕴含的物理规律及其与模型的内在联系，学以致用。利用问题变式，克服思维定势，培养学生灵活应变的逻辑思维，将学到的模型进行迁移应用，使学生能够发现问题、探寻规律，通过对问题抽象、理想化处理、构建对应的物理模型，提高学生问题解决能力和创新能力。
在初中物理教学中，应用物理模型法有很多难点突破困难，主要原因是由于学生没有构建出一个符合问题解决的物理模型。对于初中生，学生们此时物理逻辑思维正处于培养塑成阶段，对物理研究对象本质理解在头脑中没有准确清晰的物理模型作为支撑，仅限于在生活中对物理现象的模糊认识。采用物理模型法教学，教师引导学生研究物理问题、情境等，运用简化、抽象等方法，将研究对象的本质抽象得出并深度理解，构建合适的物理模型，解决实际问题。下面以《杠杆》部分内容的教学为例，深度探究物理模型法在初中物理教学应用。
3.1 内容分析
“杠杆”是人教版初中物理八年级下册“简单机械”章节中第一节的内容，也是初中物理教学重难点之一。杠杆作为最基本的简单机械，生活中随处可见其应用实例。在教学中，采用物理模型法，引导学生从生活转到物理，将生活中的杠杆抽象模型化，总结共性，作图观察，了解杠杆五要素，加深学生对杠杆的认识和理解。
3.2 学情分析
该阶段的学生正处于经验思维转向理论思维的过程，在杠杆这节内容的学习中，学生难免仍习惯借助于自我经验认知去理解学习，影响学生的物理建模，干扰对杠杆的正确认识。
3.3 教学思路设计
杠杆作为一个典型的理性化模型，即无论大小形状，只要是可以受力，绕着固定点转动的硬棒，都可视为杠杆。在生活中，杠杆的应用随处可见，如杆秤、指甲刀等工具的应用。教师将生活中“杠杆”实例作为课堂导入，设计实验。学生亲身体验，观察分析，由教师引领学生将其抽象化为具体的杠杆模型，加深学习印象，进一步解决实际难题。杠杆模型建构过程如图1。
图1 杠杆模型建构过程
在课堂开始前，教师展示生活中有关杠杆应用实例图，如撬石头、筷子夹物等，引导学生观察这些工具在使用时有何共同特征。联系生活实例导入课堂，能够减轻学生对学习物理新知的畏难心理，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的教育理念，感受物理之美。教师组织学生使用羊角锤拔钉子，学生亲身体验，随后引入杠杆和支点的基本概念，展开课堂教学。通过类比，以图2 中的木棒进行分析，为引入杠杆模型作铺垫。
图2 撬石图例[8]
教师引导学生对木棒的受力分析，向学生提出问题：在撬石头的过程中，有哪些力作用？哪个力使木棒转动，哪个力阻碍木棒转动？学生积极讨论回答，从而引出动力F1、动力臂l1、阻力F2、阻力臂l2的含义。在学生观察分析的基础上，教师总结杠杆五要素内容，继续引导学生结合生活经验，将实际工具抽象成杠杆模型，分析主次因素，提炼木棒的主观表象本质特征，将木棒的问题研究简易化处理，排查如木棒的粗细程度、支点受到的摩擦等其他因素，在整个建模过程中，这些因素对建模过程几乎没有误差影响，所以可进行忽略，从而进行初步的模型建构，由图2 中的“木棒”提取简化并抽象得出杠杆模型如图3 所示。
图3 杠杆模型
教师引导学生建立具体杠杆模型，使杠杆模型的理解在头脑中存有初步印象，为其他杠杆教学内容的学习奠定基础。教师指导学生练习杠杆五要素作图，加深学生对杠杆的理解认识。学生已经对杠杆五要素含义有所掌握，此时再由教师引导学生思考：若要使杠杆达到平衡状态，其中的动力、动力臂、阻力、阻力臂之间是否存在一定的规律？师生共同探究，提出猜想，设计并进行探究实验。开阔思路，分析并利用建构杠杆模型过程中的主次因素，探究因果本质，能够让学生对杠杆五要素的理解在学习过程中形成逐次进阶的物理过程。通过对杠杆平衡条件的探究，得到具体实验数据，分析得出实验结论即杠杆的平衡条件：F1l1=F2l2。
在课堂学习结束后，学生若遇到关于杠杆的探究难题，仍可尝试在头脑中提取出对应模型来解决实际问题，在解题过程中，逐渐提升学生物理模型建构的能力。
在初中阶段，学生的抽象思维由经验思维发展转变，具体表现为抽象能力较弱，理解物理知识相对困难。采用物理模型法教学，能够让学生形成基本的建模意识，帮助学生理解抽象难懂的物理知识，清晰物理问题、规律等研究的形成过程。根据初中阶段学生的认知发展规律、思维方式及特点，循序渐渐，将培养学生的物理抽象思维能力和物理模型建构能力贯穿于整个物理课堂教学中，充分发挥教师自身引导者的功能，促进学生对模型建构与物理知识的深度理解，丰富拓展自身整体的系统建模构架，为之后更高层次的物理学习奠定夯实基础。
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