朱燕明

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，而建立物理模型則是物理研究中重要的方法之一，這兩者在高中物理教學(xué)中均起著關(guān)鍵作用。高中新課程改革大力倡導(dǎo)重視物理實(shí)驗(yàn)，同時將“過程與方法”教學(xué)的三維目標(biāo)之一予以顯化呈現(xiàn)，而建模方法正是十分重要的方法之一。如何將兩者結(jié)合起來，成為廣大物理教師需要思考的問題。

當(dāng)前教學(xué)一線，在實(shí)驗(yàn)與物理模型的教學(xué)中存在著一些值得關(guān)注的問題。一方面，小部分物理課堂教學(xué)中實(shí)驗(yàn)與物理模型建立基本上為“兩張皮”，往往實(shí)驗(yàn)只是為了吸引學(xué)生的眼球，當(dāng)學(xué)生興趣被提起來后卻拋開實(shí)驗(yàn)而直接從理論上講解模型，實(shí)驗(yàn)與模型建立缺乏連貫性；另一方面，有些物理教師只是在口頭講解實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建構(gòu)物理模型，由于缺乏實(shí)物的直觀性而使得學(xué)生的印象并不深刻。針對上述問題，筆者嘗試以《了解電容器》一課為例，探討從實(shí)驗(yàn)到物理模型的教學(xué)策略。

一、從實(shí)驗(yàn)到概念建模教學(xué)策略初探

常見的物理模型包括實(shí)物模型和過程模型。其中實(shí)物模型采用縮小與放大幾何尺寸并簡化繁雜部件，突出與工作原理緊密相關(guān)的部件，制作出與原型在某一方面相似的實(shí)體模型，如研究平動的物體將其看作質(zhì)點(diǎn)正是忽略了物體的形狀與大小。在物理教學(xué)中，有時會通過實(shí)驗(yàn)來建立概念，而所建立的概念往往是實(shí)驗(yàn)形體的抽象化與簡約化，這實(shí)際上正是一種從實(shí)驗(yàn)到概念的建模教學(xué)。

從實(shí)驗(yàn)到概念這個建模的過程，筆者認(rèn)為可以采取以下教學(xué)策略與流程。第一步，呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。第二步，要求學(xué)生說出實(shí)驗(yàn)裝置所包含的主要部件或要素。第三步，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生將主要部件或要素用物理語言進(jìn)行抽象概括，得出新的物理模型。第四步，點(diǎn)撥實(shí)物建模的思想與方法。上述四步循序漸進(jìn)，從實(shí)物到要素到模型，學(xué)生跟隨教師經(jīng)歷整個概念建模的過程，體現(xiàn)了新課程提出的“過程與方法”目標(biāo)。

下面以筆者在高二年級講授的一節(jié)公開課《了解電容器》片斷為例。

教師：日常生活中有各種各樣的容器，比如說裝水的容器、裝飯的容器，有沒有用來裝電(荷)的呢？(學(xué)生思考)

教師：帶著這樣一個問題，我們先來做一個小實(shí)驗(yàn)。老師需要兩位同學(xué)來配合一下……

(兩位男生舉手上臺，臺前已擺好實(shí)驗(yàn)器材：兩個大鋁盆，中間墊一塑料紙；一根半米左右的PVC塑料管，一塊毛皮)

教師：兩位同學(xué)要做的事情很簡單，當(dāng)老師說“摸”的時候，用手摸一下盆的中央就行了。

(教師用PVC塑料管不斷跟毛皮摩擦，并跟上面的鋁盆接觸，實(shí)驗(yàn)過程通過投影展示給全班學(xué)生。學(xué)生用手觸摸鋁盆后迅速彈開)

教師：請兩位同學(xué)說一下感覺。

學(xué)生：有觸電的感覺，感覺盆里裝著電。

教師：很好！這整個裝置其實(shí)就是我們物理中常用的一種器件叫“電容器”。那這樣的裝置有什么特點(diǎn)呢？第一位同學(xué)，請你把這個盆舉起來。

學(xué)生：中間隔了一層塑料膜。

教師：塑料膜主要起什么作用？

學(xué)生：絕緣。

教師：很好！我們一起來簡化剛剛這個實(shí)驗(yàn)裝置，想辦法構(gòu)造出一個“電容器”模型來，大家說說看剛剛這個裝置可以抽出哪些重要部件？

學(xué)生：上面有一個鋁盆，下面也有一個鋁盆，中間有一層塑料膜。

教師：很好。上面和下面的鋁盆，可以導(dǎo)電吧？我們可以抽象成—

學(xué)生：導(dǎo)體！

教師：很好！那中間的塑料膜可以抽象成—

學(xué)生：絕緣體！

教師：非常好。大家把三個抽象的要素合起來。

學(xué)生：上下是導(dǎo)體，中間是絕緣體。

教師：這就是電容器模型。只要是兩塊相互靠近又彼此絕緣的導(dǎo)體，就構(gòu)成了電容器。這個模型很簡單，但是大家要從中體會物理學(xué)家們是怎樣抽象出一個物理模型來的。

在關(guān)于電容器概念的教學(xué)中，多數(shù)教師往往只是將電容器的概念表述和物理模型直接告知學(xué)生，而后展示實(shí)際生活生產(chǎn)中常用的電容器器件。但是這些真實(shí)的小器件因?yàn)榭床坏絻?nèi)部結(jié)構(gòu)而較難與電容器的概念及模型聯(lián)系起來，學(xué)生缺乏直觀、可視化的信息源，只能機(jī)械地記憶概念表述及模型。而采用上述建模教學(xué)策略，通過兩個鋁盆和中間的塑料薄膜演示儲存電荷的實(shí)驗(yàn)，不僅形象生動，使學(xué)生對電容器的概念及模型有了深刻的認(rèn)識，并且引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了從具體事物到抽象出模型的過程，體會了建模思想，給予學(xué)生更全面的思維鍛煉。

二、從實(shí)驗(yàn)到規(guī)律建模教學(xué)策略初探

物理規(guī)律是物理教學(xué)中的另一重要內(nèi)容，在課堂教學(xué)中教師往往先展示相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生探究實(shí)驗(yàn)，而后引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)歸納出一般性的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并用科學(xué)的語言表述成為物理規(guī)律，該過程同樣是一個建模教學(xué)的過程。

但在實(shí)際物理教學(xué)中，由于部分教師缺乏建模意識，使得學(xué)生對于演示實(shí)驗(yàn)或探究實(shí)驗(yàn)是如何設(shè)計(jì)的，如何從實(shí)驗(yàn)到模型的過程不太清楚，降低了教學(xué)的有效性。筆者結(jié)合相關(guān)教育理論與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出以下從實(shí)驗(yàn)到規(guī)律的建模教學(xué)策略與流程。第一步，提出實(shí)驗(yàn)探究的問題，引導(dǎo)學(xué)生圍繞問題進(jìn)行合理的猜想，嘗試建立初步的理論模型。第二步，根據(jù)猜想的理論模型，提供實(shí)驗(yàn)器材，引導(dǎo)學(xué)生嘗試提出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案。第三步，進(jìn)行演示或探究實(shí)驗(yàn)。第四步，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生分析理論模型是否得到了檢驗(yàn)。第五步，回顧整個從實(shí)驗(yàn)到物理規(guī)律的建模過程，總結(jié)一般性的建模與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。

下面同樣以筆者在高二年級講授的一節(jié)公開課《了解電容器》相應(yīng)片斷為例，闡釋上述規(guī)律建模教學(xué)過程。

教師：我們前面學(xué)過，比值定義法定義的物理量，都跟它的比值量無關(guān)。那么，電容大小的決定因素是什么？大家能否根據(jù)電容器的這個模型符號猜測一下？

學(xué)生1：從這個模型符號看，我猜跟兩個板的距離有關(guān)。

學(xué)生2：我覺得兩塊板長點(diǎn)短點(diǎn)可能不同。(教師：用物理量怎么表示)正對面積。

教師：很好！還跟什么有關(guān)？提示一下，大家看電容這個模型符號，中間是空的吧？

學(xué)生3：中間如果加一些物質(zhì)，可能電容也會變化。

教師：非常好！大家根據(jù)電容器模型進(jìn)行的猜想很棒！猜想需要檢驗(yàn)，我們還是用這個鋁盆實(shí)驗(yàn)，一起想想，你們說的各個模型影響要素，都該怎么改變和測量？

學(xué)生：用控制變量法。面積S的改變，可以讓上下兩個盆錯位越來越大。研究距離的因素，就把兩個盆拿遠(yuǎn)一點(diǎn)。中間加物質(zhì)，要不就墊進(jìn)去一本書吧。電容的大小……不知道。

教師：很好，下面我就按照大家說的方案試試看。電容的大小也是有工具可以測量的，我們來看一下這個表。(屏幕上投影出一個具有測電容功能的數(shù)字多用電表，教師通過單位引導(dǎo)學(xué)生，找出測電容時選擇開關(guān)所在的位置)

(實(shí)驗(yàn)過程略)

教師：從剛剛各次電容的讀數(shù)，大家能得出什么結(jié)論？

學(xué)生：兩極板的正對面積越大，電容越大；而兩極板距離越大，電容越小。極板間不同物質(zhì)也會影響電容大小，但怎么影響就不好說了。

教師：說得很好！這樣我們就得到了一個定性的影響電容大小的物理模型。但是，物理模型應(yīng)該是定量化的才更為準(zhǔn)確，此處我們儀器條件有限無法進(jìn)行精確實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)表明，平行板電容器的電容跟兩板的正對面積成正比，跟絕緣物質(zhì)的介電常數(shù)成正比，跟板間距離成反比(邊講邊板書平行板電容器的決定式)。

教師：讓我們一起來回顧整個建模的過程。最開始我們是怎樣？

學(xué)生：從電容器的符號模型中猜想影響因素。(教師：很好，接著呢？)接著我們就想該怎樣在實(shí)驗(yàn)中測出這些影響因素。

教師：這就是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案了，然后我們做了什么？

學(xué)生：按照方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，最后是檢驗(yàn)猜測的模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是不是相符。

教師：很棒！物理學(xué)里面很多物理規(guī)律模型都是通過類似的思路建構(gòu)出來的，同學(xué)們要慢慢體會這種研究的思想和方法。

上述教學(xué)片斷呈現(xiàn)了關(guān)于電容器影響因素規(guī)律建模教學(xué)的過程。在關(guān)于這一規(guī)律的日常教學(xué)中，多數(shù)教師往往并不進(jìn)行演示或探究實(shí)驗(yàn)，而是直接將規(guī)律告知學(xué)生，學(xué)生只能靠機(jī)械記憶和后續(xù)的大量做題來鞏固對規(guī)律的理解，有時甚至?xí)⒐街忻娣e與距離的位置顛倒，這正是缺乏感觀刺激記憶不牢的表現(xiàn)。根據(jù)前述從實(shí)驗(yàn)到規(guī)律的建模教學(xué)流程開展的上述教學(xué)，引入了鋁盆探究實(shí)驗(yàn)，從理論模型的猜想到實(shí)驗(yàn)探究方案的設(shè)計(jì)，再到模型的檢驗(yàn)，學(xué)生成為課堂思維的主體，所建立的模型是學(xué)生主動建構(gòu)起來而非教師灌輸進(jìn)去的，學(xué)生理解得更為深刻。

三、結(jié)束語

本文結(jié)合《了解電容器》一節(jié)課相應(yīng)的教學(xué)片斷，初步探討了在高中物理教學(xué)中從實(shí)驗(yàn)到概念、從實(shí)驗(yàn)到規(guī)律開展建模教學(xué)的策略與流程。應(yīng)當(dāng)看到，當(dāng)前物理考試往往是以物理模型為考查的核心，而模型的理解與認(rèn)識，依賴于大量做題，只是一種機(jī)械記憶的形式，容易在頭腦中混淆，值得警惕。我們倡導(dǎo)積極開展從實(shí)驗(yàn)到概念、規(guī)律的建模教學(xué)，一方面，形象直觀的實(shí)驗(yàn)帶給學(xué)生更深刻的印象，另一方面，學(xué)生作為模型建構(gòu)者經(jīng)歷了整個建模的過程，真正認(rèn)識了模型的來龍去脈，這樣的教學(xué)才是有效教學(xué)。

[1]張憲魁.物理科學(xué)方法教育[M].青島:中國海洋大學(xué)出版社,2009.

[2]廣東基礎(chǔ)教育課程資源研究開發(fā)中心物理教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1[M].廣州:廣東教育出版社,2010.