論物理模型及其教學(xué)

耿建

摘要：物理模型是基于真實(shí)的物理情境的抽象，不同類型的物理模型緣于不同的分類標(biāo)準(zhǔn)。物理模型是靜態(tài)的，其建構(gòu)過程則體現(xiàn)了科學(xué)方法。教學(xué)中，需要讓學(xué)生掌握物理模型，更需要培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)物理模型的意識(shí)以及借鑒物理模型解決具體問題的能力。

關(guān)鍵詞：物理模型;模型建構(gòu);科學(xué)思維

日常的物理教學(xué)會(huì)涉及許多具體的物理模型，如質(zhì)點(diǎn)模型、理想氣體模型、氫原子模型等，又如板塊模型、磁聚焦模型、電磁感應(yīng)中的單雙桿模型等。高三也經(jīng)?？梢娨浴澳Ｐ汀睘閷ｎ}的復(fù)習(xí)課。如何真正發(fā)揮出物理模型的功效，需要我們了解物理模型的內(nèi)涵、厘清物理模型的類別及特征、明晰物理模型的功能，由此得到物理模型教學(xué)的建議。

一、物理模型的內(nèi)涵

《辭?！分嘘P(guān)于“模型”的一項(xiàng)定義為：“在自然辯證法中，與‘原型’相對(duì)，研究對(duì)象的替代物。原型，即客觀存在的對(duì)象客體。模型，則是具有原型相似特征的替代物，是系統(tǒng)或過程的簡(jiǎn)化、抽象或類比表示?！雹谙恼鬓r(nóng).辭海[Z].上海：上海辭書出版社，2002：1185，1186?！掇o?！分羞€有對(duì)“模型方法”的定義：“以研究模型來揭示原型（被模擬對(duì)象）的形態(tài)、特征和本質(zhì)的科學(xué)方法。以客觀事物、現(xiàn)象和過程之間存在的相似性為客觀依據(jù)。模型一般可分為物質(zhì)模型和思想模型兩大類?！雹?/p>

進(jìn)一步，我們可以得到物理模型的幾點(diǎn)內(nèi)涵。其一，模型需要原型，物理模型的原型就是真實(shí)的物理情境。其二，模型具有概括性、抽象性，即通過簡(jiǎn)化、抽象或類比凸顯原型的主要特征，物理模型就是凸顯真實(shí)的物理情境（系統(tǒng)或過程）主要特征的替代物。物理模型有物質(zhì)模型和思想模型兩大類。其三，建構(gòu)物理模型屬于一種科學(xué)方法，在過程中對(duì)真實(shí)的物理情境進(jìn)行簡(jiǎn)化、抽象或類比，從而建構(gòu)得到相應(yīng)的物理模型。其四，物理模型是靜態(tài)的，指向結(jié)果，凸顯真實(shí)的物理情境的主要特征;建構(gòu)物理模型是動(dòng)態(tài)的，體現(xiàn)為抽象概括真實(shí)的物理情境主要特征的過程，是科學(xué)方法的一種。

二、物理模型的類別及特征

不同的分類標(biāo)準(zhǔn)就有不同的類別。曹寶龍老師認(rèn)為，合理的物理模型的分類方法應(yīng)該以問題解決過程的要素為依據(jù)。問題性質(zhì)的研究也是問題解決的關(guān)鍵，以問題性質(zhì)的要素為依據(jù)可以將模型分成：?jiǎn)栴}的對(duì)象（狀態(tài)）模型、問題的過程模型和問題的條件模型。曹寶龍.物理模型的建構(gòu)與教學(xué)建議[J].物理教學(xué)探討，2016（5）：2。張賢祺老師把物理模型分為實(shí)體模型、過程模型和方法模型。張賢祺.淺談物理模型的建構(gòu)[J].物理教師，2010（7）：1315。這兩種方法都是按模型的特征進(jìn)行分類的，是靜態(tài)的模型分類方法，即局限于“是這個(gè)物理模型”的層面，分類的結(jié)果也大體相同。模型是對(duì)原型提煉、抽象的結(jié)果，不僅需要最終的模型結(jié)果及應(yīng)用——當(dāng)學(xué)生遇到新問題時(shí)，能從原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中尋找到與現(xiàn)有的問題情境相匹配的模型，更有意義的則是模型的建構(gòu)。我們需要通過不同類型模型的建構(gòu)，體現(xiàn)科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型的意識(shí)和能力，即當(dāng)學(xué)生面對(duì)無法與現(xiàn)有物理模型匹配的真實(shí)的物理情境時(shí)，能有意識(shí)地去建構(gòu)新的物理模型，并利用新的物理模型分析與解決問題。另外，張賢祺老師認(rèn)為，“方法模型”是物理模型的一種，其中涵蓋極限分析法、等效替代法、對(duì)稱分析法、圖像分析法、假設(shè)推理法等。而筆者以為，這些是科學(xué)方法在具體問題中的應(yīng)用，沒有原型與之對(duì)應(yīng)，應(yīng)該不屬于物理模型。

如何培養(yǎng)學(xué)生的模型意識(shí)、模型習(xí)慣以及利用模型分析和解決問題的能力，則需要回歸學(xué)習(xí)過程，在過程中不斷積累。按學(xué)習(xí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和階段性分類，學(xué)習(xí)過程包括新知識(shí)習(xí)得階段和應(yīng)用知識(shí)解決問題階段，簡(jiǎn)言之，就是新授課階段和復(fù)習(xí)課階段。新授課階段是物理概念、規(guī)律累積的過程。該過程中，學(xué)生會(huì)第一次接觸各種類型的物理模型，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、點(diǎn)光源、理想氣體、理想變壓器、薄透鏡、單擺、彈簧振子、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、完全彈性碰撞、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等。這些物理模型都來自教材。在復(fù)習(xí)課階段，學(xué)生會(huì)遇到不同類型的具體問題。教學(xué)中，我們常常將一些具有共同特征的問題歸納為物理模型，如彈簧模型、板塊模型、磁聚焦模型、電磁感應(yīng)中的單雙桿模型、類平拋運(yùn)動(dòng)模型等。這些物理模型來自問題解決的過程，是為方便同類問題的解決而提煉出來的。

無論是新授課，還是復(fù)習(xí)課，要想幫助學(xué)生建立（或復(fù)認(rèn)）完整的概念、模型，均離不開情境或場(chǎng)景支持。徐衛(wèi)華.基于場(chǎng)景支持理論的高中物理模型建構(gòu)[J].物理教師，2021（12）：17。也就是說，不管是哪個(gè)階段，模型不是簡(jiǎn)單的結(jié)論，都需要經(jīng)歷一個(gè)“情境—模型”的建構(gòu)過程。對(duì)應(yīng)這兩個(gè)學(xué)習(xí)階段，物理模型的建構(gòu)過程在功能和特征上存在明顯的差異。圖1和下頁圖2所示即為兩類模型建構(gòu)過程的流程圖和各環(huán)節(jié)具有的特征。

新授課時(shí)，教師一般會(huì)呈現(xiàn)多樣的、開放的物理情境。例如，“質(zhì)點(diǎn)”模型教學(xué)，可創(chuàng)設(shè)的物理情境有飛機(jī)的飛行、汽車的運(yùn)動(dòng)、輪船的航行、天體的運(yùn)動(dòng)等。當(dāng)研究的問題與這些不同情境下物體的大小、形狀無關(guān)時(shí)，就將這些不同類型的物理原型抽象為一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)?！百|(zhì)點(diǎn)”這一模型是之前的物理學(xué)習(xí)過程中沒有涉及的，是由各種具體原型抽象出來的，具有創(chuàng)新性。當(dāng)建構(gòu)了質(zhì)點(diǎn)模型之后，遇到可以忽略物體大小和形狀的情況時(shí)，就可以將這類物體看成質(zhì)點(diǎn)。這是質(zhì)點(diǎn)模型的普適性。如研究運(yùn)動(dòng)員百米比賽中的平均速度時(shí)，可以將運(yùn)動(dòng)員視為質(zhì)點(diǎn)。這也反映了質(zhì)點(diǎn)模型的應(yīng)用性。

而在復(fù)習(xí)課中，常常會(huì)遇到不同的具體問題。如板塊模型，有水平面上的板塊問題，有斜面上的板塊問題，有初速度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)不同的板塊問題，有受力條件不同的板塊問題等。但只要是具體的問題，其物理情境就是單一的、封閉的。這類問題的分析思路、解決方法具有共通性。比如，都需要明晰運(yùn)動(dòng)過程，確定受力特點(diǎn)，運(yùn)用功能關(guān)系或者動(dòng)量守恒規(guī)律等。因而，不同情境下的板塊模型也就可以加以類比。有了一定的積累之后，就可以對(duì)此類問題形成一種程序化的解決策略，這是方法的遷移。但不同的具體問題具有個(gè)性化差異，如果無視問題的個(gè)性化、情境的差異性而“刻舟求劍”式地簡(jiǎn)單套用物理模型固有的方法，則是對(duì)物理模型的一種異化。

三、物理模型的功能

物理模型的意義在于物理模型建構(gòu)及運(yùn)用的科學(xué)方法。我們希望通過建構(gòu)物理模型的過程，提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，養(yǎng)成建構(gòu)模型的意識(shí)和利用模型的習(xí)慣，發(fā)展拓展模型的能力。因此，王全等有了“物理模型教學(xué)”的提法。物理建模教學(xué)的目的是促進(jìn)學(xué)生通過建構(gòu)和使用科學(xué)模型去描述、解釋、預(yù)言、設(shè)計(jì)來理解物理世界和調(diào)控物理現(xiàn)象。王全，母小勇.模型與建模：國(guó)際物理教育新視點(diǎn)[J].外國(guó)中小學(xué)教育，2009（3）：56。因此，物理模型是手段、途徑、橋梁，而不是目的。在新授課教學(xué)中，倡導(dǎo)“根據(jù)這些物理情境，能抽象概括得到什么共同特點(diǎn)？”這樣的提問，旨在培養(yǎng)學(xué)生抽象、概括的能力。而在復(fù)習(xí)課教學(xué)中，倡導(dǎo)“看到這個(gè)物理情境，你想到了什么？”這樣的提問，旨在培養(yǎng)學(xué)生提煉、遷移的能力。而像“這是某物理模型，常常在某地方使用”“這個(gè)問題中的物理模型是……，應(yīng)該運(yùn)用……方法分析” 這樣的簡(jiǎn)單告知，就讓物理模型變成了思維的起點(diǎn)，忽略了問題的本質(zhì)，容易讓學(xué)生養(yǎng)成脫離具體問題的情境、條件，直接去尋求問題答案的功利化學(xué)習(xí)習(xí)慣。

新時(shí)代推進(jìn)高考綜合改革，物理學(xué)科考試評(píng)價(jià)要實(shí)現(xiàn)由“知識(shí)能力立意”向“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”轉(zhuǎn)變，有效發(fā)揮質(zhì)量監(jiān)測(cè)作用，促進(jìn)高中物理育人方式改革。而落實(shí)“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”的高考評(píng)價(jià)體系理念，體現(xiàn)為學(xué)生能夠在復(fù)雜的、新穎的試題情境下綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能處理問題。程力，李勇.基于高考評(píng)價(jià)體系的物理科考試內(nèi)容改革實(shí)施路徑[J].中國(guó)考試，2019（12）：3844。通過設(shè)置真實(shí)的問題情境，考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力，允許學(xué)生多角度作答，使“死記硬背”“機(jī)械刷題”“題海戰(zhàn)術(shù)”的收益大大降低，引導(dǎo)學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)從“解題”向“解決問題”、從“做題”向“做人做事”轉(zhuǎn)變。教育部考試中心.中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系：函套[M].人民教育出版社，2019（1）：18。新課程、新高考背景下，真實(shí)的、復(fù)雜的、新穎的問題情境成為考查學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的方向。解決這樣的問題，首先需要學(xué)生認(rèn)識(shí)情境的物理本質(zhì)，而認(rèn)識(shí)的過程就是將問題情境與原來認(rèn)知結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)備的物理模型建立聯(lián)系。具體的問題情境是多樣化的、不可窮盡的。因此，這種聯(lián)系是基于共性基礎(chǔ)上的個(gè)性化體現(xiàn)，不是“依葫蘆畫瓢”，而是真正體現(xiàn)“具體問題具體分析”。面對(duì)的“具體問題”，可能有原來學(xué)習(xí)過程中遇到的物理模型的“影子”，但肯定有原來物理模型所不具備的個(gè)性化特征，這就需要“具體分析”。分析過程可以借鑒原來物理模型的共性特征，這才是學(xué)習(xí)、積累物理模型的功用，是“用模型解決問題”而不是簡(jiǎn)單的“教模型”。

四、物理模型教學(xué)的建議

新授課階段，物理模型是新概念、規(guī)律建立的橋梁，是透過表象認(rèn)識(shí)物理本質(zhì)的科學(xué)方法。在物理模型的新授課教學(xué)中，要注意這樣幾點(diǎn)。一是要用歸納的方法給出物理模型。物理模型是在眾多的真實(shí)情境中抽象概括出來的，是多樣性基礎(chǔ)上的統(tǒng)一，體現(xiàn)為歸納的科學(xué)方法。如質(zhì)點(diǎn)模型的建立過程。二是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理模型的批判性。物理模型具有代表性、典型性，而又具有條件性，隨著認(rèn)識(shí)能力與技術(shù)的提升，物理模型是不斷變化升級(jí)的。如對(duì)原子模型的認(rèn)識(shí)，從哲學(xué)層面不可分割的組成物質(zhì)的最小單位，到“棗糕模型”“核式結(jié)構(gòu)模型”，再到半經(jīng)典半量子的“氫原子模型”。這體現(xiàn)了人類的認(rèn)識(shí)不可窮盡的特點(diǎn)。三是要讓學(xué)生意識(shí)到物理模型的局限性。模型是原型的替代物，體現(xiàn)了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的認(rèn)知水平螺旋上升的過程。因?yàn)槊鎸?duì)真實(shí)的物理情境時(shí)，不可能一下子就能揭示事物的本質(zhì)，首先需要簡(jiǎn)化，然后逐漸逼近本質(zhì)。如對(duì)氣體狀態(tài)參量關(guān)系的研究，從氣體的等溫變化，到氣體的等容、等壓變化等規(guī)律的研究中，提煉出理想氣體的物理模型;然后再結(jié)合高壓、低溫等實(shí)驗(yàn)條件下氣體狀態(tài)參量之間的關(guān)系，意識(shí)到理想氣體模型只是在壓強(qiáng)不太大、溫度不太低狀態(tài)下的實(shí)際氣體的替代物。

高三二輪復(fù)習(xí)階段，常常有模型專題復(fù)習(xí)課。在這些專題復(fù)習(xí)課中要注意這樣幾點(diǎn)。一是防止物理模型知識(shí)化。復(fù)習(xí)課中常常將物理模型變成復(fù)習(xí)的起點(diǎn)——一拿到具體問題，就讓學(xué)生判別這個(gè)問題屬于什么物理模型，而不是辨識(shí)這個(gè)問題具有什么物理模型的特征。二是防止物理模型模式化。復(fù)習(xí)課中常常用物理模型代替真實(shí)的情境，當(dāng)判定了一個(gè)問題屬于什么物理模型后，緊接著就強(qiáng)調(diào)解決該物理模型問題選用的規(guī)律和方法，而忽視了這個(gè)具體問題的個(gè)性化特征。三是不要試圖將物理模型窮盡。專題復(fù)習(xí)課經(jīng)常是對(duì)一種物理模型的深度挖掘，試圖將同一種物理模型盡可能多地展現(xiàn)甚至窮盡。這樣的處理方式反而使物理模型變成學(xué)生學(xué)習(xí)的一種負(fù)擔(dān)，成為另一種“題海戰(zhàn)術(shù)”。

物理學(xué)習(xí)的過程，本質(zhì)上是通過“物”的層面的研究來揭示背后的“理”，物理模型則是研究過程中的重要手段與媒介。盡管物理模型是重要的，甚至是必要的，但物理模型不是目的。我們的教學(xué)需要做到的是，幫助學(xué)生利用好物理模型來更好地認(rèn)知世界，為他們提供更好的認(rèn)知世界的途徑和方法。這也是將模型建構(gòu)劃歸到科學(xué)思維要素之一的重要原因。