摘 要：高中物理教學(xué)的核心是建立結(jié)構(gòu)化的模型。學(xué)生思考問題時(shí)建立的心智模型與物理模型之間存在著明顯區(qū)別，引導(dǎo)學(xué)生將心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ陀兄诎l(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理、科學(xué)論證、批判反思等能力。為解決高中物理靜電教學(xué)中存在的教師對(duì)課堂教學(xué)節(jié)奏把握不佳等問題，教師應(yīng)實(shí)施基于模型轉(zhuǎn)變的教學(xué)，通過創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生建立心智模型，讓學(xué)生通過推理、預(yù)測、驗(yàn)證，不斷修正模型，進(jìn)而將心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?，從而掌握物理知識(shí)，能夠運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞：心智模型；物理模型；模型轉(zhuǎn)變；高中物理；靜電教學(xué)

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0450-9889（2024）17-0131-04

約翰遜·萊爾德以皮亞杰的建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，提出建構(gòu)“心智模型”的觀點(diǎn)，研究學(xué)習(xí)者思維的表征、推理和轉(zhuǎn)變過程；在此基礎(chǔ)上，海斯特斯結(jié)合學(xué)習(xí)科學(xué)、科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、語言學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、空間感知心理學(xué)等提出“建模理論”，認(rèn)為物理建模教學(xué)的目的是生成心智模型，并經(jīng)由科學(xué)推理、解釋與檢驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ停?］。本研究融合上述觀點(diǎn)，提出基于模型轉(zhuǎn)變的物理教學(xué)方式：學(xué)生在教師設(shè)置的問題情境下，形成心智模型，進(jìn)行科學(xué)推理、科學(xué)論證、批判反思，促使心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ汀?/p>

一、高中物理靜電教學(xué)困難與模型轉(zhuǎn)變教學(xué)優(yōu)勢(shì)

（一）高中物理靜電教學(xué)存在困難

高中物理靜電教學(xué)困難，歸納起來就是教師難以控制“放”和“收”的度。一部分教師演示大量實(shí)驗(yàn)、開展手工制作活動(dòng)，放任學(xué)生在課堂上嬉笑玩鬧，難以控制課堂節(jié)奏，只得草草收?qǐng)觯慌c此相反，一部分教師傾向于盡快引出物理學(xué)原理，無視學(xué)生的相異觀點(diǎn)，采用歸納的方式直接得出結(jié)論，這樣做貌似提高了效率，事實(shí)上學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解缺乏深度。

造成這些教學(xué)現(xiàn)象的原因有二。一是教學(xué)目的存在偏差，部分教師的關(guān)注點(diǎn)只落在問題解決，對(duì)建立模型過程中學(xué)生的思維發(fā)展缺乏重視與深刻理解。二是部分教師受經(jīng)驗(yàn)主義觀念的影響，將科學(xué)知識(shí)當(dāng)作線性積累的、客觀不變的真理，進(jìn)而忽視科學(xué)發(fā)展中的波折與爭論，試圖引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)經(jīng)驗(yàn)機(jī)械地推導(dǎo)出結(jié)論，使教學(xué)變了味道。

（二）將模型轉(zhuǎn)變運(yùn)用于物理教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

心智模型指的是問題情境在人們頭腦中被認(rèn)知和概念化后所產(chǎn)生的真實(shí)或想象情境的心理描述。物理模型是物理知識(shí)結(jié)構(gòu)化的呈現(xiàn)形式。物理教學(xué)中模型轉(zhuǎn)變的目標(biāo)是使心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?，通過討論、理解、評(píng)估他人的模型，或是通過檢驗(yàn)呈現(xiàn)的模型來進(jìn)一步了解我們的心智模式是否能讓我們進(jìn)一步去理解、描述、解釋和預(yù)測現(xiàn)象或事件。若是符合，則模型將會(huì)被強(qiáng)化，模型即可以被使用；若必須否定模型時(shí)，則模型必須改變，此時(shí)需要修正模型或是拒絕模型，從而構(gòu)建一個(gè)新的模型。

建模理論認(rèn)為，科學(xué)知識(shí)的發(fā)展是一個(gè)不斷生成模型與修正模型的過程。物理教學(xué)可以看作重演發(fā)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)的過程，學(xué)生使用他們已有的知識(shí)去整合新的信息，進(jìn)而拓展他們的知識(shí)。在整合過程中，來自現(xiàn)象觀察、直接經(jīng)驗(yàn)，或是許多表征的交互作用經(jīng)由心智的運(yùn)作建立得到心智模型，然后通過推理、預(yù)測、檢驗(yàn)和解釋，使心智模型轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ汀？梢姡锢斫虒W(xué)的思維目標(biāo)是模型轉(zhuǎn)變，模型轉(zhuǎn)變有利于理解科學(xué)發(fā)展的過程?；谀Ｐ娃D(zhuǎn)變開展高中物理教學(xué)符合學(xué)生認(rèn)識(shí)新知識(shí)、完善知識(shí)體系的規(guī)律，教師不應(yīng)只關(guān)注問題的解決而忽略了建模過程的教學(xué)。

二、基于模型轉(zhuǎn)變的靜電教學(xué)路徑

哈倫提出的建模過程分為五個(gè)步驟：模型選擇、模型建立、模型驗(yàn)證、模型分析與模型應(yīng)用［2］。與科學(xué)發(fā)展的過程類似，物理教學(xué)也是通過提出心智模型、檢驗(yàn)心智模型的過程來實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

分析“心智模型建?！迸c“物理模型建模”兩種過程可知，建模的途徑是先創(chuàng)設(shè)情境促進(jìn)學(xué)生建立心智模型，然后在與證據(jù)的交互作用中豐富、轉(zhuǎn)變模型，以達(dá)到建構(gòu)物理模型的目標(biāo)?；诖?，教師設(shè)定物理教學(xué)模型轉(zhuǎn)變路徑如下：創(chuàng)設(shè)情境建立心智模型—基于心智模型進(jìn)行推理—預(yù)測與檢驗(yàn)心智模型—評(píng)估、分析并轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ汀獞?yīng)用與解釋物理模型。下面以“靜電的防止與利用”教學(xué)為例進(jìn)行具體闡述。

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)理解靜電平衡狀態(tài)的形成過程，知道處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部電場強(qiáng)度處處為零；了解尖端放電、靜電屏蔽現(xiàn)象，了解靜電防止的原理；知道靜電吸附原理，了解靜電吸附在靜電除塵等技術(shù)中的應(yīng)用；關(guān)注生活、生產(chǎn)中的靜電現(xiàn)象，體會(huì)物理學(xué)與生產(chǎn)、生活的緊密聯(lián)系。本節(jié)課包含靜電平衡、尖端放電、靜電屏蔽、靜電吸附等四個(gè)方面的內(nèi)容。

（一）創(chuàng)設(shè)情境建立心智模型

首先，教師展示電容器萊頓瓶，通過摩擦起電的方式產(chǎn)生靜電，連接電容器儲(chǔ)存電荷，然后讓學(xué)生體驗(yàn)電容器放電帶來的觸電感，引導(dǎo)學(xué)生觀察電容器兩極板用導(dǎo)線連接時(shí)的放電現(xiàn)象，深化學(xué)生對(duì)電容器放電的認(rèn)識(shí)。學(xué)生得出結(jié)論：可以通過放電或者中和的方式減少靜電的傷害。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬教材介紹的生活中脫毛衣時(shí)產(chǎn)生靜電的過程，有利于增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生認(rèn)真觀察與思考物理現(xiàn)象。

接下來，教師介紹“法拉第籠”。教師提出問題：在籠外高壓放出電火花的情況下，你是否敢待在鐵籠中？學(xué)生都認(rèn)為此時(shí)待在籠中不可能安然無恙。

考慮到學(xué)生沒有相關(guān)的生活經(jīng)驗(yàn)，不容易建立靜電感應(yīng)的心智模型，教師于是創(chuàng)設(shè)具有強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突與探究樂趣的問題情境。

（二）基于心智模型進(jìn)行推理

結(jié)合“法拉第籠”，引導(dǎo)學(xué)生溯因：探究金屬導(dǎo)體在電場中電荷的移動(dòng)。為了描述學(xué)生的心智模型，請(qǐng)學(xué)生在黑板上用不同顏色的磁鐵代表正負(fù)電荷，描述電荷的受力與運(yùn)動(dòng)過程（如圖1所示）。引導(dǎo)學(xué)生思考問題：電荷會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去嗎？在哪里聚集？會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

通過歸納電荷的受力和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可以得出感應(yīng)電荷聚集的位置，推斷出感應(yīng)電荷產(chǎn)生的附加電場的方向，與外電場疊加以后，合場強(qiáng)會(huì)逐漸變?nèi)踔敝翞?，最終演繹出靜電平衡的模型。

（三）預(yù)測與檢驗(yàn)心智模型

科學(xué)家非常重視預(yù)測。赫茲認(rèn)為，我們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)最重要的問題是對(duì)未來的預(yù)測，以便根據(jù)預(yù)測來設(shè)計(jì)檢驗(yàn)方案。拉卡托斯認(rèn)為，一個(gè)理論是否具有競爭力，最重要的依據(jù)是其是否具有更強(qiáng)的預(yù)測力，能夠預(yù)測到更多現(xiàn)象的理論才能在競爭中“適者生存”。在模型轉(zhuǎn)變教學(xué)中，學(xué)生在熟悉模型結(jié)構(gòu)和推理的基礎(chǔ)上做出預(yù)測，設(shè)計(jì)定量測量程序，比較模型與數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)與預(yù)測相符時(shí)，學(xué)生更加堅(jiān)定自己的想法，而構(gòu)建了錯(cuò)誤模型的學(xué)生大多接受了不相容模型的正確性，開始改變?cè)心Ｐ汀?/p>

在靜電平衡教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測：在靜電平衡的情況下，電荷最終會(huì)如何分布？會(huì)出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)象？如果金屬形狀不規(guī)則，電荷將如何分布？學(xué)生預(yù)測后，教師引導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)（靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示）。

實(shí)驗(yàn)一：驗(yàn)證導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)為零。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：籠內(nèi)驗(yàn)電器金屬箔片不張開。

實(shí)驗(yàn)二：驗(yàn)證電荷分布在外表面。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：籠外驗(yàn)電器金屬箔片張開。

實(shí)驗(yàn)三：驗(yàn)證尖端電荷更密。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：尖端驗(yàn)電羽張角較大（如下頁圖3所示）。

（四）評(píng)估與分析心智模型，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砟Ｐ?/p>

本研究構(gòu)建了建模能力分析量表（如表1所示），采用半結(jié)構(gòu)式訪談法和錄制視頻回放分析法，考查學(xué)生在面對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)心智模型的特點(diǎn)和心智模型向物理模型轉(zhuǎn)變的情況，通過繪制模型圖、預(yù)測與檢驗(yàn)、分析、交流與論證等方式，繪制學(xué)生動(dòng)態(tài)建模過程的完整圖景。

表1 建模能力分析量表

[測評(píng)層次 具體表現(xiàn) 水平1

經(jīng)驗(yàn)觀察 直覺回答 沒有觀察到相關(guān)現(xiàn)象，也無法回答出相關(guān)且正確的因素 關(guān)注實(shí)體 觀察到具體現(xiàn)象，但無法回答出相關(guān)且正確的因素 水平2

解釋規(guī)則 單一因素 回答出一種與理論相關(guān)的因素 多重因素 回答出兩種及以上與理論相關(guān)的因素，但沒有涉及因素之間的關(guān)系 水平3

因果關(guān)系 交互關(guān)系 注意到多種因素，而且試圖聯(lián)系各種因素，形成交互關(guān)系，但沒有運(yùn)用理論術(shù)語和規(guī)則 延伸關(guān)系 注意到多種因素，而且試圖聯(lián)系各種因素，形成交互關(guān)系，各交互關(guān)系形成某種抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)形式 水平4

理論系統(tǒng) 科學(xué)理論 注意到多種因素，而且試圖聯(lián)系各種因素，形成交互關(guān)系，同時(shí)運(yùn)用多種抽象形式的理論術(shù)語和推理方式 ]

教學(xué)活動(dòng)的高潮是請(qǐng)各小組報(bào)告和討論檢驗(yàn)的結(jié)果，學(xué)生可以在分析與評(píng)價(jià)的過程中獲得整體經(jīng)驗(yàn)。模型轉(zhuǎn)變需要達(dá)到兩個(gè)重要目標(biāo)：一是促進(jìn)對(duì)物理模型結(jié)構(gòu)化和客觀性的理解，二是讓學(xué)生的物理直覺與科學(xué)觀念一致。

學(xué)生最后整合出靜電平衡的物理模型：凈電荷分布在金屬外表面，金屬內(nèi)部沒有凈電荷且場強(qiáng)處處為零，在金屬外表面尖端的電荷分布更密。

在討論之后觀看“法拉第籠”視頻：雖然籠外電壓很高，但是籠內(nèi)的人安然無恙。學(xué)生結(jié)合“法拉第籠”實(shí)驗(yàn)，分析防靜電包裝袋、電腦主機(jī)箱、信號(hào)線等物品中蘊(yùn)含的物理原理，明確外電場不會(huì)對(duì)殼內(nèi)的儀器產(chǎn)生影響，順勢(shì)引出靜電屏蔽的概念。

（五）應(yīng)用與解釋物理模型

基于模型轉(zhuǎn)變的高中物理課堂的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生運(yùn)用轉(zhuǎn)變后的物理模型解決實(shí)際問題，從而加深學(xué)生對(duì)模型的理解。

教師演示靜電馬達(dá)實(shí)驗(yàn)：將杯子底部釘上圖釘放在支架上做成馬達(dá)，兩側(cè)的絕緣柱貼上鋸齒狀的金屬箔片，讓箔片與起電機(jī)相連。揺動(dòng)起電機(jī)，仔細(xì)觀察，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)起來了（靜電馬達(dá)裝置如圖4所示）。是什么驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)起來呢？

教師提供三種不同材質(zhì)的馬達(dá)給學(xué)生探索：金屬杯、貼鋁箔條的塑料杯以及普通塑料杯。學(xué)生發(fā)現(xiàn)金屬杯兩邊劇烈搖晃而不轉(zhuǎn)動(dòng)，教師引導(dǎo)學(xué)生解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：金屬杯在外電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，靠近電極兩側(cè)的圓弧部分受到徑向的電場力，兩側(cè)受到的引力會(huì)平衡，使金屬杯子幾乎不轉(zhuǎn)動(dòng)。貼鋁箔條的塑料杯與不貼鋁箔條的塑料杯效果相同，都可以順利轉(zhuǎn)動(dòng)，這是什么原因？之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體表面越尖銳位置處電荷密度越大，如果在尖端附近產(chǎn)生的電場足夠強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生怎樣的現(xiàn)象？在強(qiáng)電場作用下，物體越尖銳位置處附近電荷密度大，電場強(qiáng)度劇增，致使這里的空氣被電離而產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象，被電離的空氣正、負(fù)離子與尖端附近電性相同的空氣離子被排斥而飛向遠(yuǎn)方，形成的“電風(fēng)”足以吹滅蠟燭（“電風(fēng)”吹蠟燭實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示）。用風(fēng)來解釋靜電馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，可以使放電的過程可視化，從而解釋靜電馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)。

學(xué)生觀察自制靜電除塵器（靜電除塵器裝置如圖6所示），用塑料瓶作為煙囪，鋸條作為尖端放電的一極，貼在瓶子內(nèi)壁的鋁箔片作為吸塵的另一極，將感應(yīng)起電機(jī)的正極連接鋁箔片，負(fù)極連接鋸條，艾條燃燒產(chǎn)生煙霧，轉(zhuǎn)動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)，可以看見明顯的吸附除塵現(xiàn)象。教師引導(dǎo)學(xué)生用尖端放電來解釋靜電除塵器的原理：負(fù)極（鋸條）處的電荷聚集較多，電場較大，容易吸附附近的空氣分子并將其電離為正離子和電子，正離子吸附在負(fù)極，電子使煙塵帶負(fù)電，煙塵在靜電力的作用下會(huì)運(yùn)動(dòng)到正極的金屬片上被吸附。

教師引導(dǎo)學(xué)生討論生活中尖端放電與靜電吸附的應(yīng)用，展示避雷針、燃?xì)庠铍娮狱c(diǎn)火器、靜電復(fù)印等素材，讓學(xué)生課后觀察、思考這些儀器的原理。

模型轉(zhuǎn)變作為科學(xué)思維的重要內(nèi)容，能有效優(yōu)化物理教學(xué)，對(duì)發(fā)展學(xué)生的思維能力有重要的作用，但是目前針對(duì)基于模型轉(zhuǎn)變、融合核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)模式的研究仍有待進(jìn)一步深入。

參考文獻(xiàn)

［1］HESTENES D.Toward A Modeling Theory of Physics Instruction［J］.American Journal of Physics， 1987，55（5）：440-454.

［2］姜連國，郭玉英.基于物理建模的學(xué)習(xí)進(jìn)階及其指導(dǎo)策略［J］.物理教師，2016（8）：5.

［3］翟小銘，郭玉英，項(xiàng)宇軒.物理建模教學(xué)例析：以“靜電現(xiàn)象的應(yīng)用”教學(xué)為例［J］.物理教師，2015（7）：5.

［4］翟小銘，郭玉英.科學(xué)建模能力評(píng)述：內(nèi)涵，模型及測評(píng)［J］.教育學(xué)報(bào)，2015（6）：9.

［5］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

注：本文系廣西教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度自籌經(jīng)費(fèi)一般課題“‘三新’背景下物理科學(xué)思維培養(yǎng)的研究”（2023C437）的研究成果。

（責(zé)編 劉小瑗）