初中生物理模型建構能力探析

聶卓丹 曾鎮滔

摘 要：隨著社會發展需要，模型建構能力作為物理學科核心素養的關鍵因素之一，學生的物理建模的能力應該被關注。文章通過問卷發放的形式調查了江門市兩所初中生物理模型建構能力，從四個維度了解目前初中的物理建模的現狀，根據結論提出了一些改進措施。

關鍵詞：初中物理；核心素養；物理建模

一、模型建立與初中生建模的問題

《義務教育物理課程標準（2022年版）》中提出的課程理念是：義務教育物理課程要面向全體學生，培養學生的核心素養。而核心素養的內涵包括：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。模型建構屬于科學思維的關鍵所在。由此可見在核心素養視角下，初中生的物理模型建構能力應該被關注，在教學中發展模型建構能力也是初中物理的課程目標。

然而，在初中生的建模過程中存在一些問題。首先，教師在課堂教學中可能不夠善于歸納和總結，導致學生對于經典物理模型的掌握不夠全面。其次，學生對于物理模型的適用條件和適用范圍的認識可能不夠清晰，無法將物理模型恰當地應用到新的問題中。為了解決這些問題，教師在教學中應注重物理模型的構建。通過引導學生構建物理模型，教師能夠幫助學生掌握科學的學習方式，提高他們的自主學習能力。

二、初中生建模能力的調查研究過程與方法

（一）研究對象

本次研究以江門市兩所中學八、九年級學生為調查對象。發放填寫930份問卷，回收930份問卷，其中去除11份無效問卷，919份有效問卷。具體分布如圖1。

其中調查內容也包括對學生物理學習成績的大致了解，具體分布如圖2。

（二）研究方法

本研究利用問卷對學生的個人基本情況、知識基礎、教學情況、課后物理學習四個維度進行考察。問卷設計題量適中，調查內容簡明。具體問卷見附錄。對于問卷數據統計分析主要采用Excel表格和SPSSAU在線分析。

三、調查數據結果分析

（一）學生物理模型建構知識基礎維度

本維度共有四小題，分別是“何謂物理模型”“在下列名詞中選出物理模型”“有關浮力的兩個物理公式區別”“學習某些需要模型構建知識點時遇到的困難”，前兩題為多選、后兩題為單選。由數據可得，在本維度上接受調查的各階段學生（年級、城鄉）沒有明顯的差異。

（二）對物理模型概念的意義和認識

調查表明，有超過八成的學生對物理模型的定義是有所了解的。但學生在了解物理模型的定義的基礎上，對物理模型的具體內容和各模型的區別就知之甚少。學生所認為的“物理模型”如單擺撞擊、小船渡河實質上是由基本物理模型組合成的抽象化的“物理題型”，而新課標中提到的物理模型屬于基本物理模型，這就存在一個認知沖突。同時，調查還表明學生對物理概念里的決定式和定義式區別還是比較了解的。想讓學生達到這個程度離不開教師上課時對阿基米德原理和浮力產生原因加以講解，學生理解這兩個概念后，很容易區分開兩個公式。

（三）有關物理模型建構教學情況維度

學生在學習物理模型時，往往需要將形象的現實場景轉化為抽象的數學符號和公式，這對于初學者來說是一個較大的挑戰。因此，在建立物理模型的過程中，需要教師引導學生通過大量的現實對象來增加學生對模型的直觀感受，幫助學生更好地理解和掌握物理規律。學困生對于基礎知識上的掌握情況也不夠，這可能是因為這些學生在學習過程中沒有充分理解抽象的物理概念，或者沒有掌握相關的數學知識和技能。隨著技術的發展，上課時教師會利用多媒體進行教學，以提高課堂教學的效率和趣味性是很普遍的。多媒體教學可以通過圖像、動畫、視頻等形式來呈現物理概念和規律，幫助學生更好地理解和記憶相關內容。研究還表明，上課時創立一些具體直觀的情景會影響學生的物理成績。因此，教師應該注重物理情景的構建，幫助學生更好地理解和應用物理規律，提高學生的學習興趣和學習成績。

在實際教學中教師對實驗的重視程度是不夠的。從問卷統計結果看出很多教師僅以口頭描述和畫圖進行物理實驗講解，對課標的演示實驗和學生的實操實驗重視不夠。

教學中教師在教授相關模型時，對實驗不夠重視的原因主要有以下幾點：1. 認為實驗過程不重要，只要求學生記住實驗結果，在做題時不出錯即可；2. 學校條件不允許，實驗設備不充裕；3. 課時緊沒有足夠的時間讓學生自己動手做實驗。

筆者根據以上問題，提出如下建議：首先，對于?？嫉闹匾锢韺嶒?，可以專門安排時間，尤其是課表列出的重點實驗，讓學生去實驗室親手操作是很有必要的。這樣能夠讓學生親身體驗實驗過程，增強他們對物理規律的理解和記憶。其次，如果課時比較緊張，在課堂中有老師進行實驗演示也是很有必要的，通過實際操作和觀察，幫助學生更好地理解物理概念和規律。這樣可以彌補學生無法親自操作的不足。另外，當一些客觀條件不允許時，可以利用身邊的有效資源，教師制作一些小物理道具進行演示。這樣可以讓學生通過觀察和參與，更好地理解實驗原理和結論。

（四）課后物理模型建構學習維度

研究表明，超過半數的學生希望或者傾向老師能夠詳細地講一道題，并且寫下詳細的解題過程。但是對于題目的解決方法，解決思路和模型建立的過程不是很關心，只是著眼于把老師的答案和過程照抄下來。顯而易見這樣對學生的思維發展和獨自求解的能力是不好的。如果在講解時要求學生認真聽，講解結束留出一些時間，讓學生記錄關鍵點。在課下時，學生可以在錯題本上對題目進行總結和反思，整理好題目和解題過程，這樣可以幫助更好地提高學習效果。

根據第14題的調查結果，發現課下總結的學生只占3成。從不同學習層次的橫向對比可看出，學生的成績和課后總結復習是成正相關，而總結復習也是掌握物理基本知識點和了解物理模型構建、模型間聯系的重要步驟。

第15題數據表明物理成績越好的學生越習慣于在生活中利用已知的物理知識去解決遇到的物理現象。

第17題關于學生審題習慣的調查中，選A的占39.06%，選B的占16%，選C的占28.4%，選D的占16.54%。研究結果表明，學生經過一定程度的訓練強化后，能夠按照步驟先瀏覽題目，從知識庫里搜尋出題目所涉及的物理模型再進行求解。

四、結論

1. 從學生層面來看，經過一段時間的學習和訓練后，大部分的學生對物理模型有初步認識，但是對具體模型的內容及分類處于一個認知相對模糊的階段。這點在對物理公式的認識上包括公式的來源和具體含義體現得尤為明顯。在學完新知后，學生沒有總結的習慣，沒有建立基礎知識和建立模型之間的聯系，這導致在解決物理題目時審題不清，不能充分挖掘出題目中的有效信息，聯系到已學習的物理模型。

2. 從教師層面來看，因為課時等一些原因，教師在上課時對物理實驗的重視程度不夠，教授物理模型相關內容時可以利用多種方法，比如利用多媒體或演示實驗創建具體的物理情境讓學生先有個感性的認識。

五、教學建議

（一）將物理建模與生活現象相結合

為了加強學生的物理模型建立能力，首先我們的教學不能脫離生活實際。在日常教學中通過有目的、有計劃地引導學生觀察生活中的物理現象，在課堂上演示實驗也可以通過自制教具來實現。例如，在連通器的教學中，一把茶壺、一個水位計等物體，這些觀察可以為學生建立模型提供可靠的基礎。通過這樣的實踐，學生可以更好地理解物理模型及模型的建立過程。在教授人教版八年級下冊“簡單機械”時，生活中的工具或器械讓學生進行分析和比較。通過這樣的觀察和分析，學生可以抽象出“杠桿”這一物理模型。這種實踐可以幫助學生更好地理解物理模型的本質和應用。通過分析比較這些直的、彎曲的工具或器械，總結出其共同的特征：①堅硬，在使用時不會發生變形；②盡管有的固定點在一端，有的固定點在中部，但在力的作用下都能夠繞固定點旋轉。

（二）關注情景式教學模式

在具體的教學情景中培養學生的建模能力是一個有效途徑。例如，在研究真空不能傳聲的課本演示實驗時，我們在實驗時無法實現真空的環境，只能通過玻璃罩內空氣越來越少，聲音越來越小的現象推理出“真空不能傳聲”這一結論。這為實驗結果分析及相關問題的解決提供了基礎；在學習電學時，把接入電路的電流表看作是一個阻值接近于0的導線，把電壓表看作開路，給實驗研究和設計帶來極大方便，簡化了相關的實驗。

（三）加強非認知能力培養

在教學過程中，讓學生照搬課本的物理概念和規律是不可取的，而是要創設適當的物理情境，有計劃地引導學生去探究物理公式的推導過程和對知識點進行溯源。這樣學生在探究問題的過程中不僅能夠掌握知識，還能夠學會和領會物理建模的思維方法。這種探索式的學習方式可以激發學生的學習興趣，培養他們的探索精神和創新能力，并要求學生在研究問題時比較專注，在碰上難題時能冷靜地分析思考。這也是教學中培養學生重要能力的一環。

附錄

中學生物理模型學習調查問卷

1. 你所在的年級是？

A. 八年級? ? ? B. 九年級

2. 你所在的學校地處？

A. 城市? ? ? ? B. 農村

3. 你的性別是？

A. 男? ? ? ? ? B. 女

4. 你的物理成績如何？

A. 上游? ? ? ? B. 中上游

C. 中下游? ? ? D. 下游

5. 你認為物理模型是什么？

A. 生活中的實際物體和實際過程

B. 物理學中的一種常用的解題方法

C. 一種特殊的物理題型，如“單擺模型”

D. 對實際物體、物理過程突出本質的簡化

6. 你覺得下面哪些屬于物理模型？（多選）

A. 點光源? ? ? ? B. 斜面

C. 輕質杠桿? ? ? D. 電流表

E. 光滑平面，不計摩擦

7. 你認為兩種求浮力的方法F?。紽向上－F向下，F?。溅岩篻V排有區別嗎？

A. 都是數學公式，得出的數據相同，沒有區別

B. 不相同，一個是浮力的產生原因，一個是阿基米德原理

C. 不相同，兩個求出來的結果可能不同

D. 不知道這兩個公式有什么區別

8. 你學習安培定則、勻速直線運動、物體浮沉條件等知識點時，有哪些困難？

A. 沒有困難

B. 第一次接觸這些知識點時，覺得抽象不好理解

C. 不清楚這些知識點的建立目的和重要性

D. 記不住定義、適用條件、特征

9. 老師在上課或講解練習時，有沒有構建物理情景？

A. 經常? ? ? B. 偶爾

C. 從來沒有? ? ? D. 不清楚

10. 老師上課會利用多媒體教學嗎？

A. 經常? ? ? B. 有時

C. 偶爾? ? ? D. 從來沒有

11. 上課時，老師采取的物理實驗教學的方式主要是？

A. 老師通過口頭或畫圖描述來講解實驗過程和原理

B. 看實驗視頻，之后對學生講解實驗過程和原理

C. 老師演示實驗，同時對學生講解實驗過程和原理

D. 在老師的指導下，學生自己動手做實驗

12. 你喜歡怎樣的知識鞏固方式？

A. 老師快速講解知識，剩余大量時間做題鞏固

B. 老師細致地講解知識的來源、定義、條件、特征，再做少量題鞏固

C. 經過考試等檢測手段后，發現自己的不足，再有針對性的鞏固

D. 自己畫出知識框架，逐步根據知識點復習

13. 教師在講解題時，你的筆記主要記錄哪些內容？（多選）

A. 題目所涉及的主要解題過程

B. 題目所屬物理模型及普遍解法

C. 做題心得及總結

D. 題目所涉及的分析問題的方法

E. 題目用到的公式

14. 學完一章節之后，你是否會做本章的物理模型小結？

A. 肯定要做

B. 想做，沒時間

C. 偶爾能想起來去做

D. 從來沒做

15. 你會用物理知識去分析生活中所遇到的物理現象嗎？

A. 經常? ? ? B. 有時

C. 偶爾? ? ? D. 從來沒有

16. 你在解決物理問題時，你的困難來自于什么？

A. 讀不懂題目的意思

B. 雖能讀懂題目的意思，但想象不出物理情景和物理過程

C. 忘記公式

D. 不確定想到的公式是否適用于本題

E. 找不出題目的隱含條件

F. 篩選不出有用信息和無用信息

17. 下列關于審題的習慣，哪一項與你最接近？

A. 先認真讀題，仔細畫好受力分析圖和運動過程圖，再從宏觀上確定解題模型

B. 回想這個問題和老師講過的哪道題類似

C. 先從宏觀上大致確定這是一個什么問題，應建立何種物理模型，再去具體分析和解題

D. 先寫出題目中可能涉及的公式，再將公式一一套入題目中，進行篩選

參考文獻：

［1］黃朝亮.核心素養視角下物理模型構建教學初探［J］.當代旅游，2018（11）.

［2］郭玉英，張玉峰，姚建新.物理學科能力及其表現研究［J］.教育學報，2016（04）.

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［4］劉思宏.基于初中原始物理問題的物理建模能力培養研究［D］.上海：上海師范大學，2019.