物理模型思维的缺失与重建|发表论文系列5

​前言

​​刘大明，江秀梅. 物理模型思维的缺失与重建——以无穷时问题的教学反思为例【J】.中学物理教学参考，2020（12）：25—30

​       《普通高中物理课程标准（２０１７年版）》（以下简称《新课标》）为落实中国学生发展核心素养要求，凝练了物理学科核心素养，主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等的方面。注意到模型建构是科学思维的要素之一，这是因为“科学的基本活动就是探索和制定模型”（法国科学方法论学者阿雷语）在探索和制定模型活动中需要科学推理科学论证等要素的参与制定模型后往往还要经历质疑创新要素的洗礼，科学进步过程就是对模型的批判、否定、修正、更替的过程。分析可知物理模型思维在《新课标》中的地位显著提升。基于《新课标》编制的人教版普通高中教科书

《物理》（以下简称《物理》）提高了物理模型这一科学方法的显性化水平，但依然存在“直呼其名不见其实”的情况。笔者探讨了物理模型思维的特征，指出了物理模型思维认识中的缺失，提出了具有针对性的重建策略，并且以无穷时问题的教学反思为例进行了具体探讨。

        一、物理模型思维

       １模型思维概述

       物理模型是反映原物（物体或事物）某方面本质特征的理想物质（过程）或假设结构，是对实际问题进行科学的抽象化处理结果，运用了忽略次要因素突出主要因素的简化方法，有利于对实际问题的分析和研究。物理模型作为一种思维方法和科学研究方法，具有理想化、纯净化、抽象化等特征。笔者着重从功能作用方面阐述物理模型建构的必要性、辩证性和发展性等重要特征。

     （１）物理模型的必要性

        赵凯华教授曾说“实际问题往往是复杂的，其中包含一些非本质的枝节，物理模型就是把实际问题理想化，先略去一些次要因素突出其主要因素，不这样做我们就得不到简洁的物理规律。”也就是说，物理模型思维在科学探究活动中不可或缺十分必要。实际上物理建模过程就是解决问题的过程【１】。由此可见就培养学生的科学研究能力和解决问题的能力而言，重视物理模型教学是极其重要的，是教师不可推卸的教学责任。

        （２）物理模型的辩证性

        物理模型思维方法最核心的特征是忽略次要因素突出主要因素，而实际问题往往十分复杂，具有众多的影响因素，主要因素和次要因素的确定取决于问题研究的需求，研究问题的需求不同，这些众多因素的地位也就不同。某个因素在这个问题需求中原本为主要因素，在另一个问题需求中可能变为次要因素，反之亦然。由此可见，物理模型思维具有辩证性，必须具体问题具体分析，在同一问题中还得根据不同需求而区别分析。

      （３）物理模型的发展性

        随着技术条件的发展，观察认识的推进，理解思考的深入，特别是随着一种新实验现象的呈现，人们对同一事物或问题就会有一个新的认识和理解，并且会通过可共享、可理解、可接受的方式表述出来，这个新认识就是一个新模型。也就是说，对事物或问题所构建的物理模型总是发展变化的。例如人们对于宇宙的认识，有关宇宙构造的模型经历了从天盖说、地心说到日心说，再到宇宙爆炸学说的变迁；对于原子结构的认识，对其模型的完善历经了实体模型、枣糕模型、核式结构模型、波尔模型和量子模型。

      ２、模型思维的缺失

       在实际教学中师生对物理模型的认识或多或少存在着各种缺憾，这种缺憾缘于深层次的认知缺失和最基层的意识缺失以及难以攻克的心理缺失。在中学物理教学中常见的模型思维的缺失性表现主要有以下三个特征。

      （１）模型认识的排斥性

        数学学科几乎伴随着每位学生的成长，也深深地影响着学生的思维方式。数学是符号模式化学科，研究的是数学模型的符号绎推导，在演绎推导中整个过程要求逻辑严密计算精确。实际上，中小学阶段学生接触到的物理内容，强调理性认知，形式往往偏数学化，而对于真正的原始物理问题，学生往往接触较少。在物理教学中，从原始问题到模型构建的分析过程往往被忽视，而过于注重模型建构后的概念演绎、规律呈现和结论推导，得到结论后课堂教学便戛然而止，完全丢弃了由结论到原始问题的反馈过程，物理课堂教学呈现“弃两端取中间”的缺头少尾现象。严格地讲，这不是物理课而是数学课。

        久而久之，师生对近似处理、理想化处理，具有发自意识深处的抵触心理，形成思维障碍确有其因。对物理模型的排斥性是模型思维缺失表现中最根源性的问题。

      （２）模型认识的孤立性

       对事物和问题的认识一旦形成了较为深刻的印象后，这种认识就容易固化。从物理模型角度来看，表现为模型认识的孤立性。例如质点是高中阶段学生接触的模型之一，

在力学问题的研究中，可根据具体情况忽略物体的大小或形状将其视为质点，即将物体看成质点，学生容易形成这样的孤立认识：一个物体要么可以视为质点，要么不可以视为质点，除此之外难以联想到其他物理模型，如果说无法把物体构建为刚体模型是受教学要求所限，尚且情有可原，那么把物体视为轻物模型时表现出来的思维障碍，却意味着是物理模型教学的缺憾。在实际教学中，教师应当充分认识到学生极容易形成模型认识的孤立性特点，这对完善物理模型教学十分重要。

     （３）模型认识的静态性

       对事物的认识应该具备与时俱进、发展变化的眼光，对物理模型的认识亦当如此。然而，学生对模型的认识往往容易静态化，不能用动态的视角处理问题。在初中物理的电路问题中，电表般都会被理想化处理，无须考虑电压表的分流作用或电流表的分压作用，高中阶段一般不再忽略电表的影响而是必须考虑电表内阻的影响。学生对于这一变化常常无所适从，思维严重受阻这正是模型认识的静态性表现。

       ３、模型思维的重建

        根据物理模型的特征和学生认识中存在的缺失性特点，笔者就物理模型教学提出重建策略以期帮助学生提高模型思维意识和物理建模能力。

       （１）建模思维体验策略

       让学生经历物理建模的思维过程，这是一种体验性策略。赵凯华教授执笔的《走在物理课堂之前》一文所呈现的教学故事大致如是：一群好学的孩子从物体下落现象中激起好奇心，兴高采烈地讨论后，提出了有价值的问题，然后对问题进行了深入研究，提出了初步方案。遇到了解决问题的制约条件，在教师的帮助下改善了条件并成功地解决了问题。解决问题后，教师不忘进一步点拨，从解决问题中提炼出科学方法，并以“现身说法”的方式阐述了物理模型的概念及其作用。赵凯华教授的这个教学故事很好地揭示了建模思维中的体验策略。只有经历了物理模型的建立过程才能真正理解物理模型

        （２）建模思维显化策略

       科学方法教育的显性化是新教材的突出特点之一。物理模型科学方法在新教材中的显性化水平虽然显著提高，但仍然存在物理模型的建构过程显化程度不高的问题。物理建模需要经历“实际问题—实物原型—物理模型—数学模型—形成结论—实际问题”这完整的思维过程，其中分析原型特征，根据问题需要，忽略次要或无关特征，突出主要特征形成物理模型是物理建模思维过程中的核心环节。在物理模型教学中，务必要把这一建模核心环节显性化，切实做到思维过程显性化。

       （３）建模思维多元策略

        同样一个物体既可以视为质点也可以视为刚体还可以视为轻物模型。也就是说同一

个物体究竟该建构成何种模型取决于研究问题的需要。文献［１］提出了具有递进关系的“多方建模”教学策略，文献［２］提出了具有并列关系的“多方建模”教学策略。只有经历多元化的建模教学，才能灵活掌握物理建模科学思维方法，最终达到学以致用的目的。

         二、无穷时问题

        １、无穷时问题的界定

       一个物理过程需要经历无限长时间称为无穷时物理过程。从数学角度而言这个物理过程的特点是一个具有累积性的物理量历经时间的推移趋近于某个特定值，显然这属于渐进性问题。具有前述特点的物理问题，本文称为无穷时问题。在高中阶段有以下三个非常典型的无穷时问题。