浅谈物理模型的科学思维方法价值20190801(共50张PPT)

美国在2013年 4月颁布的“下一代科学教育标 准 ” （ The Next Generation Science Standards, NGSS）中 ，将“ 开发和使用 模型 ” 作为科学实践的重要内容 ，并且明确指出了其从K-12年级 的学习进程 。
02 物理模型的科学史价值
• 美国著名数学教育家克莱因认为: 任何一门学科最初都是通过直观的 方法建立起来的，每一位数学家都是先直观地思考问题，然后才用演 绎的形式……因此，数学理解是通过直观的方法来获得的．
• 30 年的研究与实践证明，物理建模教学让学生亲身经历建模过程， 不仅促进了学生对物理概念的理解，增强了学习兴趣，还发展了 学生自主学习能力，提升了物理思维品质，实现了教育公平．
• 模型构建简称“建模”概念自上个世纪八十年代提出以来 ，它的 认知价值和教学价值受到广泛的重视和彰显，已经取得了长足的 发展 ；
IYPT、CUPT2017赛题中、英文对照版
——张静， 郭玉英 物理建模教学的理论和实践简介 ［J］．大学物理。2013，32（2）：30~35
• 阎金铎先生把物理教育中的科学方法划分为三个层次：第一层次是具 体方法，第二层次为逻辑方法，第三层次为分析和解决问题的方 法．建立物理模型的方法正是其中第三个层次的方法，亦即最高层次 的科学方法．
桥1 岛区
桥3
桥2
新河
桥4
东区
老河
桥7
桥6
桥5
建模范例：欧拉·七桥问题
建模： “七桥问题”转化为如图所示的一
笔画问题。
概括： 每个点，有进去的边就必须有出来的边，即连接每个点的 边数必须是偶数才能完成一笔画。
推论： 图中的每个点都连接着奇数条边，故不可能一笔画出，这 就说明不存在一次走遍7座桥走法（每座桥只许通过一次）
• HPS 的核心是对于科学本质的认识， 其回答了“ 科学是什么” 和“ 科学 的本质是什么” 这两个问题，主要内容是对公众进行科学史、科学哲学和 科学社会学方面的教育，让公众在历史、哲学和社会学语境中重新理解科 学，形成对科学本质的多维透视，以此促进科学教育、推动科学知识的传 播、提高公众的科学素养。
链接一个链条，如图所示。和自由落体相比，这个链条掉
落在一个水平地面上的时候会下落的更快一点。请分析是
怎么回事？相关变量是如何影响这个下落过程的？
6. Fast Chain A chain consisting of wooden blocks inclined relative to the vertical and connected by two threads (see Figure) is suspended vertically and then released. Compared to free fall, the chain falls faster when it is dropped onto a horizontal surface. Explain this phenomenon and investigate how the relevant parameters affect the motion.
• 近些年在我国新一轮的课程改革的背景下，对科学教育产生了重 大的影响 ，并开始在科学、技术、工程、数学( STEM) 及教师培 训课程中推行．
案例1：模型还原
（17年天津理综）电磁轨道炮利用电流和磁场的作用使炮弹获得超高速度，其原理可以用来研制
新武器和航天运载器。电磁轨道炮示意如图，图中直流电源电动势为E，电容器的电容为C。两根 固定于水平面内的光滑平行金属导轨间距为l，电阻不计。炮弹可视为一质量为m、电阻为R的金属
• 物理学科模型构建能力即建模能力是物理学科核心素养的具体体现， 培养学生物理科学建模能力是高中物理课程的重要目标之一，也是对 学科育人价值显彰，也是对物理学科本质的揭示．
科学建模一个核心的特征是学生如何从自然现象中抽象出物 体和事件的关键特征，将生活中的物和事概念化为物理上可解读 的信息，这个过程即科学建模中典型的认知过程．这个过程中， 学生需要经历推理、类比、想象等等，以支撑其实践活动的发 展．而这个过程，也会促进其概念理解水平的进阶。
• 随着近代实验科学的兴起和现代科学认识的深化，模型一词的涵 义已经超出了作为客体的摹写、样本这个范畴。
• 物理模型是理论和实验的中介，是沟通已知世界和未知世界的桥 梁，是发展物理概念、推理和问题解决的基础。
• 模型建构是科学思维的重要组成部分， 物理模型并不完全是物理 问题的图像化， 它是对所研究对象抽象概括后的进一步形象化．
• 物质观念 • 运动与相互作用
观念 • 能量观念
物理 观念
科学 思维
• 模型建构 • 科学推理 • 科学论证 • 质疑创新
• 问题 • 证据 • 解释 • 交流
科学 探究
科学态度 与责任
• 科学本质 • 科学态度 • 社会责任
课程目标2——对科学思维的诠释
具有建构模型的意识和能力；（模型建构） 能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、 找出规律、形成结论；（科学推理） 具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的 问题进行描述、解释和预测；（科学论证） 具有批判性思维的意识，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题， 追求科技创新”。（质疑创新）
——杜威
自2004年，我国各省（自治区、直辖市）相继开始了一轮高中 课程改革，十几年的课程改革促进了物理课程理念的更新、教学 方式以及学习方式的变革，为全面提升学生物理学科素养奠定了 基础。然而实施中也产生了一些问题。例如，有些省份的学生学 习的内容不同，给大学教育带来了困难；科学思维培养要求不够 具体；
上述三组方程分别表征了两个子系统内、两个子系统间的关系结构，消
去 It
和 vm，可得到答案
Q B2l 2C 2E m B2l2C
案例2：模型匹配
为什么系紧的鞋带自己为松开?
所有的结都有这样一 个共同点，就是都包 含一个类似于动滑轮 的结构。
加州伯克利的一位教授还专 门做了研究。他用高速摄影 机拍摄实验对象跑步时鞋带 散开的过程，测量出跑步过 程中鞋带末端的加速度可以
棒MN，垂直放在两导轨间处于静止状态，并与导轨良好接触。首先开关S接1，使电容器完全充电。
然后将S接至2，导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大小为B、方向向里的匀强磁场，MN开始
向右加速运动。当MN上的感应电动势与电容器两极板间的电压相等时，回路中电流为零，MN达到 最大速度，之后离开导轨．问：
1、磁场的方向
基于模型构建的问题解决深度信息加工模式
确定问题 模型化
分解问题 范畴化
整合问题 立体化
突破问题 反馈
信息加工具有一定的惰性，需要某种模式来唤醒，学生储备的各 种经验、知识和方法等，克服随机的、碎片化、无目的、无依据感性 认知方式，培养联系的、有方向、有依据、有结构的理性认知方式。
• 建模教学( Modeling Instruction) 是亚利桑那州立大学理论物理学 家David Hestenes 创立的一种教学模式． 在物理课程中实施建模 教学，可以帮助学生聚焦问题、建构知识，在科学的范畴下进行 问题的解决．
彭前程 《课程·教材·教法》2018年9月
也谈物理模型的科学思维 方法教育价值
南京市教学研究室
提要/CONTENTS
01 物理模型溯源 02 物理模型的科学史价值 03 物理模型的构建与表征 04 物理模型与问题解决 05 物理模型的PCK考量
01 物理模型溯源
• 《辞海》对模型的解释是：根据实物，设计或设想，按比例、生 态或其他特征制成的同实物相似的物体，供展览、观赏、绘画、 摄影、试验或观测等用。
致力于传播知识的教育，对于什么是人类知识、它的机制、 它的价值、它的局限及其可能导致的错误和幻觉等问题毫无所 知，毫不关心，这是非常令人担心的！
------【法】埃德加·莫兰《复杂性理论与教育问题》
教学到底教学生学什么？？？
学生应该学的是思考活动，而不是思 考的结果，…… ——康德
学习就是学习思维。
• HPS 是科学史和科学哲学(History and philosophy of science)的缩写, 也有学 者则认为HPS 是指将科学史(History of science)、科学哲学(Philosophy of science)和科学社会学(Sociology of science)的有关内容融入到中小学的科学 课程中。
• 物理学家何尝不是如此，这种直观正是借助于物理模型，探索物质世 界的规律，构建物理学科的体系，接近科学的本质。
• 法国科学方法论学者阿雷说，科学的基本活动就是探索和制定模型。 王溢然.模型.大象出版社,1999,扉页.
“模型思维”是指个体从原始问题情境中抽取核心要素，将原 始问题转化成物理问题，并建立要素间清晰的建模路径的能 力．它是最能体现物理建模能力不同于其他学科建模能力独特性 的关键品质．
目前科学本质教育的研究成果，认为科学是人们对自然界的描 述和解释，在寻求解释的过程中，必须以观察和实验为基础，并 依赖于经验事实的检验，但是科学知识并非外在物质世界的拷贝， 它包含着人类丰富的想象力和创造力，是建构出来的；科学知识 具有稳定性和持久性，但未来也可能改变，并不断发展和进步．
物理学的历史即是模型构建的历史！
03 物理模型的构建与表征
模型建构的过程包括模型选择过程， 模型建构过程、模型验证 过程、模型分析过程， 以及模型应用与模型再发展或再建构过程。
• 抽象与概括方法 • 近似方法 • 类比方法 • 假说方法 • 具象方法 • 分析与综合方法 • 等效方法
案例——哥尼斯堡 ·七桥问题
大河
北区 南区
• 2017版课标—— 物理学基于观察与实验，建构物理模型，应用数学工具，通过
科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系
物理观念 科学思维
物理学科 核心素养
科学探究
科学态度 与责任
学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而 逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。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”四个方面。
04 物理模型与问题解决
物理问题解决的思维操作流程
（条件） （过程）
反思讨论
（目的）
实际问题 物理问题 数学问题 问题结果
审
确
分
建
选Байду номын сангаас
布
求
明
定
析
立
用
列
解
题
对
过
模
规
方
作
意
象
程
型
律
程
答
分析、判断 简化、抽象
推导、演算
情境化试 题
非情境化 试题
问题解决
物理知识
物理知识、数学工具
模型构建的过程应该是一个深度学习的过程。深度学习是指学 习者在理解的基础上，将新思想和新知识与原有的认知结构相融 合，通过批判性地学习，将众多思想相互关联，将已有的知识迁 移到新的情境中去，做出决策并解决问题的学习。
正如钱学森所指出：“模型就是我们通过对问题的分解，利 用我们考察的机理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所 抽象创造出来的一幅图画，……，是形象化了的自然现象。”这样， 模型就具有了两方面的特质，一是抽象化，二是具体化。
——钱学森.论科学技术.科学通报,1951(4),99
在科学领域， 模型被视为对真实世界的一种表征， 建模是建 构或修改模型的动态过程， 即从复杂的现象中， 抽取出能描绘该 现象的元素或参数， 并找出这些元素或参数之间的正确关系建构 足以正确描述、解释该现象的模型的过程。
达到7倍的重力加速度
有一种力在拉绳头，不 是灵异事件，这就是惯 性力。当你系好鞋带走 路或者跑步的时候，由 于双脚加速，减速，绳 圈和绳头部分会受到惯 性力。说通俗点，就是 “甩来甩去”的那种力 量。
鞋带的物理模型
|l1-l2|ρα与摩擦力比大小 的问题
案例3：模型构建
6. 快链条 由若干木棍稍微和水平相比有一定角度，然后用两跟细线
2、MN 刚开始运动时的加速度a的大小
3、MN 离开导轨后电容器上剩余的电荷量Q是多少．
1、电容器放电过程的关系表征
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2、导线棒加速过程的关系表征 v BIl t
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3、两个子系统间在最终状态下，可以用电动势与反电动势间的关系来 表征
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