賴永強

摘? ?要：新課程標準明確提出培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)要求，將學生建模能力放在科學思維的首要位置。高中物理與社會的生產生活實踐緊密相關，情景復雜，教師教學中引導學生建立物理模型，不僅有利于降低學生學習物理的難度，更有利于學生科學思維的培養(yǎng)。對高中階段的物理模型分類、現階段學生建模存在的主要問題進行了研究，并從三個方面淺析了教師如何在課堂教學中培養(yǎng)學生的建模能力。

關鍵詞：核心素養(yǎng);物理模型;物理教學

2017教育部在《普通高中物理課程標準》中提出學科核心素養(yǎng)后，國辦發(fā)〔2019〕29號《國務院辦公廳關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》對課堂教學改革再次提出：促進學生系統(tǒng)掌握各學科基礎知識、基本技能、基本方法，培養(yǎng)適應終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。積極探索基于情境、問題導向的互動式、啟發(fā)式、探究式等課堂教學[1]，這就要求物理課堂不僅僅培養(yǎng)學生的“解題能力”，更應培養(yǎng)學生解決問題的能力，而物理學科核心素養(yǎng)中所要求的物理模型建構能力培養(yǎng)正是著眼于課堂，著眼于學生思維能力、關鍵能力的培養(yǎng)，在這過程中不僅解決學生眼前的“物理問題”，更培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。

1? 物理模型的分類

從廣義上講，只要以實際的現實原型為依據抽象概括出來的物理概念都是物理模型，如電壓、電流、質點、輕彈簧、時間、空間等。

從狹義上講，物理模型特指經過思維加工抽象出來的，能夠反映特定物理客體和物理問題的理想化實體、理想化過程和理想化狀態(tài)，是一種邏輯思維產物。高中物理中研究的一般指狹義上的物理模型[ 2 ]，可以粗略分為：對象模型、過程模型、情景模型。

2? 現階段高中生建模存在的主要問題

2.1? 教師層面

教師在課堂教學中不善于歸納、總結，不注重示范、引導學生建立經典物理模型，課堂中僅僅是機械的知識講授，導致學生在學習過程中缺乏建模的意識和能力。

2.2? 學生層面

（1）學生對高中經典物理模型掌握不全面，各類物理模型的適用條件、適用范圍認識不清。

（2）學生“臨?！蹦芰Σ?，知識遷移能力弱，不能恰當地把物理模型對應的物理規(guī)律移植到新的物理實際問題中。

（3）學生缺乏對物理對象、物理情景分析概括的能力，不能從中排除干擾信息、提取出有效的關鍵信息、抓住主要因素，從而構建出熟悉的物理模型。

（4）學生不善于借助各類圖像建立物理模型。根據題意畫出準確的示意圖過程本身就是一個抽象變形象的思維過程，一個物理模型構建的思維過程。例如在解決運動學中的追及相遇問題、動力學中的滑塊木板運動問題，借助于圖像能夠使物理模型清晰直觀，起到事半功倍的效果;再如“測電源電動勢及內阻”實驗中，利用數學一次函數圖像能夠方便地處理數據。

3? 培養(yǎng)學生建模能力的課堂教學策略

課堂是學生學習的主陣地，教師不僅要示范如何建立物理模型，也要創(chuàng)造機會讓學生自己嘗試建立物理模型，在建模過程中培養(yǎng)學生的分析問題、解決問題的科學思維能力。

3.1? 教師在概念規(guī)律教學中示范“建?！边^程

高中物理涉及許多抽象概念、規(guī)律，如質點、電場、自由落體、平拋運動、彈性碰撞等，教師在新課教學中應該給學生建立清晰的物理模型，弄清每個物理模型成立的條件、模型特點，讓學生今后能從實際情景中建立相應的物理模型，以簡化復雜的物理問題。

以質點概念教學為例，這是學生高中階段接觸的第一個理想模型。要讓學生弄清幾點：①為什么引入質點的概念？②什么樣的研究對象可以視作質點？③現實中是否存在質點？研究對象往往是復雜的、與外界相聯(lián)系的，但有時為了研究問題的需要，可以忽略一些次要因素，抓住問題的主要因素，把一個復雜的研究對象抽象為一個沒有體積不占空間的卻具有質量的點，即為質點。教學中教師可以列舉實際的例子來幫助學生理解質點模型成立的條件，例如引導學生思考：①研究地球繞太陽公轉規(guī)律時能否將其視為質點？研究地球自轉規(guī)律時又能否將其視為質點？②研究平乒乓球運動軌跡時能否將其視為質點？研究乒乓球運動中的旋轉情況時又能否將其視為質點？通過比較分析，學生比較容易理解質點模型成立的條件和質點模型的特點，防止學生有“小物體可視為質點，大物體不能視作質點”的錯誤認識。

再以平拋運動教學為例，平拋運動是典型的過程模型。教師可以采用探究式教學，讓學生親身體驗平拋運動模型的建立過程，理解“平拋運動”模型的核心特點——水平方向勻速運動，豎直方向自由落體運動;學會處理“平拋運動”模型的核心方法——“化曲為直”，課堂中可以舉一些實際情景的例子來幫助學生建立平拋模型。

例如，在一次射擊比賽中，槍與靶子位于同一水平高度，在子彈正對靶子水平射出的同時，靶子自由下落，不考慮空氣阻力，問子彈能否打中靶？在打靶射擊實際情景中，學生該弄清幾個問題： ①該過程的研究對象是什么？? ②運動過程中是否可以把子彈、靶子當作質點看待？③題目中有什么理想條件？這些條件對分析子彈及靶的運動有什么影響？④子彈、靶子做什么運動？⑤子彈的運動如何分解？⑥子彈兩個分運動間有何聯(lián)系？與靶子的運動又有何關系？學生只有經歷了上面的思考才能構建出準確的物理模型，思考的過程就是建模的過程。學生只有理解了平拋運動模型的特點，才會從復雜生活情景中抽象出平拋運動模型，才會解決帶電粒子在電場、磁場中運動的類平拋問題，才會進一步領會到“化曲為直”的思想來解決更復雜的曲線運動所帶來的方便。

3.2? 學生在例題習題教學中體驗“臨?！边^程

建立物理模型是為了更好解決復雜物理問題，只有在解決具體物理問題的實踐中，才能不斷加深對物理模型的認識，提高建模能力[ 3 ]。在習題講評中應該引導學生樹立建模思想，掌握建模方法，模仿教師建模方式，鼓勵學生“臨模”來尋找解題的突破口。建模過程如圖1所示。

解決實際生活情境的問題時，需通過閱讀檢索信息，把一個復雜的情境通過分析、判斷、簡化、抽象成一個熟悉的物理模型，即轉化成一個非情境化的物理問題，再通過物理規(guī)律、借助數學工具解決問題。這類題突出對物理過程的分析，要求學生能夠區(qū)分實際情境與理想模型間的區(qū)別，考查學生熟練利用物理規(guī)律解決實際問題的能力。下面通過一道例題來引導學生如何在情景化試題中建立正確的物理模型，解決實際情境問題。

例題：某游樂園入口旁有一噴泉，噴出的水柱將一質量為M的的卡通玩具穩(wěn)定地懸停在空中。為計算方便起見，假設水柱從橫截面積為S的噴口持續(xù)以速度vo豎直向上噴出;玩具底部為平板（面積略大于S）;水柱沖擊到玩具底板后，在豎直方向水的速度變?yōu)榱?，在水平方向朝四周均勻散開。忽略空氣阻力。已知水的密度為ρ，重力加速度大小為g。

求：（i）噴泉單位時間內噴出的水的質量;

（ii）玩具在空中懸停時，其底面相對于噴口的高度。

第一步：提取有效信息，經分析、抽象，構建物理模型：

本題以考生熟悉的游樂園噴泉為背景，考查學生對豎直上拋、動量定理及力的平衡等知識點的理解。本題的難點在于根據實際情景采用微元法建立“流體模型”，再利用“流體模型”的基本特點，結合相關物理規(guī)律進行求解。

第二步：選取研究對象，根據物理規(guī)律（動量定理、豎直上拋），借助數學工具，列出過程方程：

（i）在極短時間Δt內，噴出管口的水的體積為ΔV，質量為Δm，則

由①②式得，單位時間內從噴口噴出的水的質量為：

（ii）對于玩具，設水對它作用力大小為F，玩具懸停于空中，根據二力平衡有

對于Δt時間內噴出的水，根據動量定理有

由于Δm很小，Δt也很小，所以ΔmgΔt忽略不計，則⑤式寫成：FΔt=Δmv? ? ? ? ? ? ? ? ?⑥

設玩具懸停時其底面相對于噴口的高度為h，水從噴口噴出后到達玩具底面時的速度大小為v，由勻變速運動規(guī)律可得：-2gh=v2-v02? ? ? ? ?⑦

第三步：分析總結。本題背景材料熟悉，但考察形式新穎，要求考生具有較高的物理核心素養(yǎng)，涉及運動與相互作用觀念、能量觀念、科學思維，要求具有較強的抽象概括建模能力和分析推理能力，“流體模型”對于學生并不陌生，在電流的微觀表達式、電磁流量計等公式的推導過程中都有所接觸，學生在本題中通過“臨模”建立起“流體模型”，尋找到解題的突破口。

3.3? 學生在實驗探究教學中經歷“建?！边^程

物理的許多定律、模型都是在實驗中發(fā)現和建立起來的，而圍繞實驗目的，設計實驗方案、分析實驗數據其實本身就是個建模過程。例如，要研究單擺的周期，老師可以拋出這么個生活情境：小朋友在公園蕩秋千時，秋千擺動一個來回與秋千繩長及擺幅之間存在怎樣關系？學生經過自己的思維加工，忽略空氣阻力，忽略繩子粗細，忽略繩長變化這些次要因素，將蕩秋千活動抽象成一個單擺模型，通過研究擺長、擺幅對其周期的影響來判斷秋千周期與哪些因素有關。

在實驗教學中，教師引導學生根據解決實際問題的需要，建立合理的物理模型，將復雜問題簡單化，不僅有利于實驗目的的達成，提高實驗的針對性和有效性，更有利于培養(yǎng)學生的科學思維，提升學生的思維能力，激發(fā)學生解決問題的動力。

4? 結束語

法國方法論學者阿雷諾曾說： “科學的基本活動就是探索和制定模型”，邢紅軍教授也曾指出：“如果把物理教育科學方法分為三個層次的話，建模法則是三個層次中最高層次的科學方法?！庇纱丝梢娢锢砟Ｐ驮诳茖W活動中所起的重要作用，在中學物理教學中所處的重要地位[ 4 ]。學生在嘗試建模的過程，其實就是物理知識內化和遷移的過程，讓學生掌握好建模方法，除了有利于學生加深對物理知識的理解外，還能培養(yǎng)學生良好的思維品質，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，讓他們在解決實際問題中學會“棄偽存真”“化繁為簡”“化難為易”的思路和方法，也許，這才是物理課程最能夠、最應該給學生留下的東西。

參考文獻：

[1]國辦發(fā).〔2019〕29號.國務院辦公廳關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見 [EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2019-06/19/content_5401568.htm.

[2]賈光武.高中物理模型教學的研究與實踐[D].蘭州：西北師范大學，2006.

[3]石密富，粱鳳麗.高中物理教學中模型的構建[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2005，8（3）：119-120.

[4]李化南，張健.物理模型在中學物理教學中的應用[J].菏澤學院學報，2013，35（5）：113-115.