屠旭濱

(浙江大學(xué)附屬中學(xué) 浙江 杭州 310007)

1 問題的提出

傳統(tǒng)課堂過分強(qiáng)調(diào)理想模型的教學(xué)，往往直接給出物理對(duì)象和物理過程簡(jiǎn)化后的物理情境，學(xué)生缺乏對(duì)真實(shí)情境問題做理想化處理的方法和能力，很難抓住物理對(duì)象和過程的本質(zhì)特征，學(xué)生將實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換為物理模型的能力很弱.平時(shí)練習(xí)中大量出現(xiàn)以理想模型為背景的習(xí)題，嚴(yán)重制約了學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題能力的發(fā)展.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2020年修訂)》教學(xué)建議中提出:在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施過程中重視情境的創(chuàng)設(shè), 應(yīng)用物理知識(shí)解決具體問題必須結(jié)合真實(shí)的情境，通過解決生產(chǎn)生活中的真實(shí)情境問題促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成.新頒布的《中國高考評(píng)價(jià)體系》明確指出“情境”是實(shí)現(xiàn)“四層”考查內(nèi)容和“四冀”考查要求的載體，當(dāng)前指向核心素養(yǎng)測(cè)評(píng)的高考試題普遍以真實(shí)情境問題為背景，突出考查物理建模能力，要求學(xué)生分析實(shí)際問題中的關(guān)鍵特征和主要因素，建構(gòu)合適的物理模型運(yùn)用學(xué)過的物理知識(shí)解決實(shí)際問題.

2 高中物理教材中常見的兩種理想模型

物理模型是對(duì)實(shí)際問題中的物理研究對(duì)象及其過程進(jìn)行抽象概括后形成的理想化物理圖景.高中物理教材中主要有兩種理想模型，一種是物理對(duì)象模型，是對(duì)實(shí)物、裝置和環(huán)境的理想簡(jiǎn)化，常見的對(duì)象模型有質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、單擺、彈簧振子、輕繩、輕桿、輕彈簧、理想變壓器、平行光、均勻介質(zhì)、勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)等；一種是物理過程模型，是對(duì)實(shí)際物理過程的理想簡(jiǎn)化，常見的過程模型有勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞、等溫變化等.

理想模型的建構(gòu)需要對(duì)真實(shí)情境進(jìn)行抽象.在新課教學(xué)中要重視對(duì)教材中對(duì)象模型和過程模型這兩種理想模型的學(xué)習(xí)，要讓學(xué)生經(jīng)歷模型建構(gòu)的過程，教師提出真實(shí)情境問題，引導(dǎo)學(xué)生采用抽象概括、類比聯(lián)想、等效替代等思維方法抓住本質(zhì)特征，把實(shí)際的研究對(duì)象和研究過程的本質(zhì)特征抽象出來，根據(jù)本質(zhì)特征建構(gòu)理想模型.

理想模型的應(yīng)用需要對(duì)真實(shí)情境進(jìn)行轉(zhuǎn)換.運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題能力的高低，往往取決于學(xué)生能否把實(shí)際問題中的真實(shí)情境轉(zhuǎn)換成物理模型，習(xí)題教學(xué)要大力開發(fā)使用情境化習(xí)題，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生分析真實(shí)情境問題的關(guān)鍵特征和主要因素，從情境材料中準(zhǔn)確提煉有用信息、識(shí)別提取理想模型.

3 模型建構(gòu)素養(yǎng)的學(xué)業(yè)水平分析

“模型建構(gòu)”是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程.模型建構(gòu)是科學(xué)思維的核心要素，建模能力是科學(xué)思維的重要能力指標(biāo).依據(jù)物理課程標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平劃分，筆者重新列出模型建構(gòu)素養(yǎng)每級(jí)學(xué)業(yè)水平的表現(xiàn)性描述和具體化要求，如表1所示，由表1可知，水平1到水平5逐層遞進(jìn)，其中水平1，2，3僅涉及模型的辨識(shí)、應(yīng)用與選用，沒有涉及建構(gòu)模型，水平4，5涉及建構(gòu)模型，主要是通過建構(gòu)對(duì)象模型和過程模型解決實(shí)際問題，將實(shí)際問題的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換為物理模型是解決實(shí)際問題的基礎(chǔ).

表1 模型建構(gòu)的素養(yǎng)水平劃分

水平2是高中學(xué)業(yè)水平合格性考試的命題依據(jù)，水平4是用于高校招生錄取的學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試的命題依據(jù)，水平5可以認(rèn)為是高水平大學(xué)自主招生考試的命題依據(jù).從培養(yǎng)物理建模能力的角度審視相關(guān)習(xí)題，其境界由低到高可分為5個(gè)水平層次，我們平時(shí)的習(xí)題教學(xué)安排和核心素養(yǎng)測(cè)評(píng)試題的命制，要注意習(xí)題對(duì)應(yīng)的不同素養(yǎng)水平層次.

例如，在命制運(yùn)用運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念分析解決汽車減速問題的3道習(xí)題中(表2)，要應(yīng)用質(zhì)點(diǎn)模型和勻減速直線運(yùn)動(dòng)模型估算作用力，每道習(xí)題所測(cè)評(píng)的模型建構(gòu)素養(yǎng)水平不同.習(xí)題一的問題情境是汽車取消動(dòng)力后滑行，明確指出“假定試車過程汽車受到的阻力不變”，考查在熟悉的問題情境中應(yīng)用質(zhì)點(diǎn)模型和勻變速直線運(yùn)動(dòng)模型，屬于水平2層次.這類題目雖然以生活實(shí)際為背景，但經(jīng)過編者加工，已經(jīng)變成一個(gè)理想化模型，要真正培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型的能力，學(xué)生需要在真實(shí)情境下通過建構(gòu)對(duì)象模型和過程模型來解決實(shí)際問題.習(xí)題二和習(xí)題三才是真正意義上的真實(shí)情境下物理模型的建構(gòu)，考查把實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型的建模能力.習(xí)題三與習(xí)題二相比，要解決的實(shí)際問題比較復(fù)雜，更接近解決原始物理問題.

表2 模型建構(gòu)的素養(yǎng)測(cè)評(píng)樣例

4 習(xí)題設(shè)計(jì)回歸真實(shí)情境的兩條途徑

以提升素養(yǎng)為目標(biāo)的習(xí)題設(shè)計(jì)需要立足真實(shí)情境，培養(yǎng)通過建構(gòu)模型解決實(shí)際問題的能力.教學(xué)中以自然界和生產(chǎn)生活中真實(shí)存在的現(xiàn)象為題材的習(xí)題，叫情境化習(xí)題，開發(fā)選用的情境化習(xí)題，盡量向?qū)W生提供原始問題的真實(shí)素材，把真實(shí)化的情境作為題目的背景，讓“從實(shí)際問題中抽象出物理模型”這個(gè)工作由學(xué)生完成，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生把實(shí)際問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)化為物理模型.因此，我們主要從物理對(duì)象的真實(shí)化和物理過程的真實(shí)化兩條途徑設(shè)計(jì)情境化習(xí)題，讓物理習(xí)題從理想模型回歸真實(shí)情境，體現(xiàn)物理以“物”講理、見“物”思理的學(xué)科特點(diǎn)，真正培養(yǎng)學(xué)生在新情境中建構(gòu)合適的物理模型運(yùn)用學(xué)過的物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.

4.1 物理對(duì)象的真實(shí)化

物理對(duì)象模型是對(duì)實(shí)物、裝置和環(huán)境的理想簡(jiǎn)化，平時(shí)練習(xí)中如果過多出現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)、輕桿、彈性小球等這些理想化對(duì)象模型為背景的習(xí)題，過分強(qiáng)調(diào)變壓器、燈泡、彈簧等器件的理想化特征，甚至有部分教師以超“大綱”為由排斥非理想化器件，這樣會(huì)使學(xué)生形成思維定勢(shì)，導(dǎo)致學(xué)生只能認(rèn)識(shí)理想化的對(duì)象模型，只會(huì)解決理想化的問題，嚴(yán)重制約學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題能力的發(fā)展.

以質(zhì)點(diǎn)為例，在平時(shí)的練習(xí)中，學(xué)生見得最多的可視為質(zhì)點(diǎn)的物體往往都是規(guī)則的球形、矩形等，這些形狀規(guī)則的物體就是學(xué)生心目中的“質(zhì)點(diǎn)”，如果碰到一個(gè)從沒見過的不規(guī)則形狀的物體，學(xué)生經(jīng)常會(huì)手足無措[1].因此，物理習(xí)題設(shè)計(jì)要大量減少小球、滑塊、斜面等理想化的研究對(duì)象，要以真實(shí)情境中的物體作為研究對(duì)象，把真實(shí)化的情境作為題目的背景，研究對(duì)象從常見的小球、滑塊、斜面變?yōu)檎鎸?shí)的事物原型，這樣可以使物理問題更真實(shí)，有利于考查學(xué)生在真實(shí)情境中運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.

下面以真實(shí)情境下一般物體三力平衡問題的習(xí)題設(shè)計(jì)為例(表3)，把簡(jiǎn)潔而真實(shí)的情境作為題目的背景，引導(dǎo)學(xué)生合理建構(gòu)問題研究的物理模型，通過畫受力圖把現(xiàn)實(shí)原型轉(zhuǎn)換為理想模型后分析解決三力平衡問題.基于自由體操選手倒立、拔河比賽、爬梯子等這些真實(shí)情境設(shè)計(jì)物理習(xí)題，以真實(shí)情境中的物體作為研究對(duì)象，使受力問題的分析變得更加真實(shí)、更加生動(dòng)，更能提高學(xué)生在新情境中運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.

表3 真實(shí)情境下一般物體的三力平衡問題

續(xù)表3

4.2 物理過程的真實(shí)化

物理過程模型是對(duì)實(shí)際物理過程的理想簡(jiǎn)化，物理學(xué)中很多理想化的過程模型，是從實(shí)際中抽象出來的，抽象出來的理想模型是解決實(shí)際問題的重要手段，需要積極運(yùn)用理想模型解決社會(huì)生活中的一些實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程.物理學(xué)科的模型教學(xué)不能從抽象走向抽象，紙上談兵，應(yīng)該是從形象走向抽象，從生活感受走向理想模型.物理一定是源于生活高于生活的，我們應(yīng)致力于挖掘模型背后的生活背景和來源，使學(xué)生分析問題不再是空想，而是在一定生活經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的理性思維，這樣才有利于培養(yǎng)物理學(xué)科的科學(xué)思維[2].

以板塊的相對(duì)滑動(dòng)過程為例，我們?cè)O(shè)計(jì)情境化習(xí)題讓學(xué)生運(yùn)用理想模型分析解決實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程，使學(xué)生對(duì)物理模型和生活現(xiàn)象有更深刻的理解和聯(lián)系.首先通過呈現(xiàn)卡車緊急剎車的照片創(chuàng)設(shè)真實(shí)的生活情境，如圖1所示，讓學(xué)生進(jìn)行定性分析，卡車為何不能緊急剎車，卡車緊急剎車后為什么會(huì)帶來如此嚴(yán)重的后果，通過分析生活中此類現(xiàn)象豐富感性認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步抽象出物理模型做準(zhǔn)備；然后設(shè)計(jì)一道緊扣生活實(shí)際的情境化習(xí)題，如圖2所示，駕駛員剎車使平板車做勻減速運(yùn)動(dòng)，為使貨箱不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和不撞擊駕駛室，讓學(xué)生分別定量計(jì)算剎車時(shí)允許的最大加速度，使學(xué)生逐漸從生活走向紙面和抽象；接著進(jìn)行去情境化的抽象模型教學(xué)，討論板塊的相對(duì)滑動(dòng)過程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析總結(jié)何種情況下板塊共速之后可以一起減速，何種情況下板塊共速之后仍然會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)；最后再設(shè)計(jì)一道情境化習(xí)題回歸生活情境，如圖3所示，在餐飲高峰期服務(wù)員需要用最短的時(shí)間將菜肴送至顧客處，已知托盤和手、碗之間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.2和0.125，服務(wù)員上菜最大速度為2.5 m/s，要給10 m遠(yuǎn)處的顧客上菜，讓學(xué)生分析計(jì)算服務(wù)員運(yùn)動(dòng)的最大加速度和上菜所用的最短時(shí)間.

圖1 卡車緊急剎車的情形

圖2 載有貨箱的平板車

圖3 服務(wù)員單手托盤上菜

下面以真實(shí)情境下與阻力有關(guān)的運(yùn)動(dòng)過程分析問題的習(xí)題設(shè)計(jì)為例，如表4所示，分3種情況列舉與阻力作用有關(guān)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程.第一種是可以忽略阻力的影響，把實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)化抽象為理想化的運(yùn)動(dòng)過程，第二種是要考慮阻力的影響，把實(shí)際阻力近似看作大小不變，第三種是要考慮阻力是變力，阻力大小與運(yùn)動(dòng)速度大小有關(guān).對(duì)于質(zhì)點(diǎn)在空中的運(yùn)動(dòng)，我們一般是不考慮它受到空氣阻力，而真實(shí)情境中的實(shí)際物體不但要考慮它受到空氣阻力，而且還要考慮所受空氣阻力是隨著運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大的，真實(shí)的物體在真實(shí)情境中的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較為復(fù)雜的物理過程，對(duì)學(xué)生思維有更高的要求.將這樣的研究對(duì)象和運(yùn)動(dòng)過程作為習(xí)題設(shè)計(jì)的背景一定會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過分析解決實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程問題，提高學(xué)生在新情境中建構(gòu)合適的物理模型運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.

表4 真實(shí)情境下與阻力有關(guān)的運(yùn)動(dòng)過程分析