以“圓錐擺模型”教學(xué)為例ぬ柑嶸高中學(xué)生物理建模能力的策略お

徐志平

所謂“物理建?！?，就是物理研究中將物理現(xiàn)象和過程的次要因素剔除掉，從而使得復(fù)雜的問題更加簡(jiǎn)潔化、形象化.物理建模不僅是一種重要的物理研究手段，也是高中生能力培養(yǎng)的一個(gè)重要方面.本文擬就高中物理教學(xué)中怎樣進(jìn)行建模教學(xué)進(jìn)行了初步的探討.

1 高中物理教學(xué)中模型構(gòu)建的基本思路

立足于高中物理教學(xué)來看，物理模型的建立應(yīng)該包含三個(gè)階段：感知階段，教師創(chuàng)設(shè)情境并提出問題，引起學(xué)生對(duì)物理模型的尋找；醞釀階段，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)有關(guān)情境進(jìn)行進(jìn)一步分析，剔除一些次要因素，開始對(duì)模型的進(jìn)行提煉；修正階段，教師引導(dǎo)學(xué)生著眼于更加純粹的研究對(duì)象——物理模型，探討其相關(guān)規(guī)律，教師提供一些問題，幫助學(xué)生對(duì)認(rèn)識(shí)進(jìn)行完善.

2 高中物理教學(xué)中模型構(gòu)建的教學(xué)流程

怎樣將建模的思想滲透進(jìn)高中物理的教學(xué)中來呢？筆者結(jié)合相關(guān)理論和工作實(shí)踐，認(rèn)為可以按照以下五個(gè)環(huán)節(jié)（如圖1）來進(jìn)行模型構(gòu)建的教學(xué)，其中前兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)基本思路的前兩個(gè)階段，后續(xù)環(huán)節(jié)則對(duì)應(yīng)第三階段.

（1）模型引入：這一階段，教師主要通過聯(lián)系學(xué)生生活實(shí)際，采用實(shí)驗(yàn)操作、視頻播放等手段，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)原生態(tài)的物理認(rèn)知情境.這一情境既要與探究對(duì)象的特征相匹配，也要適合高中生的認(rèn)知特點(diǎn)，還要能在一定程度上激起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.

（2）模型建立：這是建模過程的關(guān)鍵一步，教師在這一階段的工作是引導(dǎo)學(xué)生積極思考、相互討論.在學(xué)生全方位地觀察研究對(duì)象并深層次地分析其實(shí)質(zhì)之后，教師還要引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)地抽象、歸納演繹和邏輯推理等手段，實(shí)現(xiàn)模型的建立.

（3）模型深化：這一階段的任務(wù)是在分析論證的基礎(chǔ)上提煉相關(guān)模型的物理規(guī)律，相關(guān)內(nèi)容的完成需要教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用分析、討論、對(duì)比等科學(xué)探究的方法來實(shí)現(xiàn).

（4）模型運(yùn)用：這一步驟可認(rèn)為是前一環(huán)節(jié)的推進(jìn)，教師提供更為復(fù)雜的物理情境，設(shè)置一系列有梯度的問題，讓學(xué)生反復(fù)練習(xí)，從而更為深刻地理解模型，并能對(duì)其進(jìn)行靈活地運(yùn)用.

（5）及時(shí)評(píng)價(jià)：該步驟與第四步有所交叉，在運(yùn)用模型解決實(shí)際問題時(shí)，學(xué)生建模的思路是否正確，規(guī)律的運(yùn)用是否合適，這些都需要教師及時(shí)地引導(dǎo)，讓學(xué)生對(duì)自己的操作進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)和修正，從而進(jìn)一步提高其建模能力.

3 以“圓錐擺模型”教學(xué)為例談教學(xué)流程的具體操作

人教版必修2模塊中有關(guān)圓周運(yùn)動(dòng)問題的處理，涉及到圓錐擺的認(rèn)識(shí)，可結(jié)合建模思想進(jìn)行教學(xué).

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)基本設(shè)想

筆者以游樂場(chǎng)里的“旋轉(zhuǎn)座椅”（如圖2）來進(jìn)行導(dǎo)入環(huán)節(jié)的情境創(chuàng)設(shè)，提出問題激起學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生明確研究什么問題：懸繩作用下人與座椅的運(yùn)動(dòng)；然后引導(dǎo)學(xué)生通過思考和討論在身邊怎樣選擇器材，模擬相似的運(yùn)動(dòng)，即用一根細(xì)線拴著小球，讓該小球在水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生觀察該運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，通過將繩子運(yùn)動(dòng)軌跡所圍成的圖形聯(lián)想成一個(gè)圓錐，從而實(shí)現(xiàn)模型的命名：“圓錐擺模型”；隨后，繼續(xù)讓學(xué)生通過受力分析等手段來判斷該模型的向心力提供（如圖3）；最后結(jié)合，相似問題情境的架設(shè)，提升學(xué)生運(yùn)用該模型的遷移能力.

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)具體流程

按照建模思想的教學(xué)流程的五個(gè)步驟進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì).

（1）模型引入：以游樂場(chǎng)中“旋轉(zhuǎn)座椅”的視頻導(dǎo)入相關(guān)情境，讓學(xué)生暢談對(duì)該設(shè)施的體驗(yàn)經(jīng)歷，適當(dāng)?shù)夭迦雴栴}：人坐在座椅上，和座椅之間有無相對(duì)運(yùn)動(dòng)？人和座椅的運(yùn)動(dòng)軌跡有何特點(diǎn)？屬于什么形式的運(yùn)動(dòng)？圓心在哪里？轉(zhuǎn)速加快時(shí)，繩子的傾斜方向有何特點(diǎn)？一系列問題引導(dǎo)學(xué)生用物理的視角來觀察這一生活中常見的游樂設(shè)施.

（2）模型建立：結(jié)合學(xué)生在第一環(huán)節(jié)中相關(guān)感知的回顧和交流，引導(dǎo)學(xué)生忽略該情境中諸如支架結(jié)構(gòu)之類的次要因素，將學(xué)生的視線集中到人和座椅這一整體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)上，突出水平面上的圓周運(yùn)動(dòng)這一特點(diǎn).提出問題：你能在教室里，通過一些常見而又簡(jiǎn)單的器材來模擬“旋轉(zhuǎn)座椅”的運(yùn)動(dòng)嗎？學(xué)生經(jīng)過思考和討論后，很自然地提出可以用小球和細(xì)線來進(jìn)行模擬.教師將器材提供給學(xué)生，讓學(xué)生自己動(dòng)手，進(jìn)行模擬操作.操作的過程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步觀察運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，讓學(xué)生描述小球的運(yùn)動(dòng)過程和細(xì)線的姿態(tài)特點(diǎn)，從而引出一個(gè)立體幾何的概念“圓錐”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型的命名——“圓錐擺模型”.

（3）模型深入：教師提出問題：什么力提供了圓錐擺模型圓周運(yùn)動(dòng)的向心力？讓學(xué)生各自獨(dú)立思考，畫出受力圖之后再結(jié)合彼此的討論進(jìn)行完善，繼而得出結(jié)論：小球受兩個(gè)力（重力和繩子的拉力），這兩個(gè)力的合力沿水平方向指向圓心來提供向心力.

（4）模型運(yùn)用：教師安排幾道有關(guān)圓錐擺模型的習(xí)題，讓學(xué)生通過練習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型規(guī)律的熟練掌握.教師設(shè)計(jì)一些相似的情境，鍛煉學(xué)生圓錐擺模型的知識(shí)遷移能力，例如：小球在漏斗側(cè)壁進(jìn)行水平面上勻速圓周運(yùn)動(dòng)以及高速公路上轉(zhuǎn)彎處路面傾斜設(shè)計(jì)的原理.這些情境最后都可以歸結(jié)為圓錐擺模型.

（5）及時(shí)評(píng)價(jià)：教師在學(xué)生處理相關(guān)問題時(shí)，巡視教室，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯(cuò)誤并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)自己模型認(rèn)知上的缺陷，并糾正相關(guān)錯(cuò)誤.

3.3 本設(shè)計(jì)的感悟

本次建模教學(xué)的切入點(diǎn)以學(xué)生所熟悉的游樂設(shè)施來進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè)，根基于學(xué)生的切身體驗(yàn)，有效激起了學(xué)生的探究興趣；引導(dǎo)學(xué)生自我選材來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，讓學(xué)生對(duì)自己的開放性思維和創(chuàng)新能力進(jìn)行了訓(xùn)練；在課堂上進(jìn)行實(shí)際操作，通過“做中學(xué)”既提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，又?shí)現(xiàn)了物理知識(shí)的構(gòu)建；由情境到模型，再由模型到拓展的教學(xué)流程引導(dǎo)著學(xué)生的思維由發(fā)散到集中（鍛煉學(xué)生的構(gòu)建模型的能力），再由集中到發(fā)散（訓(xùn)練學(xué)生思維的遷移能力）；師生之間、生生之間廣泛的互動(dòng)滲透進(jìn)整個(gè)教學(xué)過程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，學(xué)生充分發(fā)揮了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了物理模型的自我構(gòu)建和認(rèn)知.

物理教學(xué)中，教師向?qū)W生傳授的大多是經(jīng)簡(jiǎn)化抽象的間接經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，教師都習(xí)慣于把知識(shí)組織得井井有條，對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都做出詳盡的解釋，學(xué)生易出錯(cuò)的知識(shí)點(diǎn)也都一一告誡，把教學(xué)內(nèi)容可謂是“講深講透”了.這種讓學(xué)生獲得間接經(jīng)驗(yàn)的過程其本質(zhì)就是一個(gè)認(rèn)知的內(nèi)化建構(gòu)過程.可見，在目前的物理教育中，教師花費(fèi)大量經(jīng)歷培養(yǎng)學(xué)生的內(nèi)化建構(gòu)能力，而缺乏對(duì)學(xué)生認(rèn)知外化建構(gòu)的重視.外化建構(gòu)就是學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決物理問題的過程，學(xué)生平時(shí)解決物理習(xí)題的過程更多的不是認(rèn)知的外化建構(gòu)，而是認(rèn)知的內(nèi)化建構(gòu).原始物理問題把間接經(jīng)驗(yàn)直接化，使學(xué)生能置身于真實(shí)的生活環(huán)境，并不能靠簡(jiǎn)單的知識(shí)提取解決問題，其解決過程是認(rèn)知的外化建構(gòu)過程.在物理教學(xué)中引入原始物理問題來加強(qiáng)學(xué)生認(rèn)知外化建構(gòu)的訓(xùn)練，是非常有意義的.高中物理的教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生通過模型的構(gòu)建來探究物理規(guī)律，能更為高效地實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)的構(gòu)建，同時(shí)還有助于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的增強(qiáng).當(dāng)然，相關(guān)理論的完善還有待于你我在后續(xù)教學(xué)中進(jìn)一步的實(shí)踐和研究.