高中物理學習培養(yǎng)建模思想的幾點思考

鄒譯達

我們高中生都說物理難學！為什么？筆者在學習過程中發(fā)現(xiàn)，目前的物理題往往有具體的情境，我們首先要突破的困難是“建模”，“物理模型”是在物理研究中對相關狀態(tài)或過程進行概念化的表征方式.一旦學會了構建物理模型，那么很多物理問題其實就不難了，建模是一項重要的科研能力，也是一種典型的物理思想.高中物理學習的過程中，如何培養(yǎng)建模思想和提升建模的能力呢？筆者認為可以從以下幾點著手.

1 自主提升建模思想的理論支撐

學習是復雜的，是具有藝術性的科學活動，那么對于高中物理學習培養(yǎng)建模思想有著怎樣的教育理論支撐呢？筆者認為建模并非一蹴而就，具有過程性和階段性，筆者認為皮亞杰認知發(fā)展理論可以作為培養(yǎng)、提升建模思想的理論支撐.

皮亞杰的認知發(fā)展理論認為兒童的認知發(fā)展具有四個不同的階段，分別是感知運動階段、前運算階段、具體運算階段、形式運算思維階段.這四個階段有這樣四個特征：第一，每一個階段都有獨特的認知圖式，在不同的年齡階段呈現(xiàn)出階段性.第二，這四個階段出現(xiàn)的先后順序是恒定不變的，都是由前一個發(fā)展階段進入到下一個發(fā)展階段，逐漸達到最高水平.但是每個兒童的發(fā)展快慢卻是有差異的，同年齡段之間的聯(lián)系并不是固定不變的.由于受先天智力、后天的社會環(huán)境、所受文化程度等的不同而有著個體的差異.第三，每一個階段的發(fā)展都是在前一個階段的發(fā)展基礎之上形成的.第四，每個階段的發(fā)展與前一階段有交叉重疊，在準備期內，同前一階段保持密切的聯(lián)系.

皮亞杰還深刻闡明了影響兒童心理發(fā)展的四個基本因素.最基本的因素是個體的成熟.成熟為心理的發(fā)展提供了可能性.其次是個體的練習和經(jīng)驗.通過個體的反復動作練習、習得經(jīng)驗，促使其認知不斷發(fā)展.然后是社會經(jīng)驗.主要指社會文化經(jīng)驗和人際交互作用.最后是平衡過程.

回顧我們物理建模的過程，與這個四個階段非常符合，需要我們在不斷地練習、分析和反思的過程中才能將建模的經(jīng)驗用于解決實際問題中來，并在不斷平衡的過程中內化為自己的知識.

2 具體的實踐策略分析

2.1 重視過程體驗在建模學習中的作用

建構物理模型的過程是將感性信息升華為理性認知的重要過程，屬于一種科學抽象的處理手段.我們學習物理模型的構建過程時，可以沿著前人的探索思路重新感悟知識的形成和完善過程，并從中發(fā)現(xiàn)、領會和掌握物理模型的構建方法.如果以傳統(tǒng)意義上的題海戰(zhàn)術來讓我們學習并熟悉物理模型，其短、平、快的特點表面看來節(jié)省了學生的精力和時間，但是嚴重壓縮了我們學生的認知過程，讓我們沒有充分感悟，直接導致我們對模型的認知相當膚淺.結果是我們根本無法把握模型的實質，只能靠生搬硬套來解決相關問題.

例1 如圖1所示的鐵芯上繞有兩組線圈，匝數(shù)分別為n1=800、n2=200，若在上側線圈的兩端加上u=51sin314t V的交變電壓，并將交流電壓表接在下線圈兩端，則電表示數(shù)可能為

A.9.0 V B.2.0 V

C.144.0 V D.12.7 V

處理上述問題時，很多學生選擇了9.0 V，其原因是生搬硬套“理想變壓器”這一模型的結論，沒有認真比對試題模型與理想模型間的差別，而其根源就在于我們在新課學習的過程中忽略建模思想的有序培養(yǎng).因此這就提醒我們，學習過程應該讓合作探究，全面參與建模過程，而不是僅僅等待教師嚼碎了灌輸，我們學生應該在自我領悟中感受模型的構建.

以理想電壓表模型的構建為例，我們通過以下步驟幾個步驟進行探索并建立模型：（1）結合可拆變壓器進行實驗，首先選用匝數(shù)比恰當?shù)脑本€圈和電壓輸入，讓副線圈所接燈泡正常發(fā)光，然后嘗試著拿走變壓器上的橫條鐵芯，對比鐵芯閉合和非閉合狀態(tài)下燈泡的明暗情形，再針對現(xiàn)象的思考和討論中感悟鐵芯閉合的作用；（2）將輸入電壓調成2 V，先以100匝和200匝的原副線圈來進行實驗，小燈泡正常發(fā)光，再將副線圈調整為800匝，燈泡卻熄滅了.這一現(xiàn)象超出大家的想象，有所預習的學生都清楚匝數(shù)越大，副線圈的電壓越大，燈泡應該更亮，為何結果相反呢？我建議大家用電壓表對燈泡兩端的電壓進行測量，可以發(fā)現(xiàn)讀數(shù)很小，但是斷開燈泡，直接測量副線圈兩端電壓，示數(shù)卻很大，基本接近匝數(shù)比，經(jīng)過上述實驗，再聯(lián)系有關閉合電路的歐姆定律，線圈內阻的影響基本浮出水面；（3）我們可以直接用手觸摸已經(jīng)工作一段時間的鐵芯，大家會感受到鐵芯在工作過程中熱量的生成，然后在相互討論用彼此絕緣的硅鋼片疊起來組成鐵芯的優(yōu)點.通過上述過程，學生就能把握住理想變壓器建模過程的基本要點，只有在此基礎上探索相關特點，才能從本質上理解模型的內涵.

2.2 重視原始問題在建模學習中的作用

當前的高中物理STSE是核心素養(yǎng)之一，所以我們遇到的很多物理習題都源自于原始物理問題，所謂原始物理問題，就是指那些從自然界或生活生產中直接提取而未經(jīng)過加工提煉的物理問題.它是對客觀實在直接而樸素的反映，其對現(xiàn)象的描述未做任何科學化的整理，更沒有像物理習題一般將已知量和所求量直接羅列出來.而當前教學中所采用的物理習題，屬于抽象式物理問題，是教師在對原始物理問題進行了提煉、簡化和抽象而來的產物.也正是由于我們學生面對的大都是這類精加工處理的物理問題，跳過了由原始物理問題到抽象物理問題的建模過程，使得我們在建立模型方面出現(xiàn)嚴重缺失，最終我們的學習只能被限制在套用模型的層面.由此可見，建模過程是將原始物理問題發(fā)展為抽象物理問題不可或缺的步驟，就我們的物理學習而言，這一過程不容逾越.所以，實際的物理學習過程中，要關注原始物理問題，教師給我們提供原始物理問題不是為了為難我們，這些問題都很有趣，大大改善了單一化習題訓練模式，我們要對相關問題進行提煉和處理，才能有效提升模型構建能力和理解能力.

例2 如圖2所示的雜技演員正在進行表演，請結合圖形估算這個演員拋出一枚雞蛋的過程中，所做功的數(shù)值最接近

A.0.3 J B.3 J

C.30 J D.30 J

本題與一般的物理習題有著明顯的差別：題目中沒有給定問題解決所需要的物理量數(shù)值，沒有直接的模型說明，更沒有明確考核的規(guī)律和方法，因此本題是一個典型的原始物理問題.相關問題的解決需要如下過程：首先明確對應的事實和現(xiàn)象是怎樣的一個問題，從而在此基礎上對其進行分析和簡化，進而抽象出物理模型，最后在提煉和加工的過程對有關物理量的信息進行發(fā)掘，進而使之轉化為大家所熟悉的抽象物理問題.本題作為一道估算題，將雞蛋的運動形式視作豎直上拋運動或斜拋運動對結果并無較大影響，至于上拋過程中雞蛋各部分的運動特點也屬于該問題 中的次要因素，因此在忽略次要因素的基礎上，可以提取出模型：豎直上拋的質點.再結合生活實際，將雞蛋的質量（0.05 kg）以及雞蛋上升高度約為人體身高的三分之一（0.6 m）代入模型，能很快鎖定答案.但是如果將問題改成：一枚質量為0.05 kg的雞蛋，豎直上升的最大高度為0.6 m，求解人拋起雞蛋過程中的做功，這樣的題目就顯得單薄而膚淺了.正因為試題沒有直接給出經(jīng)過加工處理的已知和模型，因此才給試題蓋上了神秘的面紗，大家需要充分發(fā)揮自己的抽象思維，對相關條件進行挖掘，才能有效解題，這充分體現(xiàn)了高考命題能力立意的基本思想.

總之，解決問題的過程是不斷構建物理模型并應用物理模型提取解決問題方法的過程，我們在培養(yǎng)自我建模能力時，應該深入研究最基礎、最典型物理知識、物理問題及研究方法，在解決問題的過程思考、感悟物理模型，體驗“形成概念，探究規(guī)律”的過程，唯有如此，才能深入掌握探究物理問題的基本方法，使解決物理實際問題的能力得到有效提高.