淺談高中物理教學中學生建模能力的培養(yǎng)

(江蘇省常熟市教育局教研室，江蘇 蘇州 215500)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中提出：物理學科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面，其中“科學思維”中包含“基于事實構建物理模型的抽象概括過程”。在以往的教學中著重強調學生對于物理概念及規(guī)律的掌握與應用，導致學生在面對實際問題時無從下手。將實際問題通過分析與抽象，突出其重要的因素，忽略次要的因素，簡化為便于處理的模型，這就是建模過程。建模能力在物理學習中起著至關重要的作用，主要體現(xiàn)在：

(1) 建構物理模型有助于學生學習科學思維方法。物理建模是一個嚴謹?shù)目茖W思維過程，通過建模將物理模型從抽象轉化為形象、將復雜變?yōu)楹唵危乖瓉碇荒芏ㄐ粤私獾奈锢憩F(xiàn)象，可以用定量的辦法來研究，這正是科學思維方法的體現(xiàn)。

(2) 建構物理模型有助于學生掌握科學的物理概念、規(guī)律。要建構正確的物理模型，必須對相應物理概念、規(guī)律的內涵非常清楚，這樣才能從實際問題中抓住本質與核心。而要確定物理模型的適用條件與范圍，則必須對物理概念和規(guī)律的外延把握得非常準確?？梢?，在建模的過程中學生對于物理概念及規(guī)律的內涵及外延有了更加深刻的理解。

(3) 建構物理模型有助于學生對于實際問題的處理與解決。物理學的應用歸根結底就是解釋自然和改造自然，最終學生面對的不是習題，而是各種各樣的生活中的實際問題。合理建構物理模型可以大大簡化實際遇到的問題，以便于運用相關的物理知識來處理，做到學以致用。

因此，高中物理教師應當在實際教學過程中加強對學生建模能力的培養(yǎng)。

1 物理模型的定義及其建構過程

所謂物理模型，就是為了探究物理事物的本質，通過對各種事實和數(shù)據(jù)的分析、綜合、比較、分類等思維過程，對物理系統(tǒng)進行簡化后得到有關物理系統(tǒng)的結構和性質的描述。按模型研究的對象分類，可將物理模型分為對象模型、狀態(tài)模型、過程模型和環(huán)境模型。

建構物理模型通常經(jīng)過三個過程：構建模型、驗證模型和應用模型。而在高中階段，由于學生的認知能力的限制，主要強調和培養(yǎng)的還是學生構建模型這個過程。

所謂建模就是從具體的物理情景出發(fā)，通過對情景的分析與抽象，最后建構模型，從而達到對情景的理解。這一過程包括三個步驟：

(1) 確定研究對象，針對所要研究的問題選擇描述研究對象的物理量；

(2) 對研究對象進行圖解，包括畫出其受力圖、運動過程示意圖等；

(3) 確定研究對象的特點，構建適當?shù)奈锢砟Ｐ停嗫蓮囊郧笆煜さ哪Ｐ椭羞x擇模型。比如說要研究一輛行駛的汽車對地面的壓力，應該先確定研究對象，將汽車抽象為質點，找出其狀態(tài)參量(如速度、質量、加速度等)，再確定對象的狀態(tài)(如勻速直線運動、勻加速運動、曲線運動等)，最后根據(jù)相應的過程對物體進行受力分析，運用對應的物理規(guī)律解決問題。

2 高中生建模的認知特點

要科學合理地培養(yǎng)高中生的建模能力，必須先了解高中生的知識基礎及認知特點。對于高中生而言，其認知結構的完整體系已基本形成，各種認知能力也不斷完善。思維更加趨于成熟，邏輯思維所占的比例相應增加，辯證思維和創(chuàng)造思維也有了很大的發(fā)展。高中學生認知活動的自覺性明顯增強，由于理性思維趨于成熟和自我意識的發(fā)展，高中生有意識的記憶能力、想象能力迅速發(fā)展，思維的目的性、方向性也更加明確。

就物理學科而言，初中物理大多是定性解釋一些物理現(xiàn)象，主要依靠的是形象思維，而大學的理論物理則是以微積分為語言來分析處理問題，思維層面上屬于邏輯思維。高中物理處在一個由形象思維向邏輯思維轉變的過渡階段，以形象思維為主，邏輯思維為輔，以初等數(shù)學為工具來解決物理問題。而建模過程就是一個以形象思維為主的思維過程，結合邏輯思維，將抽象事物具體化。可見，根據(jù)高中生的認知特點，培養(yǎng)學生的建模能力是可行且必要的。

3 培養(yǎng)高中生物理建模能力的途徑及方法

根據(jù)高中生的認知特點，對學生物理建模能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在三個方面：

(1) 融合在物理概念、定理和定律等的學習中；

(2) 在相應的習題訓練中提高學生的建模能力；

(3) 在物理實驗中讓學生體會建模的思想及方法。

要培養(yǎng)學生的建模能力可以借助很多的媒介，比如物理課本、課外輔導材料、視頻、圖片、實驗器材、物理習題等。對于教師而言，課堂教學是提高學生建模能力的最主要途徑，下面針對不同的教學內容進行探討。

3.1 新課教學

新課教學的目的是讓學生掌握相應的物理概念、規(guī)律和方法，物理學科的特點是源于生活，任何的物理概念和規(guī)律都是來源于對生活中事物與現(xiàn)象的抽象與概括。所以我們在講授新的知識點的時候可以很好地利用這一點，運用圖片，結合視頻或演示實驗來培養(yǎng)學生對實際問題進行分析與抽象、建構物理模型的能力。

比如在“帶電粒子在勻強磁場中的運動”的教學中，教師可以先用洛倫茲力演示儀做一個實驗，讓學生觀察現(xiàn)象，找出帶電粒子的運動特點。為了深入研究這個現(xiàn)象，教師可以引導學生建構一個物理模型。問題中的研究對象是電子，在研究其運動軌跡及特點時，我們可以忽略帶電粒子的形狀與大小，即對象模型是帶負電的點電荷，不考慮重力，對象所處的環(huán)境為勻強磁場，故僅受洛倫茲力的作用。最后，以一個與磁場垂直的初速度為狀態(tài)參量來確定帶電粒子的初始狀態(tài)。在這個物理模型建構起來后，對于粒子的運動軌跡及特點的討論就容易了很多。

在物理規(guī)律教學時必須注意物理規(guī)律的基本屬性，即實踐性、自洽性、精確性以及近似性。在概念、定律的學習過程中，都應通過與學生討論，明確它是適用于什么樣的物理模型，在什么樣的條件下才有這樣的模型，每一個模型建構的基礎是什么，條件做了哪些理想化，具有什么特點。這樣才能準確掌握模型的外延，為以后模型的靈活運用奠定基礎。

在新課的教學過程中，不管是物理概念還是物理規(guī)律，教師都應當有意識地強調與示范建模的過程，讓學生參與建模過程。經(jīng)常在課堂中滲透建模的思想，可以讓學生潛移默化地形成建模的良好習慣。

3.2 實驗課教學

物理實驗課可以說是學生建模最好的實踐途徑，物理實驗的目的是為了探究、驗證某個規(guī)律或者結論，而不管是實驗的設計還是數(shù)據(jù)的處理與分析，都與建模密切聯(lián)系。

以“驗證牛頓第二定律”的實驗為例，該實驗目的是驗證小車的質量、所受合外力、加速度三者的關系。要設計這個實驗必須先經(jīng)過一個建模的過程：研究對象就是小車，其狀態(tài)是勻變速直線運動。根據(jù)其所處的環(huán)境，可以確定小車受到重力、支持力、繩的拉力、摩擦力四個力。為了測量合外力的大小，在平衡掉摩擦力的情況下，認為繩的拉力就是小車所受的合外力。不考慮加速度帶來的影響，繩的拉力的大小就等于重物的重力，圖1為這個過程的思維導圖。

圖1

根據(jù)建構的物理模型，我們就可以設計出該實驗的方案：通過增減小車內的砝碼來改變小車的質量，通過改變小桶內重物的質量來改變合外力的大小，而小車的加速度可以通過小車后的紙帶測出。了解了整個建模過程之后，學生對于實驗的誤差來源也就非常清晰了。該實驗的系統(tǒng)誤差來源于建模過程中忽略的兩個因素，即：摩擦力、因小桶及其中重物有加速度而對繩的拉力的影響，順著這個思路進行誤差分析就非常方便了。

物理實驗的難點主要體現(xiàn)在實驗的設計上，而傳統(tǒng)的實驗教學主要強調的是實驗的操作及誤差的分析，導致學生的實驗設計能力較弱。要提高其實驗設計能力首要做的就是提高對應的建模能力。

3.3 習題課教學

物理習題教學是學生鞏固物理概念、規(guī)律的重要途徑。解題是一個嚴密的思維過程：從題目給出的文字中，提取有效信息，展現(xiàn)出清晰的物理情景，然后排除次要因素，抽象出合適的物理模型，再根據(jù)物理模型所遵循的規(guī)律，進行判斷、推理和計算，使問題得以解決。在這個過程中，物理模型的建構起到了關鍵的作用。教師在習題的講解過程中應當強調怎樣從題目的已知條件中尋找有用信息，按照建模的過程，建構正確的物理模型。

例如：“石頭平衡藝術”，藝術家能夠在不使用任何工具的情況下,僅靠重力就能將形狀各異的石頭疊在一起，如圖2所示，在水平地面上將兩個形狀不規(guī)則的石塊a、b疊放在一起，保持平衡。下列說法正確的是( )。

A. 石塊b對a的彈力一定等于a受到的重力

B. 石塊b對a的作用力一定豎直向上

C. 地面對石塊b的支持力和b受到的重力是一對平衡力

D. 石塊b受到水平地面向左的摩擦力

圖2

圖3

分析：題目給學生的是一個實物模型，要解決此題必須建構正確的物理模型。通過審題，可以先確定石塊a為研究對象，建構的模型為一形狀和大小可不計的小物塊a，再確定石塊b為研究對象，建構的模型為一置于水平面上的粗糙斜面b。小物塊a和粗糙斜面b所處的環(huán)境為重力場，狀態(tài)是靜止，建構的物理模型如圖3所示，在對應的模型建構起來之后，再進行受力分析，問題就可以解決了。

可見，根據(jù)題意建構合適的物理模型，鍛煉了學生的思維。雖然這樣可能會花不少時間，但只要在習題課中不斷強化建模的訓練，就可以使學生學會建構物理模型的方法，培養(yǎng)其建構物理模型的習慣，這對以后處理更加復雜的問題會很有幫助。

3.4 復習課教學

復習課的目的是幫助學生梳理和鞏固整章內容的物理概念和規(guī)律，復習課所采用的常規(guī)形式就是按照從知識點帶出習題、或者是從習題帶出知識點的方式來進行的。其實，我們也可以采用情景教學模式來復習整章內容，這樣不僅復習了相應知識點，而且也鍛煉了學生建模的能力。

以復習“曲線運動”這章為例，我們可以創(chuàng)設這樣一個情景：一輛汽車以恒定的速度通過一座橋，橋由兩部分組成，橋的主體部分是拱形的，引橋是與地面成一定角度的斜面。在給出一些已知條件(如汽車的質量、速度、與橋面的動摩擦因數(shù)、主橋的半徑、引橋的傾角等)之后，我們就可以討論汽車對橋面的壓力、汽車的牽引力、摩擦產生的內能等一系列問題。要解決這些問題，就要求學生先要建構合理的物理模型，再利用曲線運動、力及能量的相關知識來解決問題。通過這樣的一個情景設定，不僅達到了學生對于相關物理概念、規(guī)律復習的目的，而且也提供給學生一次很好的建模實踐的機會。

4 結語

提高學生的建模能力，可以使學生體驗“形成概念、探索規(guī)律”的過程，讓學生掌握探究物理問題的基本方法，培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力，激發(fā)學生的好奇心和求知欲。要提高學生的建模能力，關鍵是教師能夠在明了建模能力培養(yǎng)的重要性的前提下，在平時的教學活動中有意識地滲透建模的思想，盡可能多地給學生創(chuàng)造出建構物理模型的機會，讓學生在實踐中體會和掌握建模的方法。