關(guān)于核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的高中物理建模能力培養(yǎng)的思考

賴永強(qiáng)

摘? ?要：新課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)要求，將學(xué)生建模能力放在科學(xué)思維的首要位置。高中物理與社會(huì)的生產(chǎn)生活實(shí)踐緊密相關(guān)，情景復(fù)雜，教師教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型，不僅有利于降低學(xué)生學(xué)習(xí)物理的難度，更有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。對(duì)高中階段的物理模型分類、現(xiàn)階段學(xué)生建模存在的主要問題進(jìn)行了研究，并從三個(gè)方面淺析了教師如何在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的建模能力。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物理模型;物理教學(xué)

2017教育部在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出學(xué)科核心素養(yǎng)后，國辦發(fā)〔2019〕29號(hào)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》對(duì)課堂教學(xué)改革再次提出：促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)掌握各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能、基本方法，培養(yǎng)適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式等課堂教學(xué)[1]，這就要求物理課堂不僅僅培養(yǎng)學(xué)生的“解題能力”，更應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，而物理學(xué)科核心素養(yǎng)中所要求的物理模型建構(gòu)能力培養(yǎng)正是著眼于課堂，著眼于學(xué)生思維能力、關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，在這過程中不僅解決學(xué)生眼前的“物理問題”，更培養(yǎng)學(xué)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(shí)際的現(xiàn)實(shí)原型為依據(jù)抽象概括出來的物理概念都是物理模型，如電壓、電流、質(zhì)點(diǎn)、輕彈簧、時(shí)間、空間等。

從狹義上講，物理模型特指經(jīng)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(shí)體、理想化過程和理想化狀態(tài)，是一種邏輯思維產(chǎn)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(duì)象模型、過程模型、情景模型。

2? 現(xiàn)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(xué)中不善于歸納、總結(jié)，不注重示范、引導(dǎo)學(xué)生建立經(jīng)典物理模型，課堂中僅僅是機(jī)械的知識(shí)講授，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏建模的意識(shí)和能力。

2.2? 學(xué)生層面

（1）學(xué)生對(duì)高中經(jīng)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(rèn)識(shí)不清。

（2）學(xué)生“臨?！蹦芰Σ?，知識(shí)遷移能力弱，不能恰當(dāng)?shù)匕盐锢砟Ｐ蛯?duì)應(yīng)的物理規(guī)律移植到新的物理實(shí)際問題中。

（3）學(xué)生缺乏對(duì)物理對(duì)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(guān)鍵信息、抓住主要因素，從而構(gòu)建出熟悉的物理模型。

（4）學(xué)生不善于借助各類圖像建立物理模型。根據(jù)題意畫出準(zhǔn)確的示意圖過程本身就是一個(gè)抽象變形象的思維過程，一個(gè)物理模型構(gòu)建的思維過程。例如在解決運(yùn)動(dòng)學(xué)中的追及相遇問題、動(dòng)力學(xué)中的滑塊木板運(yùn)動(dòng)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(dòng)勢及內(nèi)阻”實(shí)驗(yàn)中，利用數(shù)學(xué)一次函數(shù)圖像能夠方便地處理數(shù)據(jù)。

3? 培養(yǎng)學(xué)生建模能力的課堂教學(xué)策略

課堂是學(xué)生學(xué)習(xí)的主陣地，教師不僅要示范如何建立物理模型，也要?jiǎng)?chuàng)造機(jī)會(huì)讓學(xué)生自己嘗試建立物理模型，在建模過程中培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題的科學(xué)思維能力。

3.1? 教師在概念規(guī)律教學(xué)中示范“建模”過程

高中物理涉及許多抽象概念、規(guī)律，如質(zhì)點(diǎn)、電場、自由落體、平拋運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞等，教師在新課教學(xué)中應(yīng)該給學(xué)生建立清晰的物理模型，弄清每個(gè)物理模型成立的條件、模型特點(diǎn)，讓學(xué)生今后能從實(shí)際情景中建立相應(yīng)的物理模型，以簡化復(fù)雜的物理問題。

以質(zhì)點(diǎn)概念教學(xué)為例，這是學(xué)生高中階段接觸的第一個(gè)理想模型。要讓學(xué)生弄清幾點(diǎn)：①為什么引入質(zhì)點(diǎn)的概念？②什么樣的研究對(duì)象可以視作質(zhì)點(diǎn)？③現(xiàn)實(shí)中是否存在質(zhì)點(diǎn)？研究對(duì)象往往是復(fù)雜的、與外界相聯(lián)系的，但有時(shí)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(gè)復(fù)雜的研究對(duì)象抽象為一個(gè)沒有體積不占空間的卻具有質(zhì)量的點(diǎn)，即為質(zhì)點(diǎn)。教學(xué)中教師可以列舉實(shí)際的例子來幫助學(xué)生理解質(zhì)點(diǎn)模型成立的條件，例如引導(dǎo)學(xué)生思考：①研究地球繞太陽公轉(zhuǎn)規(guī)律時(shí)能否將其視為質(zhì)點(diǎn)？研究地球自轉(zhuǎn)規(guī)律時(shí)又能否將其視為質(zhì)點(diǎn)？②研究平乒乓球運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)能否將其視為質(zhì)點(diǎn)？研究乒乓球運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)情況時(shí)又能否將其視為質(zhì)點(diǎn)？通過比較分析，學(xué)生比較容易理解質(zhì)點(diǎn)模型成立的條件和質(zhì)點(diǎn)模型的特點(diǎn)，防止學(xué)生有“小物體可視為質(zhì)點(diǎn)，大物體不能視作質(zhì)點(diǎn)”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

再以平拋運(yùn)動(dòng)教學(xué)為例，平拋運(yùn)動(dòng)是典型的過程模型。教師可以采用探究式教學(xué)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)平拋運(yùn)動(dòng)模型的建立過程，理解“平拋運(yùn)動(dòng)”模型的核心特點(diǎn)——水平方向勻速運(yùn)動(dòng)，豎直方向自由落體運(yùn)動(dòng);學(xué)會(huì)處理“平拋運(yùn)動(dòng)”模型的核心方法——“化曲為直”，課堂中可以舉一些實(shí)際情景的例子來幫助學(xué)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(duì)靶子水平射出的同時(shí)，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(shí)際情景中，學(xué)生該弄清幾個(gè)問題： ①該過程的研究對(duì)象是什么？? ②運(yùn)動(dòng)過程中是否可以把子彈、靶子當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)看待？③題目中有什么理想條件？這些條件對(duì)分析子彈及靶的運(yùn)動(dòng)有什么影響？④子彈、靶子做什么運(yùn)動(dòng)？⑤子彈的運(yùn)動(dòng)如何分解？⑥子彈兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)間有何聯(lián)系？與靶子的運(yùn)動(dòng)又有何關(guān)系？學(xué)生只有經(jīng)歷了上面的思考才能構(gòu)建出準(zhǔn)確的物理模型，思考的過程就是建模的過程。學(xué)生只有理解了平拋運(yùn)動(dòng)模型的特點(diǎn)，才會(huì)從復(fù)雜生活情景中抽象出平拋運(yùn)動(dòng)模型，才會(huì)解決帶電粒子在電場、磁場中運(yùn)動(dòng)的類平拋問題，才會(huì)進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)到“化曲為直”的思想來解決更復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)所帶來的方便。

3.2? 學(xué)生在例題習(xí)題教學(xué)中體驗(yàn)“臨模”過程

建立物理模型是為了更好解決復(fù)雜物理問題，只有在解決具體物理問題的實(shí)踐中，才能不斷加深對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)，提高建模能力[ 3 ]。在習(xí)題講評(píng)中應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生樹立建模思想，掌握建模方法，模仿教師建模方式，鼓勵(lì)學(xué)生“臨?！眮韺ふ医忸}的突破口。建模過程如圖1所示。

解決實(shí)際生活情境的問題時(shí)，需通過閱讀檢索信息，把一個(gè)復(fù)雜的情境通過分析、判斷、簡化、抽象成一個(gè)熟悉的物理模型，即轉(zhuǎn)化成一個(gè)非情境化的物理問題，再通過物理規(guī)律、借助數(shù)學(xué)工具解決問題。這類題突出對(duì)物理過程的分析，要求學(xué)生能夠區(qū)分實(shí)際情境與理想模型間的區(qū)別，考查學(xué)生熟練利用物理規(guī)律解決實(shí)際問題的能力。下面通過一道例題來引導(dǎo)學(xué)生如何在情景化試題中建立正確的物理模型，解決實(shí)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(zhì)量為M的的卡通玩具穩(wěn)定地懸停在空中。為計(jì)算方便起見，假設(shè)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)榱悖谒椒较虺闹芫鶆蛏㈤_。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(shí)間內(nèi)噴出的水的質(zhì)量;

（ii）玩具在空中懸停時(shí)，其底面相對(duì)于噴口的高度。

第一步：提取有效信息，經(jīng)分析、抽象，構(gòu)建物理模型：

本題以考生熟悉的游樂園噴泉為背景，考查學(xué)生對(duì)豎直上拋、動(dòng)量定理及力的平衡等知識(shí)點(diǎn)的理解。本題的難點(diǎn)在于根據(jù)實(shí)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(diǎn)，結(jié)合相關(guān)物理規(guī)律進(jìn)行求解。

第二步：選取研究對(duì)象，根據(jù)物理規(guī)律（動(dòng)量定理、豎直上拋），借助數(shù)學(xué)工具，列出過程方程：

（i）在極短時(shí)間Δt內(nèi)，噴出管口的水的體積為ΔV，質(zhì)量為Δm，則

由①②式得，單位時(shí)間內(nèi)從噴口噴出的水的質(zhì)量為：

（ii）對(duì)于玩具，設(shè)水對(duì)它作用力大小為F，玩具懸停于空中，根據(jù)二力平衡有

對(duì)于Δt時(shí)間內(nèi)噴出的水，根據(jù)動(dòng)量定理有

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

設(shè)玩具懸停時(shí)其底面相對(duì)于噴口的高度為h，水從噴口噴出后到達(dá)玩具底面時(shí)的速度大小為v，由勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得：-2gh=v2-v02? ? ? ? ?⑦

第三步：分析總結(jié)。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(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念、科學(xué)思維，要求具有較強(qiáng)的抽象概括建模能力和分析推理能力，“流體模型”對(duì)于學(xué)生并不陌生，在電流的微觀表達(dá)式、電磁流量計(jì)等公式的推導(dǎo)過程中都有所接觸，學(xué)生在本題中通過“臨?！苯⑵稹傲黧w模型”，尋找到解題的突破口。

3.3? 學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中經(jīng)歷“建?！边^程

物理的許多定律、模型都是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)和建立起來的，而圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)其實(shí)本身就是個(gè)建模過程。例如，要研究單擺的周期，老師可以拋出這么個(gè)生活情境：小朋友在公園蕩秋千時(shí)，秋千擺動(dòng)一個(gè)來回與秋千繩長及擺幅之間存在怎樣關(guān)系？學(xué)生經(jīng)過自己的思維加工，忽略空氣阻力，忽略繩子粗細(xì)，忽略繩長變化這些次要因素，將蕩秋千活動(dòng)抽象成一個(gè)單擺模型，通過研究擺長、擺幅對(duì)其周期的影響來判斷秋千周期與哪些因素有關(guān)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)解決實(shí)際問題的需要，建立合理的物理模型，將復(fù)雜問題簡單化，不僅有利于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡倪_(dá)成，提高實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性和有效性，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提升學(xué)生的思維能力，激發(fā)學(xué)生解決問題的動(dòng)力。

4? 結(jié)束語

法國方法論學(xué)者阿雷諾曾說： “科學(xué)的基本活動(dòng)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(xué)方法分為三個(gè)層次的話，建模法則是三個(gè)層次中最高層次的科學(xué)方法?！庇纱丝梢娢锢砟Ｐ驮诳茖W(xué)活動(dòng)中所起的重要作用，在中學(xué)物理教學(xué)中所處的重要地位[ 4 ]。學(xué)生在嘗試建模的過程，其實(shí)就是物理知識(shí)內(nèi)化和遷移的過程，讓學(xué)生掌握好建模方法，除了有利于學(xué)生加深對(duì)物理知識(shí)的理解外，還能培養(yǎng)學(xué)生良好的思維品質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，讓他們?cè)诮鉀Q實(shí)際問題中學(xué)會(huì)“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(yīng)該給學(xué)生留下的東西。

參考文獻(xiàn)：

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