高中物理建模能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀及其對策

■甘肅省永登縣第二中學(xué) 何謀仁

隨著課程改革的不斷深入，與STS 聯(lián)系的物理問題在教材和高考試題中逐漸顯現(xiàn)出來，培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力勢在必行。然而，在目前的實(shí)際物理教學(xué)中，學(xué)生物理建模能力的培養(yǎng)仍停留在教材表述和物理習(xí)題歸納的層面上，本文將對高中物理建模能力的培養(yǎng)踐行論述。

一、物理建模能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀分析

（一）利用教材表述陳述物理模型

現(xiàn)階段物理教材對物理模型建立主要是停留在表述階段，如：“質(zhì)點(diǎn)”是高中物理教材中非常重要的物理模型之一，書中說“在某些情況下，真的可以不考慮物體的大小和形狀。這時(shí)，我們突出‘物體具有質(zhì)量’這一要素，把它簡化為一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)，稱為質(zhì)點(diǎn)。于是，對實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)的描述，就轉(zhuǎn)化成對質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述?！苯炭瓢妗陡咧形锢肀匦?》是這樣說的：“經(jīng)驗(yàn)告訴我們，在解決汽車從甲地行駛到乙地這類問題時(shí)，可以不考慮車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。這樣，我們就可以把整個(gè)汽車當(dāng)成一個(gè)‘點(diǎn)’來考慮。也就是說，在研究一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果被研究物體的形狀、大小在所討論的問題中可以忽略，就可把整個(gè)物體簡化為一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)，這個(gè)用來代替物體有質(zhì)量的點(diǎn)稱為質(zhì)點(diǎn)，對照兩個(gè)版本的描述，我們不難看出，教材對質(zhì)點(diǎn)這一物理模型的建立都傾向于陳述式的表達(dá)。

（二）利用物理習(xí)題傳授物理模型

物理習(xí)題的求解過程不可避免要用到物理模型，為了繞開這一障礙，很多教師都是通過表述和描述“傳授”物理模型，如在講解彈簧類問題時(shí)，告訴學(xué)生“我們研究的彈簧都是輕質(zhì)彈簧”；遇到與繩子和桿子有關(guān)的習(xí)題時(shí)又說“我們研究的繩子和桿都是輕質(zhì)的繩和桿”，至于為什么，教師不講，當(dāng)然學(xué)生也就錯(cuò)過了建立物理模型的時(shí)機(jī)，只是死“套模”。

二、運(yùn)用原始物理問題培養(yǎng)學(xué)生的建模能力

案列1：原始物理問題：在校運(yùn)會(huì)上，高二的鉛球冠軍李勇同學(xué)的成績是10.20m，試估算鉛球被推出的過程中李勇同學(xué)對鉛球所做的功。

解決此原始物理問題，教師需要先要引導(dǎo)學(xué)生會(huì)建立物理模型。本題的研究對象為鉛球，首先將鉛球抽象為物理模型“質(zhì)點(diǎn)”，接下來忽略空氣阻力，建立一個(gè)真空環(huán)境模型，最后，鉛球出手后的運(yùn)動(dòng)可視為斜拋運(yùn)動(dòng)模型。有了物理模型，還要估計(jì)利用同學(xué)的身高和查閱鉛球的質(zhì)量，如：利用同學(xué)的身高估計(jì)為h=1.70m，查閱鉛球質(zhì)量約為m=5kg，鉛球水平飛行的距離為s=10.20m，這樣，一個(gè)完整的斜拋運(yùn)動(dòng)的物理模型建立起來了，最后，根據(jù)斜拋運(yùn)動(dòng)的相關(guān)規(guī)律以及功能原理，代入對應(yīng)物理量數(shù)值即可算出。

案例2：原始物理問題：描述一列火車從蘭州西到重慶北的運(yùn)動(dòng)情況。

我們知道，定量描述火車的運(yùn)動(dòng)，必須構(gòu)建出火車的位移、速度和加速度與時(shí)間的函數(shù)變化關(guān)系來。數(shù)學(xué)研究的對象為點(diǎn)、線和面，而我們物理的研究對象是火車，這里就出現(xiàn)了一個(gè)矛盾，數(shù)學(xué)“不認(rèn)識”我們的火車，這就客觀上要求我們必須將“火車”這一物理研究對象要轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)能夠認(rèn)識的對象“點(diǎn)”，即“質(zhì)點(diǎn)”，這就是質(zhì)點(diǎn)這一物理模型產(chǎn)生的根源。從蘭州西到重慶北環(huán)境路線十分復(fù)雜，這就需要我們對火車行駛的路徑要進(jìn)行分段處理，如：我們可以近似地將從榆中站到渭源站這一段的路徑看作直線，轉(zhuǎn)彎處是曲線，我們可以近似將其做圓弧來處理，如果這樣劃分過于粗略，我們還可以將這一段繼續(xù)劃分成若干段，其中有直線、圓弧，直到結(jié)果基本符合事實(shí)為止，這就是環(huán)境條件模型，是將實(shí)際復(fù)雜的曲線軌跡轉(zhuǎn)化為若干段簡單的直線和圓弧的集合體，在這一原始問題中，直線運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng)就是物理模型。