物理課堂，從建模做起

王桂玲

2017年，中華人民共和國教育部制定的《課程標(biāo)準(zhǔn)》，提出了“學(xué)科核心素養(yǎng)”問題，這是強(qiáng)化學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn).物理學(xué)科，是通過物理學(xué)習(xí)逐漸形成正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任等方面，尤其是在“科學(xué)思維”素養(yǎng)中，強(qiáng)調(diào)指出的“基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)‘物理模型的抽象概括過程”論斷，對中學(xué)物理教學(xué)有重要的指導(dǎo)作用.下面筆者結(jié)合新課程標(biāo)準(zhǔn)對實(shí)踐“物理模型教學(xué)”談?wù)勛约旱睦斫馀c感悟.

一、“物理模型”教學(xué)給物理課程帶來的轉(zhuǎn)機(jī)

物理教科書中的知識絕大部分是經(jīng)過編者精心加工編擬的，即以“物理模型”為載體呈現(xiàn)出來的，這就決定了物理學(xué)科的研究對象和研究過程大都是用科學(xué)理想的方法來建立一個理想化的模型或理想化的過程，即建立“物理模型”，可見科學(xué)、合理地進(jìn)行“物理模型”教學(xué)是正確理解教科書及實(shí)施有效課堂教學(xué)的必然要求.

通過“物理模型”教學(xué)，能使物理問題不再枯澀難懂.這是因?yàn)楫?dāng)物理教師明確了“物理模型”教學(xué)的理念后，就會想方設(shè)法加強(qiáng)物理教學(xué)的直觀性和形象性，并主動進(jìn)行抽象引導(dǎo)，最終在學(xué)生頭腦中形成具有思維特征的“物理模型”.有了這樣的“物理模型”，學(xué)生就能夠運(yùn)用已有的物理知識，根據(jù)研究問題的特征建構(gòu)出“物理模型”，從而將實(shí)際物理過程簡化，實(shí)現(xiàn)由難變易、由繁變簡，最終突破難點(diǎn).

由此可見，“物理模型”教學(xué)是踐行新課程理念的重要載體，有利于對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維方法的教育，從而為學(xué)生主動學(xué)習(xí)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)營造良好的學(xué)習(xí)氛圍.

二、“物理模型”教學(xué)基本框架的建立

根據(jù)物理新課程理念及其教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為“物理模型”教學(xué)既要注重“模型”的應(yīng)用，更要注重“模型”的建立.后者是前者的基礎(chǔ)，前者是后者的目標(biāo).具體包括兩個方面：

1.強(qiáng)化“物理模型”的建立過程.

我們知道，物理學(xué)科本身很抽象，要克服這一學(xué)習(xí)障礙，教師必須加強(qiáng)平時(shí)物理教學(xué)的直觀性和形象性，讓學(xué)生在腦海中留下一個直觀的、具體的

形象，建立起清晰的物理概念.為此，物理教師在實(shí)際教學(xué)中必須做到以下幾點(diǎn).

（1）加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及引導(dǎo).

首先，物理教師要在思想上重視物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鼓勵學(xué)生自制教具.實(shí)踐表明，親手實(shí)踐，可以培養(yǎng)學(xué)生用眼觀察、用手操作、用腦思考等綜合能力及搜集信息能力，學(xué)生只有通過多維度的感知、記憶和思考，才能在頭腦中形成深刻而又直觀、具體的形象，再通過物理教師抽象引導(dǎo)掌握其共同的本質(zhì)特點(diǎn)及規(guī)律，形成直觀的、形象的思維輪廓，進(jìn)而形成了具有思維特征的“物理模型”，實(shí)現(xiàn)抽象和具體的統(tǒng)一.

（2）恰當(dāng)利用多媒體技術(shù)的模擬功能.

多媒體技術(shù)強(qiáng)大的動畫、視頻等模擬功能，給物理教學(xué)帶來了極大的便利.例如，宏觀的天體運(yùn)動及微觀的原子結(jié)構(gòu)、原子能級、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等，這些實(shí)驗(yàn)室無法完成的物理實(shí)驗(yàn)，借助多媒體技術(shù)的強(qiáng)大模擬功能，都清晰地展現(xiàn)在學(xué)生的面前，讓學(xué)生有一種身臨其境的感覺，刺激感觀，形成深刻的感性認(rèn)識，為學(xué)生頭腦中建立“物理模型”提供感性材料，對直觀、形象的物理課堂教學(xué)起到了重要作用.但應(yīng)該注意的是，信息技術(shù)模擬的實(shí)驗(yàn)或視頻，雖然很逼真，但對學(xué)生來說，仍然缺少真實(shí)感或現(xiàn)實(shí)感，達(dá)不到實(shí)物實(shí)驗(yàn)的效果.因此，用多媒體技術(shù)摸擬只能是物理實(shí)驗(yàn)的必要補(bǔ)充，不能替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，那種以多媒體技術(shù)的動畫、視頻包辦代替物理實(shí)驗(yàn)的做法是不可取的.

（3）挖掘定義，創(chuàng)建“物理模型”.

有些物理概念如時(shí)間、時(shí)刻等，物理概念本身又很抽象，對它們的認(rèn)識，沒有實(shí)驗(yàn)可做，這就需要物理教師想辦法，創(chuàng)建“物理模型”，以加深學(xué)生的認(rèn)識和理解.例如，課題組成員通過徒手畫的一個簡單的坐標(biāo)軸，以坐標(biāo)原點(diǎn)表示計(jì)時(shí)起點(diǎn)，用坐標(biāo)上的點(diǎn)表示時(shí)刻，線段表示時(shí)間，使學(xué)生對時(shí)間、時(shí)刻及相關(guān)的物理概念有了直觀的認(rèn)識和理解，在解決實(shí)際問題時(shí)不會出現(xiàn)概念上的錯誤.

（4）通過典型例題引導(dǎo).

課題組認(rèn)為典型例題引導(dǎo)能夠培養(yǎng)學(xué)生讀題、審題能力，“審”就是能抓住題目中的“關(guān)鍵”詞，即找出“物理模型”，并強(qiáng)化這一“物理模型”.如當(dāng)題目中出現(xiàn)“接觸面光滑”意即不考慮摩擦;“小球恰好通過圓周的最高點(diǎn)”意即小球在最高點(diǎn)只受重力等.如果學(xué)生不知道這些“模型”所包含的物理意義，就不能正確理解和處理相關(guān)信息.

總之，“物理模型”的牢固建立，需要在課堂教學(xué)中根據(jù)物理學(xué)科的特點(diǎn)適時(shí)進(jìn)行強(qiáng)化和訓(xùn)練.因此，物理教師在例題教學(xué)中不要急于得出結(jié)果，而是應(yīng)該注重物理過程的分析與引導(dǎo)，加強(qiáng)對“物理模型”的理解和認(rèn)識，最終使學(xué)生能夠自行提取出題中涉及的“物理模型”.

2.正確運(yùn)用“物理模型”解決實(shí)際問題.

要培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，必須讓學(xué)生能夠根據(jù)已有的知識和研究問題的特點(diǎn)建構(gòu)出“物理模型”，這是突破難點(diǎn)、提高解題效率的關(guān)鍵所在.下面以“行星的勻速圓周運(yùn)動模型”為例進(jìn)行說明.

（1）建模背景：行星繞太陽做橢圓運(yùn)動的軌跡的兩個焦點(diǎn)靠得很近，行星的軌跡非常接近圓，所以高中階段將行星的運(yùn)動看成勻速圓周運(yùn)動.

（2）模型特點(diǎn)：①行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動，線速度大小、角速度、周期不變.②太陽對行星的引力充當(dāng)行星做圓周運(yùn)動的向心力.

【案例】拉格朗日點(diǎn)L?1位于地球和月球連線上，處在該點(diǎn)的物體在地球和月球引力的共同作用下，可與月球一起以相同的周期繞地球運(yùn)動.據(jù)此，科學(xué)家設(shè)想在拉格朗日點(diǎn)L?1建立空間站，使其與月球同周期繞地球運(yùn)動.若以a?1、a?2分別表示該空間站和月球向心加速度的大小，a?3表示地球同步衛(wèi)星向心加速度的大小，則以下判斷正確的是（）.

A.a?2>a?3>a?1

B.a?2>a?1>a?3

C.a?3>a?1>a?2

D.a?3>a?2>a?2

解析：解決本題，應(yīng)注意從以下兩點(diǎn)進(jìn)行分析：（1）同步衛(wèi)星和空間站的質(zhì)量都遠(yuǎn)比天體（地球或月球）質(zhì)量小，但空間站受月球引力不能忽略，它是在地球和月球引力共同作用下繞地心做勻速圓周運(yùn)動，故此空間站不是地球“衛(wèi)星模型”.又同步衛(wèi)星是不計(jì)月球吸引力的，這說明空間站距離地球比同步衛(wèi)星更遠(yuǎn)，位置關(guān)系如圖所示.（2）由于空間站不是地球“衛(wèi)星模型”，因此不能按照地球衛(wèi)星的規(guī)律比較加速度的大小，可用到向心加速度兩個公式a=GMr2，a=ω2r.

設(shè)空間站軌道半徑為r?1，月球軌道半徑為r?2，同步衛(wèi)星軌道半徑為r?3，按照上述分析r?2>r?1>r?3，根據(jù)a?1=ω2?1r?1，a?2=ω2?2r?2，由題意知ω?1=ω?2，所以a?2>a?1，又因?yàn)閍?3=GMr2?3，a?2=GMr2?2，所以a?3>a?2，因此有a?3>a?2>a?1成立，故D正確.

在此題中，兩種“物理模型”非常相近，稍不留神就會混淆，這時(shí)就要有意識將它們拉到一起進(jìn)行對比，強(qiáng)化“衛(wèi)星模型”的特點(diǎn)，找出二者的本質(zhì)區(qū)別與聯(lián)系，這將有助于學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識和區(qū)分已經(jīng)建立的“物理模型”.