“數(shù)據(jù)模型”在物理教學(xué)中的嘗試

摘?要：“數(shù)據(jù)模型”是物理學(xué)研究中常用的一種方法和思路，“數(shù)據(jù)模型”包括數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)圖象、函數(shù)式（文字表述）三要素， “數(shù)據(jù)模型”符合學(xué)生由淺入深、由表入里的認(rèn)知規(guī)律.構(gòu)建數(shù)據(jù)模型可以加深學(xué)生對物理概念的理解，讓學(xué)生熟練掌握物理規(guī)律，通過“數(shù)據(jù)模型”教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理模型的意識和能力，提升科學(xué)思維的能力.

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)模型;核心素養(yǎng);構(gòu)建模型

文章編號：1008-4134（2020）01-0031?中圖分類號：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

作者簡介：劉天罡（1981-），男，河南舞陽人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

高中物理課程是在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會(huì)科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強(qiáng)創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力.通過高中物理課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生要具有建構(gòu)模型的意識和能力;能運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個(gè)方面對相關(guān)問題進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論[1].

“數(shù)據(jù)模型”是筆者在日常工作中為解決物理教學(xué)中遇到的一些難點(diǎn)問題嘗試使用的一種方法，對學(xué)生理解基本概念，培養(yǎng)學(xué)生建立模型的意識和能力起到了良好的效果.數(shù)據(jù)模型包括數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)圖象、函數(shù)式或文字表述，數(shù)據(jù)表格是通過一系列的數(shù)據(jù)顯示其變化，數(shù)據(jù)圖象是通過圖象直觀地呈現(xiàn)變化規(guī)律，函數(shù)式是通過數(shù)學(xué)的方法把零散的數(shù)據(jù)用函數(shù)的形式對物理規(guī)律凝練和總結(jié)，是對物理規(guī)律高度的定量概括.數(shù)據(jù)模型符合學(xué)生由淺入深的認(rèn)知規(guī)律，利用數(shù)據(jù)模型可以把物理規(guī)律的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行具體的描述，把晦澀難懂的定性描述轉(zhuǎn)化成定量的具體展示，把抽象的物理規(guī)律通過數(shù)據(jù)、圖象、函數(shù)的方式由簡到難，由表入里地直觀呈現(xiàn)給學(xué)生.數(shù)據(jù)模型是運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個(gè)方面對相關(guān)問題進(jìn)行科學(xué)推理，找出規(guī)律，形成結(jié)論.

1?構(gòu)建“數(shù)據(jù)模型”加深學(xué)生對物理概念的理解

物理概念基本都是文字式的描述，字?jǐn)?shù)不多，高度概括，對事物的描述抽象，這種描述有很多的專業(yè)術(shù)語，剛接觸時(shí)學(xué)生不易接受和理解.同時(shí)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中各物理概念之間是割裂的，不能把物理概念緊密地聯(lián)系在一起，沒有養(yǎng)成知識點(diǎn)之間橫向比較和縱向?qū)Ρ鹊牧?xí)慣，分辨不出各自之間的區(qū)別.要深入理解物理概念，首要的是要知道引入這個(gè)物理概念是要解決什么物理問題，在知道為什么要引入某個(gè)物理概念的基礎(chǔ)之上，此時(shí)可以利用“數(shù)據(jù)模型”深入剖析物理概念的內(nèi)涵和外延.

勻變速直線運(yùn)動(dòng)的定義是沿著一條直線，且加速度不變的運(yùn)動(dòng).對于很多同學(xué)來說，剛學(xué)完加速度的內(nèi)容，對于加速度的理解可能還不透徹，此時(shí)用簡短的文字就給出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的定義，學(xué)生理解上是有困難的，為了更好地理解什么是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，我們可以利用數(shù)據(jù)模型突破這個(gè)難點(diǎn)，不僅可以加深對加速度的理解，同時(shí)還可以對更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究和拓展.本文以勻加速直線運(yùn)動(dòng)和變加速直線運(yùn)動(dòng)為例，通過對比用數(shù)據(jù)模型讓學(xué)生對勻加速直線運(yùn)動(dòng)和加速度概念有更深刻的理解.

1.1?勻加速直線運(yùn)動(dòng) “數(shù)據(jù)模型”教學(xué)

數(shù)據(jù)分析：從表1中學(xué)生很容易知道速度的大小每秒鐘增加2m/s，通過具體的數(shù)據(jù)學(xué)生可以深刻地理解什么叫均勻增加，結(jié)合圖1直觀地把數(shù)據(jù)變化呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生了解均勻變化在圖象當(dāng)中的具體形式，明白圖象中線性關(guān)系的含義，同時(shí)對勻加速直線運(yùn)動(dòng)中“勻”和“加速”所表達(dá)的含義有更清晰的認(rèn)識.

1.2?變加速直線運(yùn)動(dòng)“數(shù)據(jù)模型”教學(xué)

數(shù)據(jù)分析：對比表1和表2學(xué)生很容易找到兩者之間的差別，數(shù)據(jù)表2中的速度雖然也在不斷增加，但不像數(shù)據(jù)表1中的數(shù)據(jù)是均勻增加，結(jié)合數(shù)據(jù)分析：第1秒速度增加了2 m/s，第2秒速度增加了3m/s，第3秒速度增加了4m/s，每秒速度增加的量越來越大，速度的大小不是均勻變化的，變化量是在逐漸增大.

以上的數(shù)據(jù)雖然不是建立在學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上的，但在教學(xué)過程中使用便于分析的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)——圖象——數(shù)據(jù)分析等一系列過程，不僅可以加深學(xué)生對物理概念的理解，還可以讓學(xué)生掌握分析問題、解決物理問題的一般方法.

2?構(gòu)建數(shù)據(jù)模型讓學(xué)生熟練掌握物理規(guī)律的應(yīng)用

物理規(guī)律是基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的理論體系，反映的是各物理概念之間的必然聯(lián)系.所以物理規(guī)律的學(xué)習(xí)比物理概念的學(xué)習(xí)難度更高，挑戰(zhàn)更大，這就需要教師通過分解學(xué)習(xí)過程，清晰地呈現(xiàn)物理規(guī)律中的變化過程，從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度.

高中階段摩擦力分為靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力，靜摩擦力的大小是動(dòng)態(tài)變化的，會(huì)隨著外力的增加而增加，學(xué)生很容易把靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力相混淆.通過“數(shù)據(jù)模型”的教學(xué)不僅可以讓學(xué)生清楚地知道靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的特點(diǎn)，而且能更好地區(qū)分靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力. 牛頓第二定律是實(shí)驗(yàn)定律，內(nèi)容是物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比，與它的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟力的方向相同.學(xué)生對“物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比”這句話理解時(shí)有一定困難，在使用牛頓第二定律時(shí)不知道作用力是物體受到的那個(gè)力，同學(xué)們更多地認(rèn)為作用力就是拉力或牽引力.之所以會(huì)產(chǎn)生這種錯(cuò)誤的認(rèn)識，是源于學(xué)生沒有真正理解運(yùn)動(dòng)與力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過“數(shù)據(jù)模型”的教學(xué)方式可以向?qū)W生清晰地展示其中的變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系.

2.1?摩擦力“數(shù)據(jù)模型”教學(xué)

數(shù)據(jù)分析：結(jié)合教材中拉彈簧的實(shí)驗(yàn)，我們可以得到一組數(shù)據(jù)，從表3中我們可以清晰地看到物體所受的牽引力、摩擦力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，當(dāng)木塊靜止時(shí)所受到的摩擦力是靜摩擦力，此時(shí)的摩擦力大小等于拉力，摩擦力的大小會(huì)隨著外力的增大而增大，其中靜摩擦力有最大值，當(dāng)拉力大于最大靜摩擦力時(shí)，物體開始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)摩擦力變成滑動(dòng)摩擦力，而且滑動(dòng)摩擦力又小于最大靜摩擦力，并且滑動(dòng)摩擦力的大小不再發(fā)生變化.

2.2?牛頓第二定律“數(shù)據(jù)模型”教學(xué)

如圖4所示，質(zhì)量為1103kg的汽車靜止在水平面上，汽車的牽引力逐漸增加，在水平的公路上沿直線行駛，所受阻力為2.5 103N.求：汽車前進(jìn)時(shí)的加速度.

根據(jù)題目的文字描述，教師首先需要給學(xué)生建立直觀的物理情景，把文字轉(zhuǎn)化成生活中具體的場景，這就需要先對物體受力分析如圖4所示，小車受水平向右的牽引力和水平向左的阻力，接下來為了讓學(xué)生對運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系有一個(gè)清晰的認(rèn)識，教師可以通過數(shù)據(jù)表格4把F、f和a的一一對應(yīng)關(guān)系展示給學(xué)生，從表格4中的數(shù)據(jù)學(xué)生可以知道當(dāng)F

數(shù)據(jù)模型是把數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析和數(shù)學(xué)建模綜合的一種方法，是研究物理問題的一般程序，通過數(shù)據(jù)模型可以讓學(xué)生熟練掌握物理規(guī)律的應(yīng)用.

3?構(gòu)建“數(shù)據(jù)模型”培養(yǎng)學(xué)生建立模型的意識和能力

物理的學(xué)習(xí)是通過物理概念、物理規(guī)律的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建模型的意識和能力，學(xué)好物理的關(guān)鍵是要有發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，而構(gòu)建物理模型是分析問題和解決問題的重要手段.物理模型的構(gòu)建離不開數(shù)學(xué)模型的建立，數(shù)據(jù)模型是數(shù)學(xué)模型的雛形，通過數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用可以培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建模型的意識和能力.

平拋運(yùn)動(dòng)是相對于勻加速直線運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜的一種運(yùn)動(dòng)，之所以復(fù)雜在于，其大小和方向時(shí)刻都在發(fā)生變化，運(yùn)動(dòng)由之前的一維運(yùn)動(dòng)上升至二維運(yùn)動(dòng)，超出了學(xué)生以往的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的時(shí)候很吃力，會(huì)有很多疑問.尤其對于平拋運(yùn)動(dòng)是勻加速曲線運(yùn)動(dòng)很難理解，教師可以讓學(xué)生通過“數(shù)據(jù)模型”嘗試自己分析.

3.1?平拋運(yùn)動(dòng)“數(shù)據(jù)模型”的教學(xué)

3.2?數(shù)據(jù)分析

根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，教師可以把每一時(shí)刻的水平速度、豎直速度和合速度在表5中展現(xiàn)，結(jié)合圖象6學(xué)生可以清晰地看到平拋運(yùn)動(dòng)單位時(shí)間內(nèi)速度的變化量即是豎直方向的變化量，所以平拋運(yùn)動(dòng)是勻加速曲線運(yùn)動(dòng).

4?結(jié)束語

人類在探索物理規(guī)律的過程中逐漸形成了物理學(xué)研究的基本方法.學(xué)生認(rèn)識物理規(guī)律的過程也相當(dāng)于一個(gè)探索與研究的過程.因此，物理規(guī)律的教學(xué)方法與物理學(xué)的研究方法大體上是一致的.物理規(guī)律是觀察、實(shí)驗(yàn)、思維和數(shù)學(xué)推理相結(jié)合的產(chǎn)物，構(gòu)建“數(shù)據(jù)模型”可以把數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、規(guī)律總結(jié)密切結(jié)合在一起，從而培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提升學(xué)生的科學(xué)思維.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2019-09-12）