基于學(xué)習(xí)進階的高中物理課堂建模能力培養(yǎng)實踐
——以“超重和失重”為例

廣東省廣州市增城區(qū)派潭中學(xué) 黃月勇

物理建模能力是對運用物理知識解決問題的認(rèn)識，也是解決物理問題的策略。實際上，科學(xué)的基本活動就是探索和制定模型，建模對物理的發(fā)展起到了推動作用，因此，建模能力是高中生物理能力的一項核心能力。鑒于此，本文探討了基于學(xué)習(xí)進階的高中物理課堂建模能力培養(yǎng)實踐，希望對大家有所幫助。

一、建模能力的內(nèi)涵

在20 世紀(jì)八十年代，美國學(xué)者提出科學(xué)建模理論，受到人們的廣泛關(guān)注。建模能力是指針對某個自然現(xiàn)象抽象得到主要特征，根據(jù)科學(xué)來構(gòu)建概念模型，用科學(xué)語言來進行表征。物理建模能力是學(xué)生要具備的一項重要能力，但當(dāng)前高中生卻普遍存在著建模能力較弱的問題，有的人甚至覺得物理題拆開每一句話都知道是什么意思，但是合起來就很難懂，這其實體現(xiàn)出建模能力的不足。因此，高中物理教師要重視在日常教學(xué)中滲透建模思想和方法，發(fā)展個體建模能力。

二、建模教學(xué)的進階

在建模過程中，學(xué)生要經(jīng)歷“問題情境→建構(gòu)模型→分析模型→應(yīng)用模型→評估模型→修正模型”這一系列的階段，要對各個環(huán)節(jié)進行整合，這就要經(jīng)歷復(fù)雜心理和思維過程，從而形成有效的學(xué)習(xí)路徑。借助于學(xué)習(xí)進階理論，教師對建模進行整合，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生探究某一主題，在學(xué)習(xí)的過程中展開依次進階、逐級深化的思考。在學(xué)習(xí)進階的統(tǒng)領(lǐng)下，學(xué)生認(rèn)知更加符合邏輯，進而形成物理學(xué)科良好的教學(xué)邏輯，實現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維能力的進階發(fā)展，得到正確模型，最終探究找到問題答案。

在我看來，建模教學(xué)的進階模型呈現(xiàn)動態(tài)的特點：（1）學(xué)生先要面對問題情境，通過類比、猜想等方法來初步構(gòu)建模型；（2）在初步模型基礎(chǔ)上進行分析，根據(jù)題干材料來應(yīng)用模型解決所遇到的問題；（3）在解決完遇到的問題后，學(xué)生要評估是否合適，是否還需再修正模型；（4）在問題情境背景下，學(xué)生把模型再進行對比來判斷是否吻合，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，如果不吻合再重復(fù)上述建模過程。

三、科學(xué)建模的教學(xué)實踐與反思

（一）創(chuàng)設(shè)問題情境

問題情境能夠激發(fā)學(xué)生進行思考，使他們對知識展開體驗，從而快速進入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

在本節(jié)課中，我創(chuàng)設(shè)了問題情境1：拿出一個重50g 的鉤碼，在上端系上一條寬5mm 的紙帶，要求班級學(xué)生不使用任何工具來把紙帶拉斷。

有的學(xué)生拿起紙帶快速上拉，有的則采取其他運動方式。

此處，教師引導(dǎo)他們進行思考：在紙帶快速上拉時為何會斷裂。

物理情境速度方向加速度方向體重計示數(shù)變化壓力與重力關(guān)系靜止下蹲開始階段后面階段起立開始階段后面階段

緊接著，我引出問題情境2：各小組拿出事先準(zhǔn)備好的體重計，4 個人一組，體驗并記錄小組成員在“下蹲—起立”過程中體重計示數(shù)如何進行變化，把觀察到的數(shù)據(jù)記錄在表格之中。

在體重計上所顯示的示數(shù)稱為視重（所受壓力的大?。?，人的實際重力為實重。在體驗完后，學(xué)生總結(jié)得到超重（視重＞實重）與失重（視 重＜實重）的定義。

（二）建構(gòu)物理模型

在初步了解問題情境后，學(xué)生要學(xué)會探索物理現(xiàn)象來揭示其中蘊含的規(guī)律，將其應(yīng)用于生活實際之中，對知識產(chǎn)生探究樂趣，形成實踐能力。此時，學(xué)生要從實驗中的相關(guān)現(xiàn)象抽象出物理元素，進而建構(gòu)物理模型，發(fā)展自身科學(xué)素養(yǎng)與綜合能力。

在填寫完上述表格后，學(xué)生在小組內(nèi)進行討論，初步概括得出失重、超重出現(xiàn)的原因。在經(jīng)歷小組交流后，學(xué)生初步建構(gòu)物理模型，認(rèn)為：物體具有向上加速度時產(chǎn)生超重現(xiàn)象，物體具有向下加速度時產(chǎn)生失重現(xiàn)象。在討論過程中，學(xué)生初步建構(gòu)起物理模型對知識展開研究，進行深度思考。

（三）分析物理模型

在提出假設(shè)和結(jié)論后，學(xué)生要認(rèn)真分析物理模型，思考問題背后的物理本質(zhì)，進行理論分析來深度思考。學(xué)生要進行分析，即為何在超重現(xiàn)象出現(xiàn)時會有向上的加速度？為何在具有向下加速度時會產(chǎn)生失重現(xiàn)象？

學(xué)生進行小組討論，在完成后，教師邀請學(xué)生代表上臺講解，學(xué)生畫出物體受力示意圖，除受到重力外，還有垂直方向的加速度，當(dāng)物體受到向下加速度時，得到合力FN=mg-ma。根據(jù)公式，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)向下加速度大小a=g 時，支持力或壓力為0，這是一種完全失重的特例。同理，可得物體向上時加速度分析的過程。學(xué)生在分析過程中難免會遇到這樣或那樣的錯誤，教師要結(jié)合他們的錯誤來進行針對性改進，有效提升學(xué)生思考的質(zhì)量和效率。

（四）應(yīng)用物理模型

物理來源于生活，應(yīng)用于生活。在掌握和理解物理模型后，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考和應(yīng)用物理模型，在掌握模型的基礎(chǔ)上來展開應(yīng)用。

學(xué)生在引導(dǎo)下思考和回憶坐電梯的經(jīng)歷，電梯在向上走時會有什么感覺？用剛才學(xué)過的知識來嘗試解答。

學(xué)生回憶坐電梯，分析得到以下結(jié)論：開始向上時，電梯和人從靜止向上加速、再勻速、最后減速到0。加速度方向：先向上、中間勻速階段速度為0、最后階段向下。在整個電梯運動過程中，人一開始會感覺兩只腳比較“沉”，到后面階段會感覺到兩只腳比較“輕”。

（五）評估建立模型

在學(xué)會知識應(yīng)用后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考剛開始的問題情境：為何紙帶在迅速向上提升鉤碼時會斷裂？是否能用其他方式來使紙帶快速斷掉？

學(xué)生運用超重模型來思考答案，發(fā)現(xiàn)當(dāng)向上快速拉動紙帶時加速度變大，紙帶所受的拉力也會增大。向下做減速運動時，加速度方向向上，紙帶所受的拉力增大。在小組討論完成后，有的學(xué)生應(yīng)用向下拉動紙帶，在某個時刻突然停止，紙帶發(fā)生斷裂。在問題引導(dǎo)下，學(xué)生應(yīng)用剛剛建立的模型，有效理解和掌握了物理模型。

（六）修正物理模型

在理解了超重、失重的定義后，有學(xué)生會提出這樣的疑問，即出現(xiàn)超重、失重狀態(tài)時，物體運動方向是否一定垂直呢？為了解答這一疑惑，也為了使他們加深對本節(jié)課知識點的理解，我設(shè)計了以下情境：

購物超市都有自動運送人的扶梯，如果沒有人的話會處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)一個質(zhì)量為m 的人剛站上去時，斜梯以加速度a 向上運動，如果斜梯與水平面的夾角為θ，那么，嘗試計算人對扶梯的壓力是多少？

學(xué)生畫出人的受力情況圖，結(jié)合圖來計算人對扶梯的壓力大小，即FN=mg +masinθ，進而得到力大于人受到的重力。結(jié)合超重的概念，人在上述問題情境中依然處于超重狀態(tài)，這就需要來糾正模型。在獨立思考和小組討論后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)物體處于超重狀態(tài)時加速度方向可以垂直或斜向上，物體處于失重狀態(tài)時加速度方向可以垂直或斜向下。針對學(xué)生質(zhì)疑的情況，教師提出問題情境引導(dǎo)他們進一步深入探究，能夠有效發(fā)展探究能力，促進個體水平的提升。

基于學(xué)習(xí)進階的高中物理課堂建模能力培養(yǎng)教學(xué)實踐很好地體現(xiàn)了建模教學(xué)的整個過程，對概念的構(gòu)建、物理規(guī)律的應(yīng)用、生活問題的解決都有著很重要的指導(dǎo)意義。在教學(xué)過程中，教師要注重物理模型的建構(gòu)，使學(xué)生在建構(gòu)、應(yīng)用等探究環(huán)節(jié)來內(nèi)化、優(yōu)化模型，從而形成獨具特色的高中物理教學(xué)方法，促進學(xué)生建模能力的發(fā)展，促使每個人在學(xué)習(xí)中都有所收獲，提升課堂學(xué)習(xí)的專業(yè)能力。