基于素養(yǎng)導(dǎo)向下培養(yǎng)建模能力的策略研究

摘要：《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，將物理建模能力，放在了的重要地位.在高三物理一輪復(fù)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力不僅有利于學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)，更有利于學(xué)生科學(xué)思維水平的提高.以“人船模型”為實(shí)例，分析如何在高三一輪復(fù)習(xí)教學(xué)中培養(yǎng)物理建模能力，讓學(xué)生掌握基本的建模解題本領(lǐng).

關(guān)鍵詞：物理建模；建模能力；人船模型；建模方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（202301-0114-03

收稿日期：2022-10-05

作者簡(jiǎn)介：王騰（1978-），男，浙江省紹興人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)研究.

1 問(wèn)題背景

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.其中“科學(xué)思維”是從物理學(xué)的視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過(guò)程.可見(jiàn)，模型建構(gòu)是科學(xué)思維的核心要素，建模能力是科學(xué)思維的重要能力指標(biāo).《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》指出在素質(zhì)教育下高考考查內(nèi)容為“核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識(shí)”.其中學(xué)科素養(yǎng)要求學(xué)生能合理運(yùn)用科學(xué)的思維方法，有效整合學(xué)科相關(guān)知識(shí)，運(yùn)用學(xué)科相關(guān)能力，高質(zhì)量地認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題.經(jīng)過(guò)素質(zhì)教育的培養(yǎng)，思維認(rèn)知能力強(qiáng)的學(xué)生應(yīng)當(dāng)能夠通過(guò)敏銳的洞察能力，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜、新穎情境中的關(guān)鍵事實(shí)特征，能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識(shí)遷移到新情境，解決新問(wèn)題.學(xué)生的學(xué)習(xí)不是主要記憶大量的事實(shí)，而是要通過(guò)主動(dòng)活動(dòng)去把握知識(shí)的本質(zhì).知識(shí)的本質(zhì)需要通過(guò)典型的變式來(lái)把握，從變式中把握本質(zhì)及物理模型.同樣，一旦把握了知識(shí)的本質(zhì)便能夠辨別所有的變式，舉一反三、聞一知十，這就是應(yīng)用建模能力的過(guò)程.

2 一輪復(fù)習(xí)對(duì)物理建模能力的要求

物理模型是指將實(shí)際問(wèn)題通過(guò)分析與抽象，突出其重要的因素，忽略次要的因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象或物理過(guò)程簡(jiǎn)化，以便于問(wèn)題處理.物理建模是指在實(shí)際的物理情境中，構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，并應(yīng)用模型進(jìn)行分析，最后解決問(wèn)題的過(guò)程.物理建模能力是指在進(jìn)行物理建?；顒?dòng)的過(guò)程中，學(xué)生所體現(xiàn)出來(lái)的綜合能力.

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中將物理建模能力的水平劃分為五個(gè)層次，見(jiàn)表1.

物理建模的本質(zhì)是將物理知識(shí)高度概括，抓住物理問(wèn)題的主干，建立清晰解決問(wèn)題的思路.在教學(xué)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生從真實(shí)情景——建立模型——解決問(wèn)題——模型變換的建模過(guò)程中，通過(guò)靈活的運(yùn)用物理模型分析，提高學(xué)生思維的靈活性和創(chuàng)造性，建立正確解決問(wèn)題的思路.學(xué)生嘗試建模的過(guò)程，其實(shí)就是物理知識(shí)內(nèi)化和遷移的過(guò)程，有利于學(xué)生加深對(duì)物理知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生良好的思維品質(zhì)和創(chuàng)新能力.

高三物理一輪復(fù)習(xí)的主要目的是：全面梳理知識(shí)點(diǎn)，鞏固基礎(chǔ)，查缺補(bǔ)漏，重視從不同的角度理解知識(shí)，拓展情境靈活應(yīng)用.因此，就物理建模而言，學(xué)生的水平應(yīng)達(dá)到水平3：能在熟悉的問(wèn)題情境中，根據(jù)需要選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題.

3 案例分析

在一輪復(fù)習(xí)中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立建模思想，掌握建模方法，模仿教師建模方式，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)臨摹來(lái)尋找解題的突破口.從一道題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)：文字信息→物理情境→物理模型→數(shù)學(xué)方程，最終解決問(wèn)題.審題就是知識(shí)的一種轉(zhuǎn)化過(guò)程.通過(guò)審題將題目中的數(shù)、形、語(yǔ)分別轉(zhuǎn)化為物理量、物理圖形、物理對(duì)象，通過(guò)已知條件對(duì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)物理模型所遵循的物理規(guī)律解決問(wèn)題.教師在講解的過(guò)程中不能只滿(mǎn)足于“解題”，還要有意識(shí)地帶領(lǐng)學(xué)生從復(fù)雜的情境中找到相應(yīng)的物理模型，展示其中的具體過(guò)程，提高學(xué)生從實(shí)際問(wèn)題中抽象出物理模型的能力.通過(guò)“人船模型”為例，改變一些條件，進(jìn)行變式訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力.也可以找一些情境不同但是所用模型相同的題目讓學(xué)生訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生在不同情境下找到共性，從而建立物理模型，用相同的方法解決問(wèn)題，提升學(xué)生的建模意識(shí)建模能力.

“人船模型”的核心知識(shí)包括：動(dòng)量守恒定律、反沖、運(yùn)動(dòng)分析.

例長(zhǎng)為L(zhǎng)、質(zhì)量為m船的小船停在靜水中，質(zhì)量為m人的人由靜止開(kāi)始從船的一端走到船的另一端，不計(jì)水的阻力，則人走多長(zhǎng)的距離就可以走到船的另一端？

總結(jié)人船模型基本特點(diǎn)，如圖1：

變式如圖2所示，在一只大氣球下方的長(zhǎng)繩上，有一個(gè)質(zhì)量為m1=50kg的人（可以把人看做質(zhì)點(diǎn).氣球和長(zhǎng)繩的總質(zhì)量為m2=20kg，長(zhǎng)繩的下端剛好和水平面接觸.當(dāng)靜止時(shí)人離地面的高度為h=5m.如果這個(gè)人開(kāi)始沿繩向下滑，當(dāng)他滑到繩下端時(shí)，他離地面的高度約為多少米？

拓展1如圖3所示，長(zhǎng)為L(zhǎng)、質(zhì)量為M的小船停在靜水中，質(zhì)量為m1和m2的兩個(gè)人站在船的兩頭，由靜止開(kāi)始從相向而行，恰好在船的中部相遇.不計(jì)水的阻力，則船相對(duì)地面的位移為多少？

拓展2如圖4所示，一質(zhì)量為M，半徑為R的光滑圓環(huán)，靜止在光滑水平面上，有一質(zhì)量為m的小物塊從與圓心O等高處，開(kāi)始無(wú)初速下滑，當(dāng)?shù)竭_(dá)最低點(diǎn)時(shí)，圓環(huán)對(duì)地的位移s環(huán)多大？

等效替換思想解決這類(lèi)問(wèn)題，把二維的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為求解單一直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，或者轉(zhuǎn)化為求解單一方向的問(wèn)題，從而極大地簡(jiǎn)化了求解過(guò)程，并能更直觀深刻地理解問(wèn)題的物理本質(zhì)和物理意義.在此基礎(chǔ)上可以對(duì)系統(tǒng)做出快速的定性分析．同時(shí)使求解過(guò)程變得簡(jiǎn)單快速且提高了正確率.

對(duì)于同一個(gè)模型，以多個(gè)問(wèn)題呈現(xiàn)，每一個(gè)問(wèn)題與前一問(wèn)題既有聯(lián)系又有變化，每一問(wèn)都使學(xué)生的思維產(chǎn)生一次飛躍，由淺入深，思維水平螺旋式上升，所涉及的知識(shí)點(diǎn)逐步拓展.同時(shí)又將模型在不同情境中的差別變化逐一展示，使學(xué)生在應(yīng)用模型的過(guò)程中知道模型的核心突破口，遇到實(shí)際問(wèn)題解決起來(lái)也更加得心應(yīng)手.

4 總結(jié)

提高學(xué)生的物理建模能力，可以讓學(xué)生更好地掌握物理知識(shí)點(diǎn)，提高分析和解決物理問(wèn)題的能力，從而提升一輪復(fù)習(xí)的效果.要提高學(xué)生的物理建模能力，一是教師可以在日常的教學(xué)過(guò)程中有意識(shí)地滲透物理模型和建模思想.在一輪復(fù)習(xí)中及時(shí)歸納過(guò)程模型的特點(diǎn)，利用模型復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)，強(qiáng)調(diào)每種模型在解決問(wèn)題過(guò)程中的突破點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，甄別模型在具體情境應(yīng)用過(guò)程中的細(xì)微差別，展示建模的過(guò)程和利用模型來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)利用物理模型解決問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，更愿意用物理模型解決實(shí)際問(wèn)題.在建立模型和應(yīng)用模型過(guò)程中，提高學(xué)生的物理建模能力.二是教師可以在復(fù)習(xí)課上利用問(wèn)題串的形式，幫助學(xué)生將實(shí)際情境中的復(fù)雜問(wèn)題分解為一系列逐步遞進(jìn)的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思維的逐層推進(jìn)，理順其中的邏輯關(guān)系，讓學(xué)生學(xué)會(huì)識(shí)別問(wèn)題，找出規(guī)律，解決問(wèn)題，不斷提升物理建模能力.

參考文獻(xiàn)：[1]中華人民共和國(guó)教育部制定.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 教育部考試中心制定.中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系[M].北京：人民教育出版社，2020.

[責(zé)任編輯：李璟]