指向“模型構(gòu)建”要素的物理教學(xué)路徑分析

俞柯斌

摘 要：模型構(gòu)建要素是科學(xué)思維素養(yǎng)的重要組成，教學(xué)中教師不僅僅要關(guān)注物理知識的傳授，更要注重學(xué)生物理建模能力的培養(yǎng)。文章通過對對象、過程、條件模型構(gòu)建案例的分析，提升學(xué)生的物理建模能力。同時(shí)教師應(yīng)善于利用教材中的模型素材，在習(xí)題課教學(xué)中強(qiáng)化建模教學(xué)，并注意物理模型教學(xué)的廣度與深度。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；建模；物理教學(xué)

中圖分類號：G633.7? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1673-8918（2023）11-0149-04

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年版）》提出高中物理核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。其中“科學(xué)思維”素養(yǎng)主要包括模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，同時(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)也將各個(gè)核心素養(yǎng)劃分成五個(gè)水平?？梢姡澳Ｐ蜆?gòu)建”要素是科學(xué)思維素養(yǎng)的重要組成，這意味著教師在實(shí)際教學(xué)中，不僅僅要關(guān)注物理知識的傳授，還要注重學(xué)生物理建模能力的培養(yǎng)。

下面以2022年1月浙江選考第7個(gè)選擇題為例來看看浙江選考試題中對“模型構(gòu)建”要素的考查。

【案例1】 （2022年1月浙江選考第7題）如圖所示，水平放置的電子秤上有一磁性玩具，玩具由啞鈴狀物件P和左端有玻璃擋板的凹形底座Q構(gòu)成，其重量分別為GP和GQ。用手使P的左端與玻璃擋板靠近時(shí)，感受到P對手有靠向玻璃擋板的力，P與擋板接觸后放開手，P處于“磁懸浮”狀態(tài)（即P和Q的其余部分均不接觸），P與Q間的磁力大小為F。下列說法正確的是（? ）

A. Q對P的磁力大小等于GP

B. P對Q的磁力方向豎直向下

C. Q對電子秤的壓力大小等于GQ+F

D. 電子秤對Q的支持力大小等于GP+GQ

試題分析：大部分學(xué)生平時(shí)沒有看過啞鈴狀物件的真實(shí)結(jié)構(gòu)，以至于他們沒有辦法建立一個(gè)受力分析的模型，平時(shí)學(xué)的共點(diǎn)力的平衡等知識就無法應(yīng)用。

題干中講到用手使P的左端與玻璃擋板靠近時(shí)，感受到P對手有靠向玻璃擋板的力，所以放開手后，擋板對啞鈴狀物件P有水平向右的彈力，它還受重力，所以磁力應(yīng)該是斜的。

近年來，浙江選考試題越來越注重實(shí)際情境和物理建模，所以我們平時(shí)的物理教學(xué)也應(yīng)該要指向核心素養(yǎng)，尤其是要關(guān)注物理建模。

一、 核心素養(yǎng)與物理模型

物理模型是人們對物理研究對象及其過程的抽象概括，是人們認(rèn)識物理問題所形成的心理圖示的外在表達(dá)，是重要的物理方法。物理模型可以分為對象模型、過程模型、條件模型。質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子、單擺、理想氣體、點(diǎn)電荷、勻強(qiáng)電場、理想變壓器等都是對象模型，勻速直線運(yùn)動、勻變速直線運(yùn)動、平拋運(yùn)動、勻速圓周運(yùn)動、簡諧運(yùn)動、彈性碰撞、等溫過程、絕熱過程等是過程模型，光滑、不計(jì)空氣阻力、不可伸長、輕繩等是條件模型。

有了以上幾個(gè)物理模型之后，通過分析、判斷簡化、抽象和相應(yīng)的物理知識之后學(xué)生就可以把情境化的試題轉(zhuǎn)換為非情境化的試題，這個(gè)過程就是物理建模。但是實(shí)際情況呢，我在高二學(xué)考班復(fù)習(xí)勻變速直線運(yùn)動講解一個(gè)例題時(shí)讓學(xué)生建模，圖4左邊這位同學(xué)的建模是教師希望看到的建模，而右邊這位同學(xué)的建模就與教師心中的建模有很大距離。有的同學(xué)很聰明，數(shù)學(xué)運(yùn)算能力很強(qiáng)，但是閱讀理解能力和情境分析能力很弱，那么在當(dāng)前的物理選考下，很難取得很高的物理賦分，但是建模的能力是可以培養(yǎng)的。

二、 核心素養(yǎng)下物理模型的構(gòu)建

（一）物理對象模型構(gòu)建案例

【案例2】 （2022年1月選考第13題）如圖所示，將一通電螺線管豎直放置，螺線管內(nèi)部形成方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=kt的勻強(qiáng)磁場，在內(nèi)部用絕緣輕繩懸掛一與螺線管共軸的金屬薄圓管，其電阻率為ρ、高度為h、半徑為r、厚度為d（dr），則（? ）

A. 從上向下看，圓管中的感應(yīng)電流為逆時(shí)針方向

B. 圓管的感應(yīng)電動勢大小為kπr2h

C. 圓管的熱功率大小為πdhk2r32ρ

D. 輕繩對圓管的拉力隨時(shí)間減小

試題分析：學(xué)生清楚本題是用法拉第電磁感應(yīng)定律、電阻定律去解題，但是就是無法入手，其實(shí)他們就是沒有把金屬薄圓管等效為多個(gè)相同的金屬圓環(huán)并聯(lián)，在利用法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算電動勢時(shí)磁場的有效面積是πr2，在利用電阻定律計(jì)算圓管的電阻時(shí)，圓環(huán)的長度是2πr，圓環(huán)的橫截面積是dh。最后根據(jù)楞次定律，圓管中的感應(yīng)電流是順時(shí)針方向的，根據(jù)磁場的方向，就可以判斷出安培力是水平方向的，所以輕繩對圓管的拉力保持不變。

（二）物理過程模型構(gòu)建案例

【案例3】 （2021年1月選考第9題）某一滑雪運(yùn)動員從滑道滑出并在空中翻轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)過多次曝光得到的照片如圖所示，每次曝光的時(shí)間間隔相等。若運(yùn)動員的重心軌跡與同速度不計(jì)阻力的斜拋小球軌跡重合，A、B、C、D表示重心位置，且A和D處于同一水平高度。下列說法正確的是（? ）

A. 相鄰位置運(yùn)動員重心的速度變化相同

B. 運(yùn)動員在A、D位置時(shí)重心的速度相同

C. 運(yùn)動員從A到B和從C到D的時(shí)間相同

D. 運(yùn)動員重心位置的最高點(diǎn)位于B和C中間

試題分析：學(xué)生根據(jù)選考試卷提供的照片，感覺好像運(yùn)動員重心的最高點(diǎn)在B和C的中間。這個(gè)題目的解題關(guān)鍵是題干里的“運(yùn)動員的運(yùn)動軌跡與同速度不計(jì)阻力的斜拋小球軌跡重合”，學(xué)生如果能夠根據(jù)這句話建立斜拋運(yùn)動過程模型，通過數(shù)間隔的方式可知C點(diǎn)才是重心的最高點(diǎn)，而斜拋運(yùn)動的性質(zhì)是勻變速曲線運(yùn)動，自然而然相等時(shí)間間隔內(nèi)重心速度變化的大小和方向均相同。

（三）物理?xiàng)l件模型構(gòu)建案例

【案例4】 （2011年浙江理綜第14題）如圖所示，甲、乙兩人在冰面上“拔河”。兩人中間位置處有一分界線，約定先使對方過分界線者為贏。若繩子質(zhì)量不計(jì)，冰面可看成光滑，則下列說法正確的是（? ）

A. 甲對繩的拉力與繩對甲的拉力是一對平衡力

B. 甲對繩的拉力與乙對繩的拉力是作用力與反作用力

C. 若甲的質(zhì)量比乙大，則甲能贏得“拔河”比賽的勝利

D. 若乙收繩的速度比甲快，則乙能贏得“拔河”比賽的勝利

試題分析：甲乙兩人在冰面上拔河，這就是一個(gè)實(shí)際問題，兩人拔河的時(shí)候，如果不考慮人彎曲、傾倒，就可以把人當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)處理，由于繩子質(zhì)量不計(jì)，這就是一個(gè)條件模型。根據(jù)牛頓第二定律，可知甲、乙兩人對繩子的力相等，再根據(jù)牛頓第三定律可得繩子對甲、乙兩人的拉力大小相同，所以題目就轉(zhuǎn)化成質(zhì)量不同的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)在相同大小的力的作用下，經(jīng)過相等時(shí)間，誰的位移大？這就把一個(gè)實(shí)際問題轉(zhuǎn)為一個(gè)物理問題，很容易就知道質(zhì)量大的位移小。

三、 物理模型建構(gòu)的思考

（一）善于利用教材中的模型素材

在講解“橫波的傳播模型”時(shí)，教材上有如圖7所示的做一做欄目，我們可以引導(dǎo)學(xué)生完成以下2個(gè)步驟：首先臺上同學(xué)站成一排，臺下同學(xué)只觀察臺上同學(xué)頭部的運(yùn)動，除1號同學(xué)外，其余同學(xué)只靠周圍同學(xué)的帶動而蹲站。讓1號同學(xué)連續(xù)蹲站，先觀察各同學(xué)頭部的起振方向與1號同學(xué)頭部起振方向的關(guān)系，再觀察各同學(xué)頭部振動方向與波傳播方向的關(guān)系。然后讓6號同學(xué)連續(xù)蹲站，其余同學(xué)只靠周圍同學(xué)的帶動而蹲站。觀察左右兩邊各同學(xué)頭部振動方向與波傳播方向的關(guān)系。通過這個(gè)活動，學(xué)生可以體會到波的形成需要質(zhì)點(diǎn)間的相互作用，體會到其他質(zhì)點(diǎn)是在振源帶動下的受迫振動，體會到各質(zhì)點(diǎn)起振方向和振源起振方向的關(guān)系，體會到波的傳播方向和質(zhì)點(diǎn)振動方向之間的關(guān)系，同時(shí)我們還可以觀察波的雙向傳播等，讓同學(xué)們在頭腦中初步形成橫波的傳播模型。

【案例5】 （2021年6月浙江選考第16題）肥皂膜的干涉條紋如圖所示，條紋間距上面寬、下面窄。下列說法正確的是（? ）

A. 過肥皂膜最高和最低點(diǎn)的截面一定不是梯形

B. 肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋

C. 肥皂膜從形成到破裂，條紋的寬度和間距不會發(fā)生變化

D. 將肥皂膜外金屬環(huán)左側(cè)的把柄向上轉(zhuǎn)動90°，條紋也會跟著轉(zhuǎn)動90°

試題分析：在我們教材上出現(xiàn)過肥皂膜的圖片，有的同學(xué)閉上眼睛就想到了教材上的這張圖，這張圖上的肥皂液膜很像梯形。A選項(xiàng)的解題關(guān)鍵是題干里的“條紋間距上面寬，下面窄”這句話，這句話講了干涉條紋的特征，我們就從這句話來判斷梯形的模型是否正確。所以學(xué)生首先要建立一個(gè)梯形的模型，如果肥皂膜是梯形的話，肥皂膜的厚度每變化波長的一半就出現(xiàn)一條條紋，條紋間距應(yīng)該是相等的，現(xiàn)在題干里條紋間隔不相等，所以肥皂膜肯定不是梯形。這個(gè)題目需要學(xué)生先建模，再進(jìn)行分析論證。

（二）習(xí)題課教學(xué)中強(qiáng)化建模教學(xué)

習(xí)題課是高中物理教學(xué)中常見的課型，習(xí)題課中建模能力的培養(yǎng)會直接影響學(xué)生解題的速度和能力，影響學(xué)生的物理成績。所以，我們要在習(xí)題課中強(qiáng)化物理建模教學(xué)。

我在講解《動量定理在電磁感應(yīng)中的應(yīng)用》習(xí)題課中，通過對4次選考試題的分析，讓學(xué)生在腦子里初步形成應(yīng)用動量定理解決電磁感應(yīng)問題的基本模型。

（三）注意物理模型的廣度與深度

在進(jìn)行建模教學(xué)時(shí)，要充分考慮學(xué)生的學(xué)情，注意模型的廣度與深度，并對模型做適當(dāng)變式，從而引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確、透徹地掌握模型的本質(zhì)和使用條件。

總之，核心素養(yǎng)的培育不是一蹴而就，物理建模對學(xué)生來講確實(shí)有一定難度，但是它是解決實(shí)際問題的前半段，如果我們能夠建好模，剩下的就是利用物理規(guī)律進(jìn)行求解。正因?yàn)榻：茈y，所以我們要讓學(xué)生多建模。那么如何讓學(xué)生學(xué)會建模？省教研員梁旭老師曾在論文中提出過九個(gè)字：“建中學(xué)，比中學(xué)，評中學(xué)”。建中學(xué)，建模不是聽老師講，而是要學(xué)生自己來建。比中學(xué)，大家都來畫這個(gè)模型，然后投影出來給大家看，誰畫得好，誰畫得對，比一比，這樣才能觸動學(xué)生。評中學(xué)，比了之后要評價(jià)，看看誰好，理由是什么，為什么他不好，原因是什么，我們要真實(shí)地去評，真實(shí)地去比，這樣才能逐步提高學(xué)生的建模能力，逐步提高課堂教學(xué)的效率。

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)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：78-80.

［2］宋磊磊.高三物理一輪復(fù)習(xí)中提高學(xué)生建模能力的研究與實(shí)踐［D］.武漢：華中師范大學(xué)，2019.