淺談高中物理教學中學生建模思想及能力的培養(yǎng)

孫淼

摘 要：高中物理是以實驗為基礎，具有較高實踐性與交叉性的學科，重視知識的選擇性與基礎性，構建物理模型是高中物理教學中常用的教學方法，不僅能夠讓復雜的知識變得純粹化與簡單化，還有利于引導學生發(fā)現與積極探索物理知識。在高中物理教學中，培養(yǎng)學生的建模思想與建模能力，有助于幫助學生通過構建物理模型學習知識、解釋事物與解決問題。本研究在分析高中物理教學中學生建模思想及建模能力的培養(yǎng)時，首先分析高中物理教學中學生建模思想的主要內容，研究培養(yǎng)學生建模思想的重要性與必要性，然后，針對學生建模能力提出培養(yǎng)方法，具體是指引導學生建立物理模型、通過例題講解的方式利用物理模型、設置情境問題實施建模能力的培養(yǎng)與訓練。

關鍵詞：高中物理教學；建模思想；建模能力

在高中物理課程改革中，明確了高中物理教學課程結構、定位、制度保障措施，打破高中物理傳統(tǒng)教材特點，強調在物理知識中不斷滲透科學與個性化的教學方法。但是，這并不代表完全否定高中物理學科的系統(tǒng)性，而是引導學生以創(chuàng)新性、創(chuàng)造性的建模思想削弱學科系統(tǒng)性，這也與“減負”號召相吻合，有意識地隱去抽象的教學方法。高中物理教學中，學生建模思想及建模能力的培養(yǎng)是非常重要的一部分，建模能力是指學生在物理學習中，能夠根據實際問題建立適合實際問題的物理模型，能夠把實際問題轉化為語言或數學語言的能力，其主要表現為理論建模、仿真模擬、實驗模擬以及數學解題等方面[1]。在高中物理教學中，培養(yǎng)學生的建模思想與建模能力，將構建理想化模型作為重要的教學方法，有助于引導學生在學習物理知識時，由感性認知轉到理性認知、由復雜轉到簡單、由具體轉到抽象，在掌握物理內在規(guī)律與本質屬性方面實現不斷思維化[2]。在高中物理教學中，學生建模能力的培養(yǎng)旨在讓學生能夠運用物理知識和理論，構建適合實際問題的物理模型，并從中分析出結論或提取實用價值。

一、高中物理教學中學生建模思想

高中物理傳統(tǒng)教學方法比較注重解答抽象問題與講解理論體系，忽視實踐與理論的相互結合，盡管學生能夠利用已經學到的知識解答物理問題，但是，在生活中卻很難應對物理難題。受傳統(tǒng)教學方法的影響，高中學生主要被動接受物理教師灌輸的知識，沒有充足的想象機會，逐漸失去主動學習與探索物理知識的能力，這與新時代素質教育觀念相背離。應用建模教學方法，培養(yǎng)學生的建模思想是新時代高中物理教學的需要，物理的抽象性與嚴謹性在高中物理教學中有較多體現，其目標即為培養(yǎng)高中學生的思維能力與邏輯能力[3]。但是，與實踐活動相關的內容比較有限，學生一般會在學到理論知識后忽視在實踐中應用知識，這也是高中物理教學中學生存在的思維難題。目前，高中學生對物理建模的認識僅停留于死記硬背相關知識點上，例如：教師講解到點電荷與質點是理想化狀態(tài)的物理模型，那么學生就會牢記點電荷與質點是理想化狀態(tài)的物理模型，而如果老師告訴學生能夠忽略輕繩等質量，那么學生在學習過程中會忽視質

量[4]。就高中物理學科而言，培養(yǎng)學生的建模思想價值在于幫助學生理解物理規(guī)律與認識物理學科概念，還能幫助學生簡化復雜的問題，掌握主要因素，忽視次要因素，進而有效解決現實中的物理問題。通過全方位培養(yǎng)學生的建模思想，能夠比較好地解決該問題，這是因為針對高中物理學科培養(yǎng)建模思想，注重用數學方法與語言，將難懂、抽象的理論轉變?yōu)閿祵W模型與數學公式，學生在看到更直觀的知識體系后，也會更高效地理解物理知識。

二、高中物理教學中學生建模能力的培養(yǎng)

（一）引導學生建立物理模型

高中物理學科中存在許多難以理解的現象，而通過構建物理模型能夠對難以理解的知識點進行融會貫通，例如：學生普遍難以理解電流熱效應、尖端放電現象、靜電平衡現象、靜電感應現象等，而通過引導學生構建金屬導體模型，能夠讓學生更有效地了解相關知識點，甚至會產生茅塞頓開的感覺[5]。在引導學生建立物理模型的過程中，高中物理教師自身也應當清楚地認識到不能僵化古板，也不能在引導學生的過程中產生教條主義，這是因為學生在物理知識方面構建的模型并沒有明確對與錯的區(qū)分，而是更需要看所構建的模型能否解釋何種物理現象，與能否解釋物理現象等[6]。在引導學生構建物理模型時，將物理模型構建標準設定為：盡量簡化物理模型，且確保物理模型的容易擴展性。物理模型更加簡單，在物理模型中增加具體條件，由此才能夠解釋高中物理中的更多物理現象，即代表該物理模型具有較強的擴展性。另外，高中物理教師在引導學生構建物理模型的過程中，還需要注重引導學生消除對物理模型的認知，即幫助學生培養(yǎng)正確的物理模型思想，讓學生認識到盡管物理模型會失去部分真實性，但是，通過構建物理模型，更容易接近實物的真實狀態(tài)，對物理現象進行更好地模擬。例如：在進行“用電器的功率與電流強度的關系”的教學中，教師可以準備一臺電熱水壺，一根電線，一個電流計和一臺電壓表。首先，教師將電流計和電壓表與電熱水壺線路連接，然后將電熱水壺插入插座，調整電壓大小并記錄下電壓和電流的數值。接著，教師可以改變調節(jié)電壓的大小，再次記錄電壓和電流的變化，并根據這些數據繪制出功率與電流強度的關系曲線。通過這樣的實驗，學生可以深入理解用電器的功率與電流強度之間的關系，進一步學習到了電路中電流、電壓、功率等基本概念。同時，學生還能夠利用所學的知識建立模型，預測和分析電器功率和電流之間的變化規(guī)律。在實驗后，教師可以帶領學生進行討論和思考，比如：如果電熱水壺的電壓降低，那么電流和功率的變化會如何？如果使用的電線電阻較大，那么對于電熱水壺的功率和電流強度的影響是怎樣的？通過這些探討，學生不僅能夠建立更為深入的電路模型，還能夠迅速將所學知識應用到實際問題中，進一步提高自己的物理學習能力。

總之，引導學生建立物理模型是高中物理教學的一個重要環(huán)節(jié)，通過構建具體的案例，可以幫助學生更深刻地理解物理原理，并將所學知識更準確地應用到實際問題中，從而提高自己的物理學習能力。

（二）例題講解利用物理模型

在培養(yǎng)高中學生物理建模能力的過程中，高中物理教師可充分利用例題講解中利用物理模型的價值。在講解例題時，高中物理教師可堅持深入淺出的原則，引導學生理解物理模型，重點掌握該物理模型能夠解決何種問題、不能解決何種問題、突出何種知識點、忽視何種知識點，以及所構建的物理模型具有哪些不同點或是共同點[7]。同時，高中物理知識引導學生根據物理模型構建方法總結具有代表性的例題，例如：學生可積極總結各類臨界模型、斜面模型、天體運動模型、板塊模型等。在總結物理模型的過程中，要求高中學生領悟與感知物理模型的本質，深入體會在解決問題與理解物理知識方面，構建物理模型的價值。在例題講解時，高中物理教師的角色為問題引領，帶領學生感受與經歷構建物理模型的過程，學生在經歷例題講解中將理論知識應用到問題解決中時，會掌握如何歸納與分類物理模型，討論質疑點，培養(yǎng)物理建模思想，提高物理建模能力，促進發(fā)展科學思維。例如：在講解自由落體例題時，應用構建自由落體模型的方法，讓學生能夠在建模時經歷建模的思維過程，讓高中學生學習與體會構建物理模型的重要性，真正提高物理建模能力，教師可以通過例題先給學生介紹牛頓第一定律和牛頓第二定律，然后引導學生分析各種力對物體運動的影響，如：重力、空氣阻力、摩擦力等。接著，教師可以給學生提供一個具體的問題，如：一個質量為10kg的物體，從10米的高度自由落下，如果忽略空氣阻力，求物體落地時的速度是多少？教師可以引導學生自己嘗試建立物理模型，提出假設，列出所需要使用的公式和變量，并進行實踐驗證。在實踐中，教師可以將學生分成小組進行探究，每個小組可以負責一個具體的物理量的計算。例如：1組可以計算物體從高度為10米自由落下所需的時間，2組可以計算物體在自由落下過程中的平均速度，3組可以計算物體落地時的速度。最后，教師可以引導學生進行結果檢驗和分析，比較實驗數據與理論計算結果的差異，并讓學生討論可能出現的誤差和原因。

總之，通過這個案例的實踐，不僅可以深入學習力與運動之間的關系，還能夠讓學生鍛煉利用物理模型解決實際問題的能力，提高學生的物理學習興趣和能力。

（三）設置情境問題實施訓練

情境是構建物理模型的展開基礎與載體，在高中物理教學過程中，教師能夠通過應用認知沖突、圖片、視頻、趣味性實驗等方法設置情境，在情境中，抓住物理模型構建所需的原材料，突出情境的真實性，致力于培養(yǎng)高中學生的建模思想[8]。同時，在設置情境中提出適合的科學問題，并確保情境與學生的生活相貼近，并以物理教學活動為核心，與學生的學習基礎相符合，幫助學生能夠在情境的基礎上運用思維方法，展開分析與探索活動。例如：在構建自由落體運動模型時，教師可向學生展示常見的情境視頻，諸如跳傘運動、跳水運動、余暉落葉等，讓學生對展示的情境視頻進行歸納與分類，總結不同自由落體活動的差異點與相同點。同時，高中物理教師應提示學生根據速度恒定、人為參與、運動軌跡等進行分類，并在實踐中體會歸納與分類的必要性。教師在引導學生構建模型時研究簡單的運動，并以物體只受阻力與重力作為研究對象，總結落體運動的一般規(guī)律與共同特征。在分析影響下落快慢的因素時，高中物理教師可設置相關的情境，例如：為減少空氣阻力，建模中用到的紙片變成紙團，雖然沒有改變實驗器材，但已經改變了問題。通過設置情境，高中物理教師讓學生研究簡單的運動，更容易明確研究對象，這有利于學生探索物理知識，且不會受到無關因素的影響。如在進行“汽車制動距離與速度的關系”的教學中，教師可以構建一個情境問題，例如：如果一輛汽車在緊急制動的情況下，汽車的制動距離與速度之間的關系是怎樣的？教師可以引導學生自主探究建立物理模型的過程，并通過實驗驗證模型的有效性。在實驗中，教師可以準備一個平坦路面、一個汽車、一塊停車地面、測量距離的器具等實驗器材。教師可以讓學生自主設計實驗方案，并在不同的速度下測試汽車的制動距離，再在制動距離和速度之間建立數學模型。通過實驗和數學模型的建立，學生可以深入理解汽車制動距離與速度之間的關系，并能夠更加準確地預測汽車在不同速度下的制動距離。同時，學生還能夠掌握一定的實驗技能和數據處理能力，提高自己的物理實驗和數學建模能力。最后，教師可以引導學生將所學到的知識和技能應用到實際生活中，讓學生思考如何避免在汽車行駛過程中因緊急制動而導致車禍的發(fā)生。通過這樣的應用和思考，學生不僅可以將所學理論知識與實際情境相結合，更能夠增強安全意識和責任感。

總之，通過基于設置情境問題構建物理模型的訓練，可以幫助學生掌握物理理論、實驗技能和數學建模等多方面的能力，從而更好地應對實際問題，提高自己的物理學習水平和綜合素質。

結束語

培養(yǎng)高中學生物理建模思想與建模能力是長期過程，需要將之貫穿在高中物理教學的各個環(huán)節(jié)，要求高中物理教師堅持循序漸進的原則培養(yǎng)學生的建模思想與建模能力。為了能夠達到此效果，高中物理教師在應用建模教學方法的過程中，應注重引導學生在學習物理知識的過程中構建對應的物理模型，積極探索物理知識，并通過講解例題的方式充分利用物理模型。另外，高中物理教師還可在教學中設置不同的情境，并根據情境的不同設置問題，在解答問題時實施訓練，為學生提供更具多元性的模型構建機會，由此切實培養(yǎng)學生的建模思想與建模能力。

參考文獻

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