高中物理模型化審題的實(shí)踐研究

摘 要：審題是解決物理問(wèn)題的關(guān)鍵一步.正確、高效的審題能夠幫助學(xué)生快速準(zhǔn)確地把握題目的核心要求，從而有效地解決問(wèn)題.文章旨在探討高中物理模型化審題的實(shí)踐研究，反思審題過(guò)程存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的審題模型.通過(guò)研究物理學(xué)科問(wèn)題解決的具體案例，詳細(xì)闡釋了如何應(yīng)用模型化進(jìn)行審題，以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決真實(shí)、復(fù)雜問(wèn)題的能力，進(jìn)而提升學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)

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關(guān)鍵詞：高中物理；模型化；審題研究

中圖分類號(hào)：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號(hào)：1008-0333（2024）31-0121-03

收稿日期：2024-08-05

作者簡(jiǎn)介：肖寅杰（1986.2—），男，江蘇省常熟人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度一般課題“從情境到模型——高中物理模型化審題的實(shí)踐研究”（課題立項(xiàng)號(hào)：C-c/2021/02/211）.

在新高考內(nèi)容改革的背景下，教育的核心已逐漸從傳統(tǒng)的知識(shí)灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)學(xué)生價(jià)值觀念、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力與必備知識(shí)的全面培養(yǎng).這一轉(zhuǎn)變的目的在于引導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐從單一、模型化的習(xí)題訓(xùn)練走向解決真實(shí)、復(fù)雜情境中的問(wèn)題，即從“解題”向“解決問(wèn)題”的深度轉(zhuǎn)變.近年來(lái)，物理試題多以新穎的、具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題情境出現(xiàn)，需要學(xué)生從眾多復(fù)雜零碎的信息中提取出關(guān)鍵信息^[1].構(gòu)建有效的審題模型來(lái)快速、準(zhǔn)確地理解題目、整合信息，是解題的重中之重.

1 審題過(guò)程中存在的問(wèn)題

審題是解決問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)，只有正確審題，才能確保我們對(duì)問(wèn)題的理解準(zhǔn)確無(wú)誤，從而制定出有效的解決方案.學(xué)生在解決高中物理問(wèn)題時(shí)，審題環(huán)節(jié)通常會(huì)出現(xiàn)以下錯(cuò)誤.

1.1 未充分挖掘題目中的隱藏信息

高中物理試題中給出的條件，很多是間接或隱含的，需要通過(guò)分析才能挖掘出來(lái)，如“光滑平面”就表示摩擦可忽略不計(jì)；“恰好不滑出木板”就表示小物體恰好滑到木板邊緣處且具有了與木板相同的速度；電流表在已知內(nèi)阻的情況下可當(dāng)電壓表使用，電壓表在已知內(nèi)阻的情況下可當(dāng)電流表使用等.未充分挖掘題目中的隱藏信息，歸因于學(xué)生的理解和判斷能力不夠充分.

1.2 不能正確辨別并選擇信息

高中物理試題為了考查學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，試題中往往包含了豐富的信息.這些信息可以分為兩類：關(guān)鍵信息和非關(guān)鍵（或無(wú)用）信息.關(guān)鍵信息是解決問(wèn)題所必需的信息，包括但不限于物理量的數(shù)值、物體的狀態(tài)、物理規(guī)律的適用條件等；非關(guān)鍵（或無(wú)用）信息是為了增加問(wèn)題的真實(shí)性、復(fù)雜性，用來(lái)考查學(xué)生篩選信息的能力而設(shè)置的，它們對(duì)于解答當(dāng)前問(wèn)題并不是必需的.這類信息可能包括一些多余的數(shù)值、無(wú)關(guān)的物理現(xiàn)象描述或者干擾項(xiàng).因?yàn)檫壿嬎季S能力和物理知識(shí)的欠缺，在閱讀題目時(shí)，學(xué)生不能及時(shí)準(zhǔn)確地從眾多信息中有效識(shí)別和提取對(duì)解題起重要作用的關(guān)鍵信息.

1.3 無(wú)法找到問(wèn)題和條件之間的關(guān)聯(lián)性

高中物理試題中，很多問(wèn)題都涉及較為復(fù)雜的場(chǎng)景，蘊(yùn)含著多個(gè)物理原理和概念的綜合應(yīng)用.這些問(wèn)題往往不只依賴單一的物理定律或公式，而是需要學(xué)生綜合運(yùn)用多個(gè)條件和概念來(lái)解決.例如，一道題目可能會(huì)同時(shí)涉及力學(xué)、電磁學(xué)和熱學(xué)等不同的物理分支，包括了多個(gè)力的作用、電路的分析，以及熱量的傳遞等.學(xué)生不僅要分析每一個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象，還要理解它們之間的相互作用和影響.而且，有些試題中不只涉及單個(gè)研究對(duì)象，多個(gè)研究對(duì)象的出現(xiàn)，使得學(xué)生對(duì)題目的理解更為困難.此時(shí)，條件之間的相互作用和影響，以及它們?nèi)绾喂餐瑳Q定著最終的物理現(xiàn)象或結(jié)果，構(gòu)成了審題時(shí)的主要難點(diǎn).學(xué)生在閱讀題目時(shí)，無(wú)法從眾多的條件中，剖析出對(duì)解題“有效”的條件，解題過(guò)程變得混亂無(wú)序.

2 物理審題模型構(gòu)建

高中物理問(wèn)題中的審題錯(cuò)誤常常導(dǎo)致解題思路混亂，使學(xué)生的求解過(guò)程浪費(fèi)時(shí)間，還可能影響其學(xué)習(xí)的信心.為了避免這些問(wèn)題，建立一個(gè)系統(tǒng)的物理審題模型顯得尤為重要.審題模型化指的是將審題過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化或形成一套固定的步驟，學(xué)生在面對(duì)不同的題目時(shí)，可以遵循同一套邏輯和方法來(lái)分析理解題目，最大程度地減少審題中出現(xiàn)的錯(cuò)誤.

一道物理試題中，通常包含有4個(gè)主要信息：①背景的描述，包含兩方面內(nèi)容，一是承載物理知識(shí)的大背景，如“航空航天”“傳統(tǒng)文化”“科學(xué)實(shí)驗(yàn)”等；二是具體的物理狀態(tài).前者通常會(huì)增加文字信息處理的復(fù)雜程度和難度，后者是解題的關(guān)鍵因素，可以由此確定所涉及的條件限制.②物體自身的特點(diǎn).這個(gè)信息點(diǎn)涉及題目中提到的物質(zhì)的特性，例如質(zhì)量、體積、密度、長(zhǎng)度等.這些情境特點(diǎn)對(duì)于分析問(wèn)題和應(yīng)用物理定律是非常重要的.③物體的運(yùn)動(dòng)情況、功能關(guān)系等.這一部分描述了物體的動(dòng)態(tài)信息，如速度、加速度、力的作用、能量轉(zhuǎn)換等，以及物體之間的相互作用和聯(lián)系.該部分信息是解題的關(guān)鍵，直接涉及物理定律和原理的應(yīng)用.④設(shè)問(wèn)，即需要解決的問(wèn)題.這一部分是審題的重點(diǎn)，指明了審題需要達(dá)成的目標(biāo).根據(jù)題目中的4個(gè)信息，可以設(shè)置如下模型化審題流程^[2].

（1）提煉物理情境：提煉題目中與物理狀態(tài)相關(guān)的內(nèi)容，如“不計(jì)摩擦力”“光滑”“關(guān)閉開關(guān)前”“斜面”等，以明確限制條件.

（2）明確研究對(duì)象：題目中的研究對(duì)象，有時(shí)是單個(gè)物體，有時(shí)則涉及到多個(gè)物體，這是解題的基礎(chǔ).

（3）分析物理情節(jié)：分析與研究對(duì)象相關(guān)的功能轉(zhuǎn)化、受力情況、運(yùn)動(dòng)情況、電路結(jié)構(gòu)等情節(jié)，以明確各研究對(duì)象所經(jīng)歷的變化過(guò)程.

（4）明確需解決的問(wèn)題：該步驟最為簡(jiǎn)單，找到文字所描述的問(wèn)題即可.

（5）根據(jù)設(shè)問(wèn)，逆向推理，從上述層次中提取所需信息：即根據(jù)所需要解決的問(wèn)題，逆向從物理情境、研究對(duì)象和物理過(guò)程尋找到相互關(guān)聯(lián)的信息，運(yùn)用物理知識(shí)進(jìn)行求解.

3 實(shí)踐應(yīng)用

下面我們結(jié)合物理問(wèn)題，介紹模型化在解題中的具體應(yīng)用方法.

例題 由中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院兩院院士評(píng)出的2012年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞，于2013年1月19日揭曉，“神九”載人飛船與“天宮一號(hào)”成功對(duì)接和“蛟龍”號(hào)下潛突破7 000米分別排在第一、第二.若地球半徑為R，把地球看作質(zhì)量分布均勻的球體，地球表面的重力加速度大小為g，引力常量為G.“蛟龍”下潛深度為d，天宮一號(hào)軌道距離地面高度為h.已知質(zhì)量分布均勻的球殼對(duì)殼內(nèi)物體的引力為零.求：

（1）“天宮一號(hào)”繞地心轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是多少？

（2）“蛟龍”號(hào)所在處與“天宮一號(hào)”所在處的重力加速度之比為多少？

模型化審題 題干共4句話，第1句話交代了背景知識(shí)，為干擾信息；第2句話介紹了地球的特征；第3句話介紹了“蛟龍”的下潛深度和“天宮一號(hào)軌道”距離地面的高度；第4句話交代了補(bǔ)充信息，是對(duì)第2句話的補(bǔ)充.題干下設(shè)（1）（2）兩個(gè)需要解決的問(wèn)題.對(duì)題干進(jìn)行快速瀏覽后，按照要素對(duì)信息進(jìn)行提取歸類，并將所提取的信息歸至相關(guān)層級(jí)中.

（1）研究對(duì)象：“天宮一號(hào)”（距離地面高度為h）和“蛟龍”號(hào)（下潛深度為d）.

（2）物理情境：涉及的物理狀態(tài)為中心天體的相關(guān)信息，即地球半徑為R，質(zhì)量分布均勻，表面的重力加速度大小為g，引力常量為G，對(duì)殼內(nèi)物體的引力為零.

（3）物理情節(jié)：題干交代了受力情節(jié)，兩物體均受到地球所施加的萬(wàn)有引力.

（4）需解決問(wèn)題：（1）（2）兩個(gè)問(wèn)題

（5）根據(jù)設(shè)問(wèn)，逆向推理所需信息，從上述層級(jí)中提取相關(guān)的物理信息.（1）問(wèn)中，提煉的研究對(duì)象為“天宮一號(hào)”（距離地面高度為h），需解決問(wèn)題為其繞地心轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，需要明確其受力狀態(tài)，才能進(jìn)行分析.從物理情節(jié)中可以提煉出其受到萬(wàn)有引力，結(jié)合物理情境，可由GMm（R＋h）2＝m

4π2T2（R＋h），mg＝GMmR2進(jìn)行求解.（2）問(wèn)中，提煉的研究對(duì)象為“天宮一號(hào)”（距離地面高度為h））和“蛟龍”號(hào)（下潛深度為d），需解決問(wèn)題為求解重力加速度之比，結(jié)合物理情境和情節(jié)，從兩個(gè)物體受到的萬(wàn)有引力角度進(jìn)行分析即可.

解析 （1）“天宮一號(hào)”做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力得

GMm（R＋h）2＝m4π2T2（R＋h）

地球表面的物體受到的萬(wàn)有引力等于重力，即

mg＝GMmR2

聯(lián)立解得T＝2π（R＋h）3gR2.

（2）令地球的密度為ρ，地球表面重力加速度g＝

GMR2

由于地球的質(zhì)量為M＝ρ·43πR3

所以地球表面的重力加速度的表達(dá)式可寫成

g＝GMR2＝Gρ·（4/3）πR3R2＝43πGρR

根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力

GMm（R＋h）2＝mg1

“天宮一號(hào)”所在處的加速度為

g1＝GM（R＋h）2

g1g＝R2（R＋h）2

根據(jù)題意有，質(zhì)量分布均勻的球殼對(duì)殼內(nèi)物體的引力為零，故在深度為d的地球內(nèi)部，“蛟龍”號(hào)受到地球的萬(wàn)有引力即為半徑等于（R-d）的球體在其表面產(chǎn)生的萬(wàn)有引力，故“蛟龍”號(hào)所在處的重力加速度為

g2＝43πGρ（R-d）

所以有g(shù)2g＝R-dR

所以g2g1＝

（R-d）（R＋h）2R3.

4 結(jié)束語(yǔ)

將審題過(guò)程模型化，目的是幫助學(xué)生提煉整合有關(guān)信息，讓學(xué)生以一種有序化的思維，從陌生的試題情境中最大程度獲取解題信息，建立起問(wèn)題和條件之間的相關(guān)性.在教學(xué)過(guò)程中，教師要有意引導(dǎo)，確保學(xué)生能夠充分理解和掌握標(biāo)準(zhǔn)化審題流程的重要性和實(shí)用性.但要注意的是，審題模型化，最終是為了正確解題，其只是一個(gè)解題的工具，不可機(jī)械性地過(guò)度應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)：［1］劉娜，張玉峰.淺議高中物理審題教學(xué)流程[J].物理教師，2020，41（7）：83-86.

[2] 鹿傳旺，劉漢平，秦梟.“小說(shuō)式”物理審題模型構(gòu)建與應(yīng)用[J].物理教學(xué)，2023，45（02）：53-57.

［責(zé)任編輯：李 璟］