以“圆锥摆模型”教学为例ぬ柑嵘高中学生物理建模能力的策略お

徐志平

所谓“物理建模”，就是物理研究中将物理现象和过程的次要因素剔除掉，从而使得复杂的问题更加简洁化、形象化.物理建模不仅是一种重要的物理研究手段，也是高中生能力培养的一个重要方面.本文拟就高中物理教学中怎样进行建模教学进行了初步的探讨.

1 高中物理教学中模型构建的基本思路

立足于高中物理教学来看，物理模型的建立应该包含三个阶段：感知阶段，教师创设情境并提出问题，引起学生对物理模型的寻找；酝酿阶段，教师引导学生对有关情境进行进一步分析，剔除一些次要因素，开始对模型的进行提炼；修正阶段，教师引导学生着眼于更加纯粹的研究对象——物理模型，探讨其相关规律，教师提供一些问题，帮助学生对认识进行完善.

2 高中物理教学中模型构建的教学流程

怎样将建模的思想渗透进高中物理的教学中来呢？笔者结合相关理论和工作实践，认为可以按照以下五个环节（如图1）来进行模型构建的教学，其中前两个环节对应基本思路的前两个阶段，后续环节则对应第三阶段.

（1）模型引入：这一阶段，教师主要通过联系学生生活实际，采用实验操作、视频播放等手段，为学生创设原生态的物理认知情境.这一情境既要与探究对象的特征相匹配，也要适合高中生的认知特点，还要能在一定程度上激起学生的学习积极性.

（2）模型建立：这是建模过程的关键一步，教师在这一阶段的工作是引导学生积极思考、相互讨论.在学生全方位地观察研究对象并深层次地分析其实质之后，教师还要引导学生通过科学地抽象、归纳演绎和逻辑推理等手段，实现模型的建立.

（3）模型深化：这一阶段的任务是在分析论证的基础上提炼相关模型的物理规律，相关内容的完成需要教师引导学生运用分析、讨论、对比等科学探究的方法来实现.

（4）模型运用：这一步骤可认为是前一环节的推进，教师提供更为复杂的物理情境，设置一系列有梯度的问题，让学生反复练习，从而更为深刻地理解模型，并能对其进行灵活地运用.

（5）及时评价：该步骤与第四步有所交叉，在运用模型解决实际问题时，学生建模的思路是否正确，规律的运用是否合适，这些都需要教师及时地引导，让学生对自己的操作进行合理的评价和修正，从而进一步提高其建模能力.

3 以“圆锥摆模型”教学为例谈教学流程的具体操作

人教版必修2模块中有关圆周运动问题的处理，涉及到圆锥摆的认识，可结合建模思想进行教学.

3.1 教学设计基本设想

笔者以游乐场里的“旋转座椅”（如图2）来进行导入环节的情境创设，提出问题激起学生思考，引导学生明确研究什么问题：悬绳作用下人与座椅的运动；然后引导学生通过思考和讨论在身边怎样选择器材，模拟相似的运动，即用一根细线拴着小球，让该小球在水平面上做匀速圆周运动；进一步引导学生观察该运动特点，通过将绳子运动轨迹所围成的图形联想成一个圆锥，从而实现模型的命名：“圆锥摆模型”；随后，继续让学生通过受力分析等手段来判断该模型的向心力提供（如图3）；最后结合，相似问题情境的架设，提升学生运用该模型的迁移能力.

3.2 教学设计具体流程

按照建模思想的教学流程的五个步骤进行教学设计.

（1）模型引入：以游乐场中“旋转座椅”的视频导入相关情境，让学生畅谈对该设施的体验经历，适当地插入问题：人坐在座椅上，和座椅之间有无相对运动？人和座椅的运动轨迹有何特点？属于什么形式的运动？圆心在哪里？转速加快时，绳子的倾斜方向有何特点？一系列问题引导学生用物理的视角来观察这一生活中常见的游乐设施.

（2）模型建立：结合学生在第一环节中相关感知的回顾和交流，引导学生忽略该情境中诸如支架结构之类的次要因素，将学生的视线集中到人和座椅这一整体的运动特点上，突出水平面上的圆周运动这一特点.提出问题：你能在教室里，通过一些常见而又简单的器材来模拟“旋转座椅”的运动吗？学生经过思考和讨论后，很自然地提出可以用小球和细线来进行模拟.教师将器材提供给学生，让学生自己动手，进行模拟操作.操作的过程，引导学生进一步观察运动的特点，让学生描述小球的运动过程和细线的姿态特点，从而引出一个立体几何的概念“圆锥”，进而实现模型的命名——“圆锥摆模型”.

（3）模型深入：教师提出问题：什么力提供了圆锥摆模型圆周运动的向心力？让学生各自独立思考，画出受力图之后再结合彼此的讨论进行完善，继而得出结论：小球受两个力（重力和绳子的拉力），这两个力的合力沿水平方向指向圆心来提供向心力.

（4）模型运用：教师安排几道有关圆锥摆模型的习题，让学生通过练习实现对模型规律的熟练掌握.教师设计一些相似的情境，锻炼学生圆锥摆模型的知识迁移能力，例如：小球在漏斗侧壁进行水平面上匀速圆周运动以及高速公路上转弯处路面倾斜设计的原理.这些情境最后都可以归结为圆锥摆模型.

（5）及时评价：教师在学生处理相关问题时，巡视教室，及时发现学生的错误并引导学生进行自主评价，发现自己模型认知上的缺陷，并纠正相关错误.

3.3 本设计的感悟

本次建模教学的切入点以学生所熟悉的游乐设施来进行情境创设，根基于学生的切身体验，有效激起了学生的探究兴趣；引导学生自我选材来进行实验模拟，让学生对自己的开放性思维和创新能力进行了训练；在课堂上进行实际操作，通过“做中学”既提高学生的实验能力，又实现了物理知识的构建；由情境到模型，再由模型到拓展的教学流程引导着学生的思维由发散到集中（锻炼学生的构建模型的能力），再由集中到发散（训练学生思维的迁移能力）；师生之间、生生之间广泛的互动渗透进整个教学过程中的每一个细节，学生充分发挥了学习的主动性，实现了物理模型的自我构建和认知.

物理教学中，教师向学生传授的大多是经简化抽象的间接经验知识，教师都习惯于把知识组织得井井有条，对每个知识点都做出详尽的解释，学生易出错的知识点也都一一告诫，把教学内容可谓是“讲深讲透”了.这种让学生获得间接经验的过程其本质就是一个认知的内化建构过程.可见，在目前的物理教育中，教师花费大量经历培养学生的内化建构能力，而缺乏对学生认知外化建构的重视.外化建构就是学生运用所学知识解决物理问题的过程，学生平时解决物理习题的过程更多的不是认知的外化建构，而是认知的内化建构.原始物理问题把间接经验直接化，使学生能置身于真实的生活环境，并不能靠简单的知识提取解决问题，其解决过程是认知的外化建构过程.在物理教学中引入原始物理问题来加强学生认知外化建构的训练，是非常有意义的.高中物理的教学中，教师引导学生通过模型的构建来探究物理规律，能更为高效地实现学生知识的构建，同时还有助于学生创新意识的增强.当然，相关理论的完善还有待于你我在后续教学中进一步的实践和研究.