关于核心素养导向下的高中物理建模能力培养的思考

赖永强

摘   要：新课程标准明确提出培养学生的学科核心素养要求，将学生建模能力放在科学思维的首要位置。高中物理与社会的生产生活实践紧密相关，情景复杂，教师教学中引导学生建立物理模型，不仅有利于降低学生学习物理的难度，更有利于学生科学思维的培养。对高中阶段的物理模型分类、现阶段学生建模存在的主要问题进行了研究，并从三个方面浅析了教师如何在课堂教学中培养学生的建模能力。

关键词：核心素养;物理模型;物理教学

2017教育部在《普通高中物理课程标准》中提出学科核心素养后，国办发〔2019〕29号《国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》对课堂教学改革再次提出：促进学生系统掌握各学科基础知识、基本技能、基本方法，培养适应终身发展和社会发展需要的正确价值观念、必备品格和关键能力。积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式等课堂教学[1]，这就要求物理课堂不仅仅培养学生的“解题能力”，更应培养学生解决问题的能力，而物理学科核心素养中所要求的物理模型建构能力培养正是着眼于课堂，着眼于学生思维能力、关键能力的培养，在这过程中不仅解决学生眼前的“物理问题”，更培养学生分析问题、解决问题的能力。

1  物理模型的分类

从广义上讲，只要以实际的现实原型为依据抽象概括出来的物理概念都是物理模型，如电压、电流、质点、轻弹簧、时间、空间等。

从狭义上讲，物理模型特指经过思维加工抽象出来的，能够反映特定物理客体和物理问题的理想化实体、理想化过程和理想化状态，是一种逻辑思维产物。高中物理中研究的一般指狭义上的物理模型[ 2 ]，可以粗略分为：对象模型、过程模型、情景模型。

2  現阶段高中生建模存在的主要问题

2.1  教师层面

教师在课堂教学中不善于归纳、总结，不注重示范、引导学生建立经典物理模型，课堂中仅仅是机械的知识讲授，导致学生在学习过程中缺乏建模的意识和能力。

2.2  学生层面

（1）学生对高中经典物理模型掌握不全面，各类物理模型的适用条件、适用范围认识不清。

（2）学生“临模”能力差，知识迁移能力弱，不能恰当地把物理模型对应的物理规律移植到新的物理实际问题中。

（3）学生缺乏对物理对象、物理情景分析概括的能力，不能从中排除干扰信息、提取出有效的关键信息、抓住主要因素，从而构建出熟悉的物理模型。

（4）学生不善于借助各类图像建立物理模型。根据题意画出准确的示意图过程本身就是一个抽象变形象的思维过程，一个物理模型构建的思维过程。例如在解决运动学中的追及相遇问题、动力学中的滑块木板运动问题，借助于图像能够使物理模型清晰直观，起到事半功倍的效果;再如“测电源电动势及内阻”实验中，利用数学一次函数图像能够方便地处理数据。

3  培养学生建模能力的课堂教学策略

课堂是学生学习的主阵地，教师不仅要示范如何建立物理模型，也要创造机会让学生自己尝试建立物理模型，在建模过程中培养学生的分析问题、解决问题的科学思维能力。

3.1  教师在概念规律教学中示范“建模”过程

高中物理涉及许多抽象概念、规律，如质点、电场、自由落体、平抛运动、弹性碰撞等，教师在新课教学中应该给学生建立清晰的物理模型，弄清每个物理模型成立的条件、模型特点，让学生今后能从实际情景中建立相应的物理模型，以简化复杂的物理问题。

以质点概念教学为例，这是学生高中阶段接触的第一个理想模型。要让学生弄清几点：①为什么引入质点的概念？②什么样的研究对象可以视作质点？③现实中是否存在质点？研究对象往往是复杂的、与外界相联系的，但有时为了研究问题的需要，可以忽略一些次要因素，抓住问题的主要因素，把一个复杂的研究对象抽象为一个没有体积不占空间的却具有质量的点，即为质点。教学中教师可以列举实际的例子来帮助学生理解质点模型成立的条件，例如引导学生思考：①研究地球绕太阳公转规律时能否将其视为质点？研究地球自转规律时又能否将其视为质点？②研究平乒乓球运动轨迹时能否将其视为质点？研究乒乓球运动中的旋转情况时又能否将其视为质点？通过比较分析，学生比较容易理解质点模型成立的条件和质点模型的特点，防止学生有“小物体可视为质点，大物体不能视作质点”的错误认识。

再以平抛运动教学为例，平抛运动是典型的过程模型。教师可以采用探究式教学，让学生亲身体验平抛运动模型的建立过程，理解“平抛运动”模型的核心特点——水平方向匀速运动，竖直方向自由落体运动;学会处理“平抛运动”模型的核心方法——“化曲为直”，课堂中可以举一些实际情景的例子来帮助学生建立平抛模型。

例如，在一次射击比赛中，枪与靶子位于同一水平高度，在子弹正对靶子水平射出的同时，靶子自由下落，不考虑空气阻力，问子弹能否打中靶？在打靶射击实际情景中，学生该弄清几个问题： ①该过程的研究对象是什么？  ②运动过程中是否可以把子弹、靶子当作质点看待？③题目中有什么理想条件？这些条件对分析子弹及靶的运动有什么影响？④子弹、靶子做什么运动？⑤子弹的运动如何分解？⑥子弹两个分运动间有何联系？与靶子的运动又有何关系？学生只有经历了上面的思考才能构建出准确的物理模型，思考的过程就是建模的过程。学生只有理解了平抛运动模型的特点，才会从复杂生活情景中抽象出平抛运动模型，才会解决带电粒子在电场、磁场中运动的类平抛问题，才会进一步领会到“化曲为直”的思想来解决更复杂的曲线运动所带来的方便。

3.2  学生在例题习题教学中体验“临模”过程

建立物理模型是为了更好解决复杂物理问题，只有在解决具体物理问题的实践中，才能不断加深对物理模型的认识，提高建模能力[ 3 ]。在习题讲评中应该引导学生树立建模思想，掌握建模方法，模仿教师建模方式，鼓励学生“临模”来寻找解题的突破口。建模过程如图1所示。

解决实际生活情境的问题时，需通过阅读检索信息，把一个复杂的情境通过分析、判断、简化、抽象成一个熟悉的物理模型，即转化成一个非情境化的物理问题，再通过物理规律、借助数学工具解决问题。这类题突出对物理过程的分析，要求学生能够区分实际情境与理想模型间的区别，考查学生熟练利用物理规律解决实际问题的能力。下面通过一道例题来引导学生如何在情景化试题中建立正确的物理模型，解决实际情境问题。

例题：某游乐园入口旁有一喷泉，喷出的水柱将一质量为M的的卡通玩具稳定地悬停在空中。为计算方便起见，假设水柱从横截面积为S的喷口持续以速度vo竖直向上喷出;玩具底部为平板（面积略大于S）;水柱冲击到玩具底板后，在竖直方向水的速度变为零，在水平方向朝四周均匀散开。忽略空气阻力。已知水的密度为ρ，重力加速度大小为g。

求：（i）喷泉单位时间内喷出的水的质量;

（ii）玩具在空中悬停时，其底面相对于喷口的高度。

第一步：提取有效信息，经分析、抽象，构建物理模型：

本题以考生熟悉的游乐园喷泉为背景，考查学生对竖直上抛、动量定理及力的平衡等知识点的理解。本题的难点在于根据实际情景采用微元法建立“流体模型”，再利用“流体模型”的基本特点，结合相关物理规律进行求解。

第二步：选取研究对象，根据物理规律（动量定理、竖直上抛），借助数学工具，列出过程方程：

（i）在极短时间Δt内，喷出管口的水的体积为ΔV，质量为Δm，则

由①②式得，单位时间内从喷口喷出的水的质量为：

（ii）对于玩具，设水对它作用力大小为F，玩具悬停于空中，根据二力平衡有

对于Δt时间内喷出的水，根据动量定理有

由于Δm很小，Δt也很小，所以ΔmgΔt忽略不计，则⑤式写成：FΔt=Δmv                 ⑥

设玩具悬停时其底面相对于喷口的高度为h，水从喷口喷出后到达玩具底面时的速度大小为v，由匀变速运动规律可得：-2gh=v2-v02         ⑦

第三步：分析总结。本题背景材料熟悉，但考察形式新颖，要求考生具有较高的物理核心素养，涉及运动与相互作用观念、能量观念、科学思维，要求具有较强的抽象概括建模能力和分析推理能力，“流体模型”对于学生并不陌生，在电流的微观表达式、电磁流量计等公式的推导过程中都有所接触，学生在本题中通过“临模”建立起“流体模型”，寻找到解题的突破口。

3.3  学生在实验探究教学中经历“建模”过程

物理的许多定律、模型都是在实验中发现和建立起来的，而围绕实验目的，设计实验方案、分析实验数据其实本身就是个建模过程。例如，要研究单摆的周期，老师可以抛出这么个生活情境：小朋友在公园荡秋千时，秋千摆动一个来回与秋千绳长及摆幅之间存在怎样关系？学生经过自己的思维加工，忽略空气阻力，忽略绳子粗细，忽略绳长变化这些次要因素，将荡秋千活动抽象成一个单摆模型，通过研究摆长、摆幅对其周期的影响来判断秋千周期与哪些因素有关。

在实验教学中，教师引导学生根据解决实际问题的需要，建立合理的物理模型，将复杂问题简单化，不仅有利于实验目的的达成，提高实验的针对性和有效性，更有利于培养学生的科学思维，提升学生的思维能力，激发学生解决问题的动力。

4  结束语

法国方法论学者阿雷诺曾说： “科学的基本活动就是探索和制定模型”，邢红军教授也曾指出：“如果把物理教育科学方法分为三个层次的话，建模法则是三个层次中最高层次的科学方法。”由此可见物理模型在科学活动中所起的重要作用，在中学物理教学中所处的重要地位[ 4 ]。学生在尝试建模的过程，其实就是物理知识内化和迁移的过程，让学生掌握好建模方法，除了有利于学生加深对物理知识的理解外，还能培养学生良好的思维品质，培养学生创新能力，让他们在解决实际问题中学会“弃伪存真”“化繁为简”“化难为易”的思路和方法，也许，这才是物理课程最能够、最应该给学生留下的东西。

参考文献：

[1]国办发.〔2019〕29号.国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见 [EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2019-06/19/content_5401568.htm.

[2]贾光武.高中物理模型教学的研究与实践[D].兰州：西北師范大学，2006.

[3]石密富，粱凤丽.高中物理教学中模型的构建[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2005，8（3）：119-120.

[4]李化南，张健.物理模型在中学物理教学中的应用[J].菏泽学院学报，2013，35（5）：113-115.