浅析初中物理建模思想培养的着力点

关键词：初中物理;建模思想;着力点

作者简介：刘满云（1970.5—），女，湖南省长沙市岳麓区湘仪学校，高级教师，校长，长沙市物理学会副理事长。

《义务教育物理课程标准（2011年版）》的提出，旨在提高学生的科学素养，即通过初中物理教学，学生学习适应终身发展的物理知识，培养良好的思维习惯，能够在分析问题和解决问题时尝试运用这些知识和思维方法。物理教学往往对物理概念和规律采用建模的方式进行构建和探究，要求学生冲破现实与经验的局限，学会抓住事物的主要因素与本质特征，忽略事物的次要因素，从而科学地解决问题。从某种意义上说，物理学的发展过程是一个不断建立模型、运用模型和修正模型的过程，所以物理教学本身就是对物理模型的教学，它对学生的思维培养有着得天独厚的学科优势。

由于高中教材中有大量需要建模才能深入理解的教学内容，概念模型方面如质点、弹簧振子、单摆、点电荷等;条件模型方面如力学中的光滑面，电磁学中的匀强电场、匀强磁场，研究带电粒子在电场中运动时对重力作用的忽略，热学中的绝热容器;状态和过程模型方面如力学中的匀速直线运动、自由落体运动、简谐振动、弹性碰撞等;其他模型还有电学中的稳恒电流、热学中的等温变化，等等。对这些内容的学习和研究，如果没有建模的意识和方法简直寸步难行。因此对于高中物理教学，大家都认为培养学生的建模思想是必然选择。但对于初中物理，大多数教师认为没有必要强调建模，一是因为初中教材中没有需要专门对学生进行建模思维训练的大量教学内容和素材;二是教师认为初中学生的认知发展水平更多地具有“具象”的特点，不适合进行建模思想的培养和训练。

任何能力的形成都是循序渐进而非一蹴而就的。教师在初中物理教学实践中对建模思想的培养和训练的忽视，造成很多学生到了高中根本不适应建模思维的要求。因此，在初中物理教学中，重视建模思想的培养有着十分重要的意义。教师应具备建模思维培养的意识，善于挖掘、积累和利用素材，为学生的后续学习打下良好基础。

心理学的研究和实践表明，十四五岁的学生处于以具象思维为主要形式，并逐渐向抽象逻辑思维为主要形式过渡的阶段。这个阶段的学生很大程度上仍然是将直接经验与感性经验相联系，思维仍然具有具体形象性，直到进入初三，才开始逐渐步入抽象逻辑思维占主导地位的阶段。在青年初期，学生开始试图对经验材料进行理论概括，此时正是学生由初三向高中过渡的阶段。因此，结合学生认知发展水平对其进行建模思想的教育，是初中物理教师对学生实施建模思想培养的前提，它提醒教师不能任意“拔高、超前、加难”。

一、初中物理学习内容的模型建构

初中物理的学习内容看似纷繁复杂，实则具有很强的系统性特征，只要掌握了各个知识点之间的内在关联，就能找到其中的规律。在物理学习中，学生需要着重掌握和理解各个重要的物理概念，掌握基础的物理规律，完成实验任务，教师以此三者为核心进行模型建构，能促进学生对初中物理学习内容的整体把握。

（一）概念教学中的建模

在进行概念教学时，物理概念的建构过程就是物理模型的建构过程。梳理人教版八年级上、下册和九年级全一册这三本教材后，笔者发现，属于理想模型概念的有光线、磁感线、力的示意图、原子核式结构模型等;属于借助数学工具构建出来的概念有速度、密度、比热容、压强、功率、电功率、机械效率等;属于借助图像加深理解的概念有路程与时间的关系图线、重力与质量的关系图线、晶体熔化图线、伏安特性曲线等。每一类概念都对应着不同的建模思想和方法。以理想模型为例，由于物理现象或过程非常抽象，为使其变得直观形象，需运用理想模型加以呈现。如在研究光现象时，引入光线概念，即用带箭头的直线代表光的传播特点与传播方向。实际上光源所发出的光，并非带箭头的直线，而引入“光线”这一模型，能够直观形象地描述光传播的特点，有助于光现象的研究。又如，物体间力的作用看不见、摸不着，用一根帶箭头的线段来表示力，这也是一种模型;轻质杠杆，忽略杠杆本身的重力也是一种模型;研究肉眼观察不到的原子结构时，建立原子核式结构模型;在研究磁场时用磁感线描述磁场，等等。这些模型的建立，使很多物理现象变得更直观，更易于学生理解和接受。

（二）规律教学中的建模

运用合适的物理模型将复杂的问题转化为纯物理问题，这就是物理规律的建模。初中物理规律教学的建模素材很多，理想实验模型以著名的牛顿第一定律为代表，这是建模教学必不可少的内容，不必赘述。很多人认为其他规律教学谈不上建模思想，其实，仔细分析后会发现，其中大有宝藏可供挖掘。例如，杠杆平衡条件在生活中的应用是初中物理建模思想的又一重要内容，它最能体现建模思想中的“物理抽象”思维，即突出主要的、本质的特征，忽略次要的、非本质的因素。在利用杠杆平衡条件解决实际问题时，第一步就是要将实际问题中的杠杆模型建立起来，要找到问题情境中的杠杆所在;第二步要找出杠杆的“五要素”，这样才有可能解决后面的问题。

【例1】（2011年长沙市中考物理题）在长沙市地铁二号线建设工地上，有一塔吊正在准备起吊一个底面积为0.8 ㎡、质量为2400 kg的圆柱形重物;如图所示，A为塔吊的配重，OB为塔吊的起重臂，C为能在起重臂上移动的载重小车，载重小车下挂有滑轮组，OB=25 m。当载重小车在B点时，能安全起吊重物的最大质量是1200 kg。现在载重小车从距离O点10 m的载重臂上，准备起吊该圆柱形重物（不计挂钩、滑轮组和钢丝绳重及摩擦。g取10 N/kg）问：

（1）起吊前，该重物对地面的压强为多大？

（2）起吊后，当重物匀速上升时，载重小车下每段钢丝绳的拉力为多大？

（3）如果将重物匀速提升20 m，则拉力做功多少？

（4）塔吊将重物从起吊点提升20 m后，载重小车最多能向B点方向再平移多少米，才能保证安全工作？

这是一道中考题，当年很多考生能意识到要通过建立杠杆模型来解决问题，但在进行杠杆模型构建时，不能很好地分析三条钢绳的拉力对杠杆平衡所起的作用，认为已知条件中缺少三条钢绳的拉力大小及力臂大小，根本无从下笔。有的考生即使写出了答案，也是碰运气，根本不明白三条钢绳的拉力对杠杆的平衡作用是无关因素、次要因素，可以忽略不计，还是对杠杆的转动效果可以互相抵消。

再如下面的例2：

【例2】俯卧撑是一项常见的健身项目。如图是小明同学做俯卧撑时的示意图，他的身体可视为杠杆，A点为重心，重力为500 N。若重力的力臂L1=2.1 cm，地面对手支持力的力臂L2=3.0 cm，求地面对双手支持力的大小。

很多同学在解答该问题时，都能顺利找到该杠杆模型的支点在脚尖部位。笔者在教学过程中为了训练学生的建模能力，通常会将题目进行现场改编。当学生顺利得出地面对手的支持力后，笔者将条件改变，要求学生求出地面对脚尖的支持力。那些只会依葫芦画瓢、缺乏逻辑思维的学生一下子傻眼了，不知从何下手;而那些已经熟悉针对实际问题建立杠杆模型并形成解决问题的基本思路和方法的学生，则顺利找到了新的支点。

运用杠杆模型解决生活中的实际问题的例子比比皆是。初中物理规律教学中还有回声测距的匀速直线运动模型构建、等效电路图的模型构建、利用受力分析的方法建立平衡方程解决力学问题等，都需要教师在教学过程中不断强化模型构建思想，让学生形成“分析生活情境、物理事实、物理问题—建立物理模型—运用物理模型、结合数学工具—解决物理问题”的思维方法和解决策略。

（三）实验教学中的建模

中学物理探究类、测量类实验居多，在实验过程中需要学生提出问题、做出假设、设计实验、进行数据分析与处理等，这些环节都属于典型的建立模型过程。这个过程需要教师提出有价值的问题，尽量降低无关因素的干扰，设计科学的实验步骤和方法以及用数学工具处理实验数据。

在实际教学中，实验的意义和价值没有发挥出来，因为对于很多学生而言，他们对这些实验根本不感兴趣，看热闹的现象是比较普遍的。

所以，能否提出有价值的问题是决定该实验是“真实验”还是“假实验”，探究是“真探究”还是“假探究”的关键。比如在“探究平面镜成像规律”的实验中，笔者曾经设计过一个导入问题：

【例3】在深为10 m的湖面上方，有一只小鸟在空中飞翔，小鸟离湖面20 m，请问：小鸟在湖中的像位于（    ）

A.湖面上        B.距湖底10 m处

C.湖中任意处    D.湖面下20 m处

这个问题一提出来，效果非常好，学生讨论得很热烈，甚至分为几派争论。此时，笔者说：“欲知详情，请同学们进行实验探究。”那些平时对实验不感兴趣的学生也跃跃欲试。

通过实验数据寻找规律、构建新的物理概念的典型是“比热容”的实验。实验先通过数据分析比较沙子和水的吸热能力，再建构一个全新的概念“比热容”，是利用比值这一数学工具建立新概念的“物理—数学—物理”建模过程。

二、初中物理学习方法的模型建构

“授人以鱼，不如授人以渔”，教学的要义在于教给学生学习知识的方法。科学的学习方法是学生学好一门课程的核心要素，是学生最本质、最关键的学习内容。初中物理教学，要从学习方法层面来构建模型，让学生掌握自主学习知识的方法。

（一）利用类比的思想学习物理知识

利用乘积或比值的方法构建物理概念，是物理学家们常用的方法，也是对数学工具的应用，更是建模思想的体现。教师在进行相关内容的教学时，可以利用类比的思想。如對于速度、密度、压强、比热容用比值定义的物理量，教师可以让学生探究它们的共性与区别;还可以做声波与水波的类比、电压与水压的类比、光的反射与声波的反射类比、乒乓球的反弹现象类比等。

（二）对研究方法的归类

初中生刚开始学习的物理现象是声现象，紧接着是光现象，再到物态变化的热现象。在这个过程中，教师应该引导学生的具象思维向抽象思维过渡，能主动将所学知识进行逻辑思维加工，梳理出知识脉络及研究方法。例如，学生可以对照声现象的研究步骤（声音的产生—声音的特点—声音的应用）来研究光现象（光的产生—光的传播特点—光的应用）。学生在教师的引导下进行对比，逐渐将这样的研究步骤内化于心，从而潜移默化地形成一种学习能力和方法。

（三）对习题教学的建模

习题建模与新知识学习过程中的建模不同，它需要教师从一类题目中提取共同点编制成一道基本的题目，让学生在这种基本题目的训练中获得对这一类题目的共同理解;它需要教师对初中物理中的传统题型和热门题型进行分析与整合，提取其中的共同点，然后在解决问题的过程中，帮助学生形成基本的思路，从而在学生的思维中形成一套基本的模型。它最终的目的是让学生在新的题目情境中找到已经建立的模型，然后进行拓展延伸，从而实现新问题的解决。这对初三学生的迎考复习具有重要的意义，值得初中物理教师钻研，以造福学生，提高学生的应试能力。

总之，由于客观事物具有多样性和复杂性，在研究过程中教师用正确的物理模型简化研究条件，描述抽象的物理问题，形成同类物理问题的解决方法，既是常用的科学研究手段，也有助于学生认识和掌握物理的本质。物理模型在中学物理教学中具有不可替代的作用和重要的价值，物理建模教育是一种长期的教育，研究初中物理建模思想的培养大有可为。

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