模型构建在高中物理教学中的应用研究

夏雪芬

(江苏省仪征市仪征中学，江苏 仪征 211400)

0 引言

《普通高中物理课程标准》中提出，学生应具有“建构模型的意识和能力”。模型是对物理现象的模仿和抽象，融入了人们对事物本质规律的认识，展现了对各要素之间关系的理解。建模法是物理学习与研究的重要方法，集中体现了物理学科的精髓。在高中物理教学中应用模型构建，能够提升知识学习的效率，并让学生在过程和方法的维度得到提升，形成有效的学习策略。本文结合教育实践经验，探讨如何在高中物理教学中应用模型构建。

1 模型构建在高中物理教学中的应用研究

1.1 基于科学思维，明确模型构建过程

模型的构建中融入了科学思维，是个体有条理展开思考的结果。在以往的教学中，虽然学生跟随教师利用建模解决实际问题，但是学生对“建模”的方法并未形成自主意识。因此教师要运用“显性化”的方法，让学生认识模型构建中的思维步骤，形成清晰的思维路线。在构建模型时，首先要将物理现象简化并以可视的方式显示，使之以符号化的语言展现出来。如在将受力物体简化为一个质点，将地面简化为水平面，将原子跃迁的辐射光简化为箭头等等。这些符号化的表征语言要符合一般性的模型构建习惯，具有便于分析的特点；其次，运用理性思维分析模型，明确模型之中物体的状态，及其与环境的关系，了解系统中不同部分之间的联系；最后，在模型图中标记物理量，如受力的方向、光折射的角度等等，增添更为丰富的信息。教师要让学生熟悉模型是如何产生的，了解模型是描述物理现象的一种方式，明确模型建构的过程[1]。

1.2 巧用课内素材，培养学生建模意识

各种建构教学都是建立在已有模型基础上的，因此在物理建模教学中要注意充分利用教科书中的素材，让学生通过模型学习基本知识，进而了解模型是物理学科中不可或缺的要素。教材中显示的模型密切结合基本知识，具有易于理解的特征，因此是开展模型教学的适宜切入点。例如，在高一物理有关“合力”和“分力”概念的内容中，课本使用两个图展示概念。一幅图显示了向左右两个方向提水，和单独向上提水的情境；另一幅显示了用两根线在左右分别悬挂吊灯，和一根线单独向上悬挂吊灯的情境。教材通过这两个情境，直观地说明什么是合力和分力，并展示了两个概念之间的关系。这两幅图就是最基本的模型，它们用简洁的图画、符号表征概念，可以有效地促进理解。在教学中，可以先由教师描述一个情境模型，运用语言解说情境表示的意义，然后讲解概念。其次，引导学生参考教师的方法，描述另一个情境模型，通过语言表达提升思维品质。借助这种方式，可以让学生高效建构概念，同时了解模型的表征性意义，促进学生形成建模意识。

1.3 结合物理知识，应用模型解决问题

1.3.1 分析生活情境，构建抽象模型

高中物理教学中的问题来自生活，大多要求根据一定的已知条件推导未知的条件。建模是以模型解决问题的开端，有了模型之后，对问题本身的探究就转化为对抽象模型的探究，可以令解题思路更为明朗。个体可以从物理模型中提取各种事实和数据，再进行推理、运算，得出结论。教师可以与学生一起分析问题，结合所学物理知识探析其中各个变量之间的关系，再运用符号化的方法，将直观的生活情境转化为抽象情境。

在一段高速公路的转弯处，路面外高内低。路面与水平面间的夹角是θ，设转弯路段是半径为R 的圆弧，要使车速为v时车轮与路面之间的横向摩擦力等于零。夹角θ的正切值等于（）。

以上问题描述了车在公路上转弯的情境，该路段不是水平面，车作曲线运动。在教学本题时，可以同学生一起分析本题，先确定一个角度为θ的路面结构，然后将汽车抽象为并列的两个符号，并以中部为受力点，再分析汽车的受力情况，构建起如下的情境模型。

如图1 所示，汽车受到一个与水平面垂直的支持力和一个重力，两个力形成的合力为汽车提供向心力。结合有关三角函数和向心力计算方法的知识，可知,，两式相比可得.这个问题起初并未提供模型图，要求学生根据知识构建模型。使用的模型是根据文字描述抽象而来，是对生活情境的符号化表达。经过建模以后，令问题的层次变得更为清晰。[2]在高中物理教学中多开展这类建模训练，可以培养学生的理性思维和理解能力。

图1 汽车受力图

1.3.2 运用基本原理，深度分析模型

在一些问题中已经给出了图片模型，在这种情况下，教师可以引导学生运用物理学科中的基本原理，深度分析模型，解析模型中的意义，以如下习题为例。

如图所示，物体A、B 的质量分别为m、2m，物体B 置于水平面上，B 物体上部半圆形槽的半径为R，将物体A(可视为质点)从圆槽右侧顶端由静止释放，一切摩擦均不计，则()

图2 图例

本题中给出的模型是静止的，在分析情境时要从静态图片中看出动态的过程。教师要引导学生分析情境，让学生通过情境还原小球在圆槽内滚动的状态。通过分析，可以发现运动过程不计一切摩擦，故由能量守恒可得：系统机械能守恒，且A、B 整体在水平方向上合外力为零，故在水平方向上动量守恒，所以mvA－2mvB＝0，即vA＝2vB，则A 在B 圆槽的左侧运动到最高点时，A、B 的速度都为零，所以A 可以到达B 圆槽的左侧最高点，故A 错误；由上述得vA＝2vB，A 的水平速度向左，B 的水平速度向右；又有A 在水平方向的最大位移和B 在水平方向上的最大位移之和为2R，故B 向右运动的最大位移大小为，故D 正确；对A运动到圆槽的最低点的运动过程中，对A、B 整体应用机械能守恒可得：mgR＝；所以A 运动到圆槽的最低点时B 的速率为：vB＝A的速率为：vA＝2vB＝故B、C 错误.以上信息均来自模型，是运用物理知识对模型做细致解读的结果。多引导学生用这种方式分析模型，可以提升学生的建模能力，同时可反过来强化学生的基础知识。

1.4 注重总结归纳，提炼模型共有特征

高中物理课程中的模型数量很多，但大多基于一些常见的物理模型产生，是常见模型的变式。[3]从共有的规律出发，会基于不同的物理现象产生多种多样的模型。随着知识的分解演化以及情境的转变，衍生出大量的情境。因此，教师在教学中要注重总结归纳，从中提炼出几个基本类型，并结合物理知识对其共有特征进行分析，同时可以将模型进一步按条件细分，让学生形成系统化的知识，熟悉模型的不同变式。

2 高中物理教学中应用模型构建的注意事项

2.1 以基础知识为教学依据

在讲解分析模型时，要以高中物理的基础知识为依据，而非仅仅解析模型。高中物理知识具有很强的逻辑性，通过几个基本的定律可以推导出大量的结论，产生丰富的知识体系。各类模型是由物理知识与生活、抽象语言结合得来，同样是物理基本定律的产物。模型是根据物理知识解析情境的结果，只有牢固掌握知识才能保障模型的正确性。如以上的两个模型中运用了牛顿第三运动定律、能量守恒定律，只有掌握这两个物理定律才能正确地构建模型。教师要紧扣知识、回归课本教学，让学生理解模型的意义。对模型的分析，也能够反过来强化学生的基础知识，让学生通过符号化的语言进一步加深对物理定律的理解。

2.2 通过交流讨论促进理解

交流讨论可以促进学生思维的碰撞，通过同伴互动促进学生更好地理解情境，加深对情境的认识。对于模型的思考、分析和建构，许多物理基础知识不扎实的学生，面对模型时经常一头雾水。如果参与交流讨论，可以激活学生思维的活力，让学生掌握分析模型的正确方法。教师在开展教学时可以多使用提问法，让学生根据问题说一说物体的受力状态，引导学生分析情境中各个变量、各个符号之间的关联，以情境分析起到思维训练的作用。在教学中要注重创设宽松的氛围，引导尽可能多的学生参与互动，从中获得提升。如果发现学生存在思维误区，可以有效利用错误资源，引导学生通过自我陈述、自我发现找出思维误区，进而形成“元认知”能力，提高学生分析物理情境的能力。

2.3 引导学生认识建模方法

笛卡尔说过：“最有价值的知识是关于方法的知识。”构建模型是高中物理学习与研究的一项基本方法，体现了物理学科的精髓，教师要引导学生从“方法”的维度认知模型。在开展建模教学时，除了让学生了解具体情境表达的物理意义之外，更要让学生在普遍的层次上领悟建模方法，感知建模对于分析问题、解决问题的重要价值。在分析情境之后，教师可以引导学生对整个思路进行回溯和提炼，让学生自行总结出一种分析情境的思维方法。

3 结语

模型构建与高中物理教学是不可分离的，体现了物理学科的本质规律，运用于教学中具有旺盛的生命力。在开展教学时，要注重让学生理解模型背后的思维模式，并将其与解决实际问题结合起来，同时应注重对模型类型的总结，以提升学生的建模意识和能力。