基于素养导向下培养建模能力的策略研究——以“一轮复习中人船模型”为例

王 腾

(福建省厦门市海沧中学 361028)

1 问题背景

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》指出，物理学科的核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任.其中“科学思维”是从物理学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程.可见，模型建构是科学思维的核心要素，建模能力是科学思维的重要能力指标.《中国高考评价体系》指出在素质教育下高考考查内容为“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”.其中学科素养要求学生能合理运用科学的思维方法，有效整合学科相关知识，运用学科相关能力，高质量地认识问题、分析问题、解决问题.经过素质教育的培养，思维认知能力强的学生应当能够通过敏锐的洞察能力，发现复杂、新颖情境中的关键事实特征，能够将所学的知识迁移到新情境，解决新问题.学生的学习不是主要记忆大量的事实，而是要通过主动活动去把握知识的本质.知识的本质需要通过典型的变式来把握，从变式中把握本质及物理模型.同样，一旦把握了知识的本质便能够辨别所有的变式，举一反三、闻一知十，这就是应用建模能力的过程.

2 一轮复习对物理建模能力的要求

物理模型是指将实际问题通过分析与抽象，突出其重要的因素，忽略次要的因素，实现对物理对象或物理过程简化，以便于问题处理.物理建模是指在实际的物理情境中，构建相应的物理模型，并应用模型进行分析，最后解决问题的过程.物理建模能力是指在进行物理建模活动的过程中，学生所体现出来的综合能力.

《课程标准》中将物理建模能力的水平划分为五个层次,见表1.

表1

物理建模的本质是将物理知识高度概括，抓住物理问题的主干，建立清晰解决问题的思路.在教学过程中，引导学生从真实情景——建立模型——解决问题——模型变换的建模过程中，通过灵活的运用物理模型分析，提高学生思维的灵活性和创造性，建立正确解决问题的思路.学生尝试建模的过程，其实就是物理知识内化和迁移的过程，有利于学生加深对物理知识的理解，培养学生良好的思维品质和创新能力.

高三物理一轮复习的主要目的是：全面梳理知识点，巩固基础，查缺补漏，重视从不同的角度理解知识，拓展情境灵活应用.因此，就物理建模而言，学生的水平应达到水平3：能在熟悉的问题情境中，根据需要选用恰当的模型解决简单的物理问题.

3 案例分析

在一轮复习中，教师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，鼓励学生通过临摹来寻找解题的突破口.从一道题出发，引导学生通过：文字信息→物理情境→物理模型→数学方程，最终解决问题.审题就是知识的一种转化过程.通过审题将题目中的数、形、语分别转化为物理量、物理图形、物理对象，通过已知条件对过程进行简化，根据物理模型所遵循的物理规律解决问题.教师在讲解的过程中不能只满足于“解题”，还要有意识地带领学生从复杂的情境中找到相应的物理模型，展示其中的具体过程，提高学生从实际问题中抽象出物理模型的能力.通过“人船模型”为例，改变一些条件，进行变式训练，可以培养学生的知识迁移能力.也可以找一些情境不同但是所用模型相同的题目让学生训练，培养学生在不同情境下找到共性，从而建立物理模型，用相同的方法解决问题，提升学生的建模意识建模能力.

“人船模型”的核心知识包括：动量守恒定律、反冲、运动分析.

总结人船模型基本特点，如图1：

图1

变式如图2所示,在一只大气球下方的长绳上,有一个质量为m1=50kg的人(可以把人看做质点).气球和长绳的总质量为m2=20kg,长绳的下端刚好和水平面接触.当静止时人离地面的高度为h=5m.如果这个人开始沿绳向下滑,当他滑到绳下端时,他离地面的高度约为多少米？

拓展1如图3所示，长为L、质量为M的小船停在静水中，质量为m1和m2的两个人站在船的两头，由静止开始从相向而行，恰好在船的中部相遇.不计水的阻力，则船相对地面的位移为多少？

图3

拓展2如图4所示，一质量为M，半径为R的光滑圆环，静止在光滑水平面上，有一质量为m的小物块从与圆心O等高处，开始无初速下滑，当到达最低点时，圆环对地的位移s环多大？

图4

等效替换思想解决这类问题，把二维的复杂运动转化为求解单一直线运动问题，或者转化为求解单一方向的问题，从而极大地简化了求解过程，并能更直观深刻地理解问题的物理本质和物理意义.在此基础上可以对系统做出快速的定性分析．同时使求解过程变得简单快速且提高了正确率.

图5

对于同一个模型，以多个问题呈现，每一个问题与前一问题既有联系又有变化，每一问都使学生的思维产生一次飞跃，由浅入深，思维水平螺旋式上升，所涉及的知识点逐步拓展.同时又将模型在不同情境中的差别变化逐一展示，使学生在应用模型的过程中知道模型的核心突破口，遇到实际问题解决起来也更加得心应手.

4 总结

提高学生的物理建模能力，可以让学生更好地掌握物理知识点，提高分析和解决物理问题的能力，从而提升一轮复习的效果.要提高学生的物理建模能力，一是教师可以在日常的教学过程中有意识地渗透物理模型和建模思想.在一轮复习中及时归纳过程模型的特点，利用模型复习相关知识，强调每种模型在解决问题过程中的突破点和关键点，甄别模型在具体情境应用过程中的细微差别，展示建模的过程和利用模型来解决实际问题的过程，让学生发现利用物理模型解决问题的优点，更愿意用物理模型解决实际问题.在建立模型和应用模型过程中，提高学生的物理建模能力.二是教师可以在复习课上利用问题串的形式，帮助学生将实际情境中的复杂问题分解为一系列逐步递进的问题，引导学生思维的逐层推进，理顺其中的逻辑关系，让学生学会识别问题，找出规律，解决问题，不断提升物理建模能力.