初高中衔接教学中建构物理模型的途径探索

张秀琴 张娇珍

（1.大田县教师进修学校，福建 大田 366100；2.大田第一中学，福建 大田 366100）

《义务教育物理课程标准（2022 年版）》将初中和高中物理课程要培养的核心素养的贯通，促进初中和高中物理课程的有效衔接，凸显物理课程的系统性、科学性，为学生核心素养的持续发展创造了条件。［1］我们将初、高中的物理教材中与力学相关的内容进行对比不难发现：初中力学部分涉及的内容，与学生的日常生活联系较为密切，且物理情境、物理现象直观有趣，教材难度较小；高中力学部分涉及的内容，与学生的日常生活联系同样密切，但是高中物理更重视定量分析和理论推导，且通过数据研究物体的运动规律和运动本质。

模型思维是一种重要的科学思维，建构与应用模型是物理学最重要的研究方法之一，也是物理学的核心学科特色。［1］笔者通过课题研究，发现鲁科版高中物理必修一力学专题模型的内容，作为物理工具贯穿整个高中物理教学。物理教师可以借助物理力学模型，引导学生应用课堂所学的理论知识去分析真实的物理情境，加深对概念、过程和系统的理解，培养学生在真实情境中具有构建模型的意识和能力，形成系统思维。［1］如何让高一新生更快地融入高中物理课堂？如何在教师引导学生学习教材内容时，能更有效掌握物理概念、规律、研究方法，逐步形成物理科学思维？本文将从如何加强物理力学模型建构进行分析，深化物理学科核心素养内涵的理解，凸显培养学生构建物理模型的能力在初高中物理衔接中的重要性。

一、初识初中物理模型

（一）问卷调查发现问题

为了了解初中生与高中生的物理模型建构能力，借助“问卷星”平台，分别设计了15 个与物理模型相关的问题。面向大田县三所学校的初中生和高中学生，采用随机抽样的方法做了“物理模型建构”这一学科核心素养认识的问卷调查。笔者对310 名初中生和159 名高中学生问卷调查的数据分别进行了研究分析，部分统计结果如下：

表1 310 名初中生认为“下列选项属于物理模型”的比例

表2 159 名高中生认为“下列选项属于物理模型”的比例

通过以上的数据分析，有大部分初中和高中的学生没有将所有选项都归为“物理模型”。说明学生在学习物理的过程中，没有关注物理模型的建构过程，忽略了对物理概念及规律本质的理解。

（二）认识物理模型

高一物理的衔接教学中，教师可以通过导学案让学生回顾初中所学的物理模型，并初步比较初中、高中物理模型研究的不同内容。

表3 初中、高中物理模型研究的内容差异比较

以磁感线为例，在物理衔接课堂上，教师可以引导学生借助铁屑、玻璃板、条形磁铁再现磁感线模型的建构过程：将铁屑均匀撒在玻璃板上，再将玻璃板放置在条形磁铁上方，然后轻轻敲打玻璃板，让磁化的铁屑在磁场的作用下重新分布，引导学生观察重新分布的铁屑排列图样，画出对应的磁感线图线。

在电学的衔接课堂上，我们可以引导学生观察教室的实物电路，将实物电路转化成可直观分析的串并联电路模型。让学生认识到物理模型是依据实验或真实的情境，基于所研究的问题，将实际物体或物理过程作为我们的研究对象，经过科学抽象抓住其本质，建立起来的研究客体。教师通过学过的模型让学生归纳出物理模型的几个主要特点：

1.客观性：物理模型的研究对象、物理现象都是实际情境中的现象或者问题

2.抽象性：物理模型是为了简化运动，便于研究，抓住问题的主要因素，舍弃次要因素，建立的一种理想的抽象客体或过程。

3.实用性：运用物理模型研究的物理规律和结果，可以有效地解决实际的问题。

4.科学性：物理模型是通过大量的观察和实验获得的信息、数据构建的，符合学科本身的科学性。

二、步入高中物理模型

沪科版八年级物理从《简单的运动》入门，鲁科版高中物理必修一教材也通过运动的描述带领学生走进运动的世界，教师在授课过程中，都要体现建立模型的教学环节。引导学生进一步认识模型的同时，逐步养成建立模型的习惯，培养学生建模的能力。

模型1：质点模型

教材中为了研究篮球的运动轨迹，忽略篮球上各点运动的差异，将篮球视为只有质量，却不考虑其形状和大小的点，简化运动、便于研究。质点模型的建立也为后续的运动学教学建立奠定了基础，我们可以进一步研究天体运动和微观粒子在电磁场中的运动。

模型2：自由落体运动模型

抽取牛顿管内部的空气，引导学生观察比较牛顿管内部羽毛和铁片的运动情况，引导学生透过现象看本质，比较分析羽毛和铁片下落快慢的原因。当玻璃管内接近真空时，羽毛与硬币几乎以相同的速度下落，且几乎同时达到玻璃管的底端。若羽毛在下落过程中只要考虑重力的作用，可以忽略其他因素的影响，我们可以将羽毛由静止开始下落的直线运动视为“自由落体运动”，其位移公式推导为；速度公式为：v=gt。

模型3：纸带模型

纸带穿过电火花打点计时器，打点计时器接通交流电源，按下开关后，发生电火花放电，使纸盘上的墨粉每隔T=0.02S在纸带上打出墨点。当运动的物体带动纸带运动时，纸带上留下一系列小黑点。纸带上间隔的小黑点记录了物体运动过程的时间和位移信息。若物体做匀加速直线运动，根据图1 的纸带数据可以求解中间时刻的速度：vn=；任意两个相邻的位移差：ΔS=Sn-Sn+1=aT2

图1

研究单物体或多个物体在连续相等的时间内做匀变速直线运动时，可将其运动视为纸带模型进行研究。

［例1］在一个底部固定的光滑斜面上，选取位置P点，在P点每隔相同的时间T，静止释放一颗小球。在P点连续释放几颗相同的小球后，实验员对着斜面的后半段位置拍下一张相片，如图2 所示，按比例测得A、B小球的真实距离为SAB，B、C小球的真实距离为SBC，求：

图2

（1）小球的加速度。

（2）拍摄时B点的瞬时速度。

（3）拍摄时C、D两球的真实距离。

解析：将多个小球的匀加速直线运动问题，转化为一个小球的匀加速直线运动问题，借助“纸带模型”进行分析。

生物传感器是应用在生物医学中的一种微电子技术，这种传感器能对生物物质敏感并将其浓度转化为电信号进行检测的仪器。比如葡萄糖传感器就是检测生物物质中葡萄糖浓度的设备，它是由S.J.乌普迪克等研发成功第一个生物传感器。现在的生物传感器已具有很高的选择性，可用于医疗、食品工业等等。

（3）由于相邻位移差恒定SCD-SBC=SBC-SAB

所以SCD=2SBC-SAB

三、建构物理模型的途径

学生在学习过程中会充分意识到建立模型是解决好力学问题的关键环节，在学习高中物理必修一的过程中，会积累大量的力学模型，例如，轻弹簧、轻杆、“死结与活结”“动杆与定杆”、斜面模型、滑块板块、传送带等力学模型。对力学问题教学时，教师要合理选择研究对象，根据问题情境建立力学模型，简化分析过程。

根据构建物理模型的途径，针对不同的情境及研究对象，建构模型的方法也大不相同。为了让学生在分析物理问题时能建构简单实用的物理模型，教师在教学中要介绍建立物理模型的常规方法。高中阶段构建物理模型的一般途径大致有三种：

（一）实验归纳法建构物理模型

实验归纳法：实验→观察→建模。通过实验观察，定量分析物理规律，建立相关的对象模型或过程模型，例如，纸带模型、自由落体运动。学好物理，审题是关键。要引导学生结合物理情境分析物理规律，通过归纳推理，挖掘题设的隐藏条件，构建条件模型。（见表4）

表4 题目给定的条件与隐含的理想条件模型内涵对照表

（二）类比法建构物理模型

类比联想法：类比→联想→建模。某些研究对象的受力情况或运动过程，从本质上具有相似的特征，我们可以通过类比的方法，建构相似的物理模型，例如等效重力场、类平抛运动等。我们研究带电小球在匀强电场中的运动，由于不能忽略小球重力的作用，所以小球受到恒定的重力与电场力的共同作用，我们可以将这两种力的作用“合二为一”，建构“复合场”的物理模型，简化解题思路。类比在重力场的竖直平面的圆周运动，并形象地称小球所处的复合场为“等效重力场”。

［例2］一个带电量为+q的小球，被一根长为L的轻质绳，悬挂在竖直平面上O点的正下方，小球处于电场强度为E的匀强电场中。小球至少要获得多大的初速度，才能做完整的圆周运动？

图3

拓展：若将该小球置于水平向右的匀强电场中，小球以初速度v0竖直上抛，小球的运动轨迹将是怎样的呢？

我们可以用类比法建构新的物理模型：

①受力分析，如图4 的甲图所示。

图4

②设合力与竖直方向夹角为θ

③结合力与运动的关系，类比斜抛运动。带电小球的运动轨迹如图4 的乙图，称之为“类斜抛运动”。

点评：通过类比法构建“等效重力场”的模型，能让学生举一反三，将研究竖直平面内的圆周运动和抛体运动的方法，迁移到复合场问题情境中，简化分析过程。

（三）综合分析法建构物理模型

综合分析法：物理情境→综合分析→建模。面对真实且复杂的物理情境，经过综合分析后，可以运用割补法、整体隔离法等物理方法，发现问题的本质特征，构建物理模型。

［例3］一位小男孩在离地面高度为H，离竖直墙壁的水平距离为S1的O点。以初速度为v0水平抛出一颗弹性球，小球在M点与墙壁发生弹性碰撞后，反弹落到水平地面上，其运动轨迹如图5 所示，求：

图5

（1）小球总共运动的时间，

（2）小球的落地点N距离竖直墙壁的水平距离S2。

解析：小球与墙壁发生弹性碰撞，根据碰撞前后速度大小不变，方向对称的特点，我们将物理过程进行割补，运动路径由O→M→N转化为O1→M→N的完整的平抛运动，小球的运动轨迹如图6 所示。

图6

点评：通过“割补法建立物理模型”，我们可以将碰撞后的运动过程，简化成完整的平抛运动，拓展了学生的思维的同时，简化了分析过程，减少运算量。

通过初高中的物理教学研究，我们认识到建模方法是科学研究的常用方法，模型思维是一种重要的科学思维，在教学的过程中要重视物理模型的建构。［2］借助物理模型教学可将抽象的物理规律和复杂运动过程，直观地呈现，简化了教学思路。模型建构能有效地培养学生的物理思维，促进初高中物理的有效衔接。