浅谈高中物理教学中学生建模思想及能力的培养

孙淼

摘 要：高中物理是以实验为基础，具有较高实践性与交叉性的学科，重视知识的选择性与基础性，构建物理模型是高中物理教学中常用的教学方法，不仅能够让复杂的知识变得纯粹化与简单化，还有利于引导学生发现与积极探索物理知识。在高中物理教学中，培养学生的建模思想与建模能力，有助于帮助学生通过构建物理模型学习知识、解释事物与解决问题。本研究在分析高中物理教学中学生建模思想及建模能力的培养时，首先分析高中物理教学中学生建模思想的主要内容，研究培养学生建模思想的重要性与必要性，然后，针对学生建模能力提出培养方法，具体是指引导学生建立物理模型、通过例题讲解的方式利用物理模型、设置情境问题实施建模能力的培养与训练。

关键词：高中物理教学；建模思想；建模能力

在高中物理课程改革中，明确了高中物理教学课程结构、定位、制度保障措施，打破高中物理传统教材特点，强调在物理知识中不断渗透科学与个性化的教学方法。但是，这并不代表完全否定高中物理学科的系统性，而是引导学生以创新性、创造性的建模思想削弱学科系统性，这也与“减负”号召相吻合，有意识地隐去抽象的教学方法。高中物理教学中，学生建模思想及建模能力的培养是非常重要的一部分，建模能力是指学生在物理学习中，能够根据实际问题建立适合实际问题的物理模型，能够把实际问题转化为语言或数学语言的能力，其主要表现为理论建模、仿真模拟、实验模拟以及数学解题等方面[1]。在高中物理教学中，培养学生的建模思想与建模能力，将构建理想化模型作为重要的教学方法，有助于引导学生在学习物理知识时，由感性认知转到理性认知、由复杂转到简单、由具体转到抽象，在掌握物理内在规律与本质属性方面实现不断思维化[2]。在高中物理教学中，学生建模能力的培养旨在让学生能够运用物理知识和理论，构建适合实际问题的物理模型，并从中分析出结论或提取实用价值。

一、高中物理教学中学生建模思想

高中物理传统教学方法比较注重解答抽象问题与讲解理论体系，忽视实践与理论的相互结合，尽管学生能够利用已经学到的知识解答物理问题，但是，在生活中却很难应对物理难题。受传统教学方法的影响，高中学生主要被动接受物理教师灌输的知识，没有充足的想象机会，逐渐失去主动学习与探索物理知识的能力，这与新时代素质教育观念相背离。应用建模教学方法，培养学生的建模思想是新时代高中物理教学的需要，物理的抽象性与严谨性在高中物理教学中有较多体现，其目标即为培养高中学生的思维能力与逻辑能力[3]。但是，与实践活动相关的内容比较有限，学生一般会在学到理论知识后忽视在实践中应用知识，这也是高中物理教学中学生存在的思维难题。目前，高中学生对物理建模的认识仅停留于死记硬背相关知识点上，例如：教师讲解到点电荷与质点是理想化状态的物理模型，那么学生就会牢记点电荷与质点是理想化状态的物理模型，而如果老师告诉学生能够忽略轻绳等质量，那么学生在学习过程中会忽视质

量[4]。就高中物理学科而言，培养学生的建模思想价值在于帮助学生理解物理规律与认识物理学科概念，还能帮助学生简化复杂的问题，掌握主要因素，忽视次要因素，进而有效解决现实中的物理问题。通过全方位培养学生的建模思想，能够比较好地解决该问题，这是因为针对高中物理学科培养建模思想，注重用数学方法与语言，将难懂、抽象的理论转变为数学模型与数学公式，学生在看到更直观的知识体系后，也会更高效地理解物理知识。

二、高中物理教学中学生建模能力的培养

（一）引导学生建立物理模型

高中物理学科中存在许多难以理解的现象，而通过构建物理模型能够对难以理解的知识点进行融会贯通，例如：学生普遍难以理解电流热效应、尖端放电现象、静电平衡现象、静电感应现象等，而通过引导学生构建金属导体模型，能够让学生更有效地了解相关知识点，甚至会产生茅塞顿开的感觉[5]。在引导学生建立物理模型的过程中，高中物理教师自身也应当清楚地认识到不能僵化古板，也不能在引导学生的过程中产生教条主义，这是因为学生在物理知识方面构建的模型并没有明确对与错的区分，而是更需要看所构建的模型能否解释何种物理现象，与能否解释物理现象等[6]。在引导学生构建物理模型时，将物理模型构建标准设定为：尽量简化物理模型，且确保物理模型的容易扩展性。物理模型更加简单，在物理模型中增加具体条件，由此才能够解释高中物理中的更多物理现象，即代表该物理模型具有较强的扩展性。另外，高中物理教师在引导学生构建物理模型的过程中，还需要注重引导学生消除对物理模型的认知，即帮助学生培养正确的物理模型思想，让学生认识到尽管物理模型会失去部分真实性，但是，通过构建物理模型，更容易接近实物的真实状态，对物理现象进行更好地模拟。例如：在进行“用电器的功率与电流强度的关系”的教学中，教师可以准备一台电热水壶，一根电线，一个电流计和一台电压表。首先，教师將电流计和电压表与电热水壶线路连接，然后将电热水壶插入插座，调整电压大小并记录下电压和电流的数值。接着，教师可以改变调节电压的大小，再次记录电压和电流的变化，并根据这些数据绘制出功率与电流强度的关系曲线。通过这样的实验，学生可以深入理解用电器的功率与电流强度之间的关系，进一步学习到了电路中电流、电压、功率等基本概念。同时，学生还能够利用所学的知识建立模型，预测和分析电器功率和电流之间的变化规律。在实验后，教师可以带领学生进行讨论和思考，比如：如果电热水壶的电压降低，那么电流和功率的变化会如何？如果使用的电线电阻较大，那么对于电热水壶的功率和电流强度的影响是怎样的？通过这些探讨，学生不仅能够建立更为深入的电路模型，还能够迅速将所学知识应用到实际问题中，进一步提高自己的物理学习能力。

总之，引导学生建立物理模型是高中物理教学的一个重要环节，通过构建具体的案例，可以帮助学生更深刻地理解物理原理，并将所学知识更准确地应用到实际问题中，从而提高自己的物理学习能力。

（二）例题讲解利用物理模型

在培养高中学生物理建模能力的过程中，高中物理教师可充分利用例题讲解中利用物理模型的价值。在讲解例题时，高中物理教师可坚持深入浅出的原则，引导学生理解物理模型，重点掌握该物理模型能够解决何种问题、不能解决何种问题、突出何种知识点、忽视何种知识点，以及所构建的物理模型具有哪些不同点或是共同点[7]。同时，高中物理知识引导学生根据物理模型构建方法总结具有代表性的例题，例如：学生可积极总结各类临界模型、斜面模型、天体运动模型、板块模型等。在总结物理模型的过程中，要求高中学生领悟与感知物理模型的本质，深入体会在解决问题与理解物理知识方面，构建物理模型的价值。在例题讲解时，高中物理教师的角色为问题引领，带领学生感受与经历构建物理模型的过程，学生在经历例题讲解中将理论知识应用到问题解决中时，会掌握如何归纳与分类物理模型，讨论质疑点，培养物理建模思想，提高物理建模能力，促进发展科学思维。例如：在讲解自由落体例题时，应用构建自由落体模型的方法，让学生能够在建模时经历建模的思维过程，让高中学生学习与体会构建物理模型的重要性，真正提高物理建模能力，教师可以通过例题先给学生介绍牛顿第一定律和牛顿第二定律，然后引导学生分析各种力对物体运动的影响，如：重力、空气阻力、摩擦力等。接着，教师可以给学生提供一个具体的问题，如：一个质量为10kg的物体，从10米的高度自由落下，如果忽略空气阻力，求物体落地时的速度是多少？教师可以引导学生自己尝试建立物理模型，提出假设，列出所需要使用的公式和变量，并进行实践验证。在实践中，教师可以将学生分成小组进行探究，每个小组可以负责一个具体的物理量的计算。例如：1组可以计算物体从高度为10米自由落下所需的时间，2组可以计算物体在自由落下过程中的平均速度，3组可以计算物体落地时的速度。最后，教师可以引导学生进行结果检验和分析，比较实验数据与理论计算结果的差异，并让学生讨论可能出现的误差和原因。

总之，通过这个案例的实践，不仅可以深入学习力与运动之间的关系，还能够让学生锻炼利用物理模型解决实际问题的能力，提高学生的物理学习兴趣和能力。

（三）设置情境问题实施训练

情境是构建物理模型的展开基础与载体，在高中物理教学过程中，教师能够通过应用认知冲突、图片、视频、趣味性实验等方法设置情境，在情境中，抓住物理模型构建所需的原材料，突出情境的真实性，致力于培养高中学生的建模思想[8]。同时，在设置情境中提出适合的科学问题，并确保情境与学生的生活相贴近，并以物理教学活动为核心，与学生的学习基础相符合，帮助学生能够在情境的基础上运用思维方法，展开分析与探索活动。例如：在构建自由落体运动模型时，教师可向学生展示常见的情境视频，诸如跳伞运动、跳水运动、余晖落叶等，让学生对展示的情境视频进行归纳与分类，总结不同自由落体活动的差异点与相同点。同时，高中物理教师应提示学生根据速度恒定、人为参与、运动轨迹等进行分类，并在实践中体会归纳与分类的必要性。教师在引导学生构建模型时研究简单的运动，并以物体只受阻力与重力作为研究对象，总结落體运动的一般规律与共同特征。在分析影响下落快慢的因素时，高中物理教师可设置相关的情境，例如：为减少空气阻力，建模中用到的纸片变成纸团，虽然没有改变实验器材，但已经改变了问题。通过设置情境，高中物理教师让学生研究简单的运动，更容易明确研究对象，这有利于学生探索物理知识，且不会受到无关因素的影响。如在进行“汽车制动距离与速度的关系”的教学中，教师可以构建一个情境问题，例如：如果一辆汽车在紧急制动的情况下，汽车的制动距离与速度之间的关系是怎样的？教师可以引导学生自主探究建立物理模型的过程，并通过实验验证模型的有效性。在实验中，教师可以准备一个平坦路面、一个汽车、一块停车地面、测量距离的器具等实验器材。教师可以让学生自主设计实验方案，并在不同的速度下测试汽车的制动距离，再在制动距离和速度之间建立数学模型。通过实验和数学模型的建立，学生可以深入理解汽车制动距离与速度之间的关系，并能够更加准确地预测汽车在不同速度下的制动距离。同时，学生还能够掌握一定的实验技能和数据处理能力，提高自己的物理实验和数学建模能力。最后，教师可以引导学生将所学到的知识和技能应用到实际生活中，让学生思考如何避免在汽车行驶过程中因紧急制动而导致车祸的发生。通过这样的应用和思考，学生不仅可以将所学理论知识与实际情境相结合，更能够增强安全意识和责任感。

总之，通过基于设置情境问题构建物理模型的训练，可以帮助学生掌握物理理论、实验技能和数学建模等多方面的能力，从而更好地应对实际问题，提高自己的物理学习水平和综合素质。

结束语

培养高中学生物理建模思想与建模能力是长期过程，需要将之贯穿在高中物理教学的各个环节，要求高中物理教师坚持循序渐进的原则培养学生的建模思想与建模能力。为了能够达到此效果，高中物理教师在应用建模教学方法的过程中，应注重引导学生在学习物理知识的过程中构建对应的物理模型，积极探索物理知识，并通过讲解例题的方式充分利用物理模型。另外，高中物理教师还可在教学中设置不同的情境，并根据情境的不同设置问题，在解答问题时实施训练，为学生提供更具多元性的模型构建机会，由此切实培养学生的建模思想与建模能力。

参考文献

[1]刘姝芳，许桂清，张军朋.立足新教材开展建模教学策略探讨：以高中物理必修2“抛体运动”为例[J].物理通报，2021（11）：44-46.

[2]李兰，李春密，杨鹏飞.基于学业质量水平的物理建模能力研究[J].物理通报，2020（2）：116-119.

[3]贺桐杰，汪中明.基于高中物理观念建构教学的实践研究：以人教版教材《物理·选修3-2》“楞次定律”为例[J].物理通报，2021（S1）：89-94.

[4]陆玫琳，桑芝芳.高中学生物理模型建构能力发展趋势分析[J].物理与工程，2021，31（2）：69-78.

[5]杜锃强.高中物理教学中学生逆向思维的培养策略探究：以鲁科版“摩擦力”教学为例[J].中学物理教学参考，2022，51（9）：34-35.

[6]王艺朦，陈晓陆，刘青华.基于物理建模的高中物理教学设计策略研究：以“高空抛物”问题教学为例[J].中学物理教学参考，2021，50（33）：4-6.

[7]张鹭，赵振宇，冯立峰.基于学习进阶理论指向物理概念建模教学的研究与实践：以“向心力”为例[J].物理通报，2023（1）：44-49.

[8]孙超.培养建模能力的情境教学策略探讨：以“原子的核式结构模型”教学为例[J].中学物理教学参考，2023，52（5）：9-11.