物理建模教學(xué)的有效實施途徑探究

李濤

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》在物理核心素養(yǎng)的水平劃分中，對高中學(xué)生通過物理課程學(xué)習(xí)要具有建模能力提出了明確要求，并細(xì)化為五個進(jìn)階水平：能說出一些簡單的物理模型;能在熟悉的問題情境中應(yīng)用常見的物理模型;能在熟悉的問題情境中根據(jù)需要選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡單物理問題;能將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型;能將較復(fù)雜的實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型。基于此，結(jié)合當(dāng)前一線高中物理教學(xué)的實際，我覺得在高中物理教學(xué)中，提升學(xué)生的建模能力，具有十分重要的意義。

一、物理模型的內(nèi)涵

物理模型是根據(jù)研究的問題和內(nèi)容，在一定條件下對研究客體的抽象，是從多維的具體圖像中，抓住最具有本質(zhì)特征的圖像，建立一個易于研究、能從主要方面反映研究客體的新圖像?？茖W(xué)家在做研究工作時，往往把研究對象抽象為理想模型，建模方法是科學(xué)研究的常用方法，模型思維是一種重要的科學(xué)思維，創(chuàng)設(shè)基于建模的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于學(xué)生建模思維的發(fā)展。學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展、物理觀念的構(gòu)建、科學(xué)探究能力的形成、未來出色的科研能力都需要學(xué)生在求學(xué)過程中進(jìn)行思維的深度參與。建模思想及建模過程對學(xué)生的思維訓(xùn)練具有得天獨(dú)厚的功能，它能讓高中生在學(xué)習(xí)中體驗物理學(xué)家的核心活動、核心工作、核心思想。因此，物理建模教學(xué)對學(xué)生一生的發(fā)展與成就有著重要育人作用。

二、缺少建模教學(xué)引發(fā)的問題

筆者曾經(jīng)將一道“題設(shè)問題”（指教師將復(fù)雜的實際情境去掉，經(jīng)過人為的簡化、抽象加工后，通過給定物理量，人為設(shè)問，編寫出來的問題）與一道“實際問題”（指現(xiàn)實情境中客觀存在、尚未被抽象、簡化、加工的真實問題），放在同一份考卷中選擇一個班（52人）的學(xué)生解答，結(jié)果讓人意外，如表1所示。

從對比中可以看出，學(xué)生對題設(shè)問題完成較好，這類問題對知識的掌握、解題套路的形成有其獨(dú)到的作用，但面對實際問題時，學(xué)生已掌握好的知識、方法卻不能有效應(yīng)用，僅有這些知識，學(xué)生無法形成處理實際問題的能力，更不用說創(chuàng)新能力了。由此可見，解決實際問題，更能考查學(xué)生能力的真實性與客觀性。為什么會出現(xiàn)以上問題？主要存在兩方面原因。

1. 題設(shè)問題與實際問題所包含的信息量不同（如圖1）。

2. 分析題設(shè)問題與分析實際問題所需要的心智特質(zhì)不同（見下頁圖2）。

從圖2可以看出，學(xué)生的做題過程僅僅完成了物理探究工作中的很少一部分。如果平時的教學(xué)，比較突出訓(xùn)練學(xué)生的題設(shè)問題，一旦遇到實際問題，學(xué)生由于缺少分析與綜合、抽象與概括、比較與分類、邏輯推理等方面的訓(xùn)練，面對問題將無所適從，往往束手無策。

楊振寧教授針對一線物理教學(xué)，曾經(jīng)一針見血地指出：“很多學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中形成一種印象，以為物理學(xué)就是一些演算。演算是物理學(xué)的一部分，但不是最重要的部分，物理學(xué)最重要的部分是與現(xiàn)象有關(guān)的。絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源。一個人不與現(xiàn)象接觸不一定不能做重要的工作，但是他容易誤入形式主義的歧途;他對物理學(xué)的了解不會是切中要害的?！彼麖母旧匣卮鹆宋锢斫虒W(xué)的本質(zhì)和物理教學(xué)的源頭問題。

三、建模教學(xué)的有效實施途徑

傳統(tǒng)教學(xué)中的題設(shè)問題教學(xué)，主觀因素太多，從條件到設(shè)問均是人為設(shè)置的。這就導(dǎo)致物理知識原始情境的真實性發(fā)生了偏離，導(dǎo)致學(xué)生長期受到這種訓(xùn)練的內(nèi)在認(rèn)知心理和外在行為表現(xiàn)，與科學(xué)家、物理學(xué)家解決實際問題過程中的認(rèn)知心理和外在行為表現(xiàn)相差甚遠(yuǎn)。

1. 建模教學(xué)的基本流程設(shè)計

物理建模過程是一項復(fù)雜的思維體驗過程，有著明顯的過程性和進(jìn)階性，建模需要建模知識積累、經(jīng)驗儲備、思維的邏輯性等基礎(chǔ)條件。因此，物理模型教學(xué)，不能僅僅把各類模型的定義教給學(xué)生，學(xué)生的建模能力需要在“經(jīng)歷、體驗中”習(xí)得，在師生互動、生生互動中提升。建模教學(xué)的基本過程流程如圖3所示。

2. 以流體模型構(gòu)建為例

展示情境：如圖4，某旅游景點(diǎn)有一噴泉，噴出的水柱將一玩具滑板車穩(wěn)定地懸停在空中，試分析滑板車距離噴口的高度與哪些因素有關(guān)。

這是一個有趣的生活現(xiàn)象，現(xiàn)象中包含實際問題，問題中的物理量及現(xiàn)象所遵循的物理規(guī)律均隱藏在實際問題中，學(xué)生要成功解決問題需要完成三項工作：問題表述，物理建模，分析解決問題。在執(zhí)行以上物理建模教學(xué)流程的過程中，教師除了要控制好點(diǎn)撥時機(jī)和講解節(jié)奏外，還要設(shè)計好能促進(jìn)學(xué)生思考的系列問題。例如：

A. 為什么滑板車能穩(wěn)定地懸停在空中？引導(dǎo)學(xué)生對滑板車進(jìn)行受力分析和運(yùn)動狀態(tài)分析。引導(dǎo)學(xué)生思考：水對滑板車的沖擊力與滑板車的重力平衡，建立 F沖=■模型。

B. F沖是水對滑板的沖擊產(chǎn)生，如果取沖擊滑板車的水為研究對象，與以往選取的研究對象相比，有何特點(diǎn)？為了方便解決問題，應(yīng)該如何處理？引導(dǎo)學(xué)生思考：研究對象——水是流體模型，不是學(xué)生熟悉的理想模型（質(zhì)點(diǎn)），進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)思考這一問題——微元思想。設(shè)噴口的橫截面積為s，水噴出的初速度為v0，則？駐t時間內(nèi)，從噴口噴出的水的質(zhì)量為？駐m， ？駐m= ？籽v0 ？駐ts，這一步是關(guān)鍵點(diǎn)，同時也是難點(diǎn)，要組織學(xué)生深度討論，合作學(xué)習(xí)。

C. ？駐m的水，沖擊滑板時的沖擊速度v多大？引導(dǎo)學(xué)生建立方程：v2-v20=-2gh.

D. ？駐m的水沖擊滑板遵循什么規(guī)律？引導(dǎo)學(xué)生建立方程：F沖？駐t=0-（-？駐mv）

E. 滑板車距離噴口的高度與那些因素有關(guān)？引導(dǎo)學(xué)生整理后得到：h=■-■.

F. 總結(jié)流體模型的規(guī)律：微元思想解決非理想模型研究對象問題。

物理建模需要學(xué)生穩(wěn)定的內(nèi)在思維素養(yǎng)和外在行為表現(xiàn)，學(xué)生內(nèi)在思維素養(yǎng)具有隱性特征，無法直接診斷，教師可以采用“思維導(dǎo)圖法”和“口述報告法”將隱性思維顯性化，將學(xué)生的科學(xué)思維與技巧訓(xùn)練到位，物理建模的核心問題就得到了較好的解決。

物理建模教學(xué)需要師生付出更多的時間和精力，但其在知識容量的積累、知識鞏固、熟練程度上的效率沒有講、練、考三位一體的做法好。因此，我們在教學(xué)中需要從常規(guī)教學(xué)和建模教學(xué)中找到平衡點(diǎn)。引入建模教學(xué)，讓學(xué)生模擬物理學(xué)家探究的心智歷程，把學(xué)生導(dǎo)入物理學(xué)家進(jìn)行物理研究的原點(diǎn)和真實情景中，激發(fā)了學(xué)生的求知欲望和興趣，提高了解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，使物理教學(xué)真正回到本質(zhì)和源頭上。

責(zé)任編輯 羅 峰