淺析初中物理建模思想培養(yǎng)的著力點(diǎn)

關(guān)鍵詞：初中物理;建模思想;著力點(diǎn)

作者簡介：劉滿云（1970.5—），女，湖南省長沙市岳麓區(qū)湘儀學(xué)校，高級教師，校長，長沙市物理學(xué)會副理事長。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的提出，旨在提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，即通過初中物理教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)適應(yīng)終身發(fā)展的物理知識，培養(yǎng)良好的思維習(xí)慣，能夠在分析問題和解決問題時(shí)嘗試運(yùn)用這些知識和思維方法。物理教學(xué)往往對物理概念和規(guī)律采用建模的方式進(jìn)行構(gòu)建和探究，要求學(xué)生沖破現(xiàn)實(shí)與經(jīng)驗(yàn)的局限，學(xué)會抓住事物的主要因素與本質(zhì)特征，忽略事物的次要因素，從而科學(xué)地解決問題。從某種意義上說，物理學(xué)的發(fā)展過程是一個(gè)不斷建立模型、運(yùn)用模型和修正模型的過程，所以物理教學(xué)本身就是對物理模型的教學(xué)，它對學(xué)生的思維培養(yǎng)有著得天獨(dú)厚的學(xué)科優(yōu)勢。

由于高中教材中有大量需要建模才能深入理解的教學(xué)內(nèi)容，概念模型方面如質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子、單擺、點(diǎn)電荷等;條件模型方面如力學(xué)中的光滑面，電磁學(xué)中的勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場，研究帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)對重力作用的忽略，熱學(xué)中的絕熱容器;狀態(tài)和過程模型方面如力學(xué)中的勻速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、簡諧振動(dòng)、彈性碰撞等;其他模型還有電學(xué)中的穩(wěn)恒電流、熱學(xué)中的等溫變化，等等。對這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)和研究，如果沒有建模的意識和方法簡直寸步難行。因此對于高中物理教學(xué)，大家都認(rèn)為培養(yǎng)學(xué)生的建模思想是必然選擇。但對于初中物理，大多數(shù)教師認(rèn)為沒有必要強(qiáng)調(diào)建模，一是因?yàn)槌踔薪滩闹袥]有需要專門對學(xué)生進(jìn)行建模思維訓(xùn)練的大量教學(xué)內(nèi)容和素材;二是教師認(rèn)為初中學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平更多地具有“具象”的特點(diǎn)，不適合進(jìn)行建模思想的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

任何能力的形成都是循序漸進(jìn)而非一蹴而就的。教師在初中物理教學(xué)實(shí)踐中對建模思想的培養(yǎng)和訓(xùn)練的忽視，造成很多學(xué)生到了高中根本不適應(yīng)建模思維的要求。因此，在初中物理教學(xué)中，重視建模思想的培養(yǎng)有著十分重要的意義。教師應(yīng)具備建模思維培養(yǎng)的意識，善于挖掘、積累和利用素材，為學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

心理學(xué)的研究和實(shí)踐表明，十四五歲的學(xué)生處于以具象思維為主要形式，并逐漸向抽象邏輯思維為主要形式過渡的階段。這個(gè)階段的學(xué)生很大程度上仍然是將直接經(jīng)驗(yàn)與感性經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，思維仍然具有具體形象性，直到進(jìn)入初三，才開始逐漸步入抽象邏輯思維占主導(dǎo)地位的階段。在青年初期，學(xué)生開始試圖對經(jīng)驗(yàn)材料進(jìn)行理論概括，此時(shí)正是學(xué)生由初三向高中過渡的階段。因此，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平對其進(jìn)行建模思想的教育，是初中物理教師對學(xué)生實(shí)施建模思想培養(yǎng)的前提，它提醒教師不能任意“拔高、超前、加難”。

一、初中物理學(xué)習(xí)內(nèi)容的模型建構(gòu)

初中物理的學(xué)習(xí)內(nèi)容看似紛繁復(fù)雜，實(shí)則具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性特征，只要掌握了各個(gè)知識點(diǎn)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，就能找到其中的規(guī)律。在物理學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要著重掌握和理解各個(gè)重要的物理概念，掌握基礎(chǔ)的物理規(guī)律，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，教師以此三者為核心進(jìn)行模型建構(gòu)，能促進(jìn)學(xué)生對初中物理學(xué)習(xí)內(nèi)容的整體把握。

（一）概念教學(xué)中的建模

在進(jìn)行概念教學(xué)時(shí)，物理概念的建構(gòu)過程就是物理模型的建構(gòu)過程。梳理人教版八年級上、下冊和九年級全一冊這三本教材后，筆者發(fā)現(xiàn)，屬于理想模型概念的有光線、磁感線、力的示意圖、原子核式結(jié)構(gòu)模型等;屬于借助數(shù)學(xué)工具構(gòu)建出來的概念有速度、密度、比熱容、壓強(qiáng)、功率、電功率、機(jī)械效率等;屬于借助圖像加深理解的概念有路程與時(shí)間的關(guān)系圖線、重力與質(zhì)量的關(guān)系圖線、晶體熔化圖線、伏安特性曲線等。每一類概念都對應(yīng)著不同的建模思想和方法。以理想模型為例，由于物理現(xiàn)象或過程非常抽象，為使其變得直觀形象，需運(yùn)用理想模型加以呈現(xiàn)。如在研究光現(xiàn)象時(shí)，引入光線概念，即用帶箭頭的直線代表光的傳播特點(diǎn)與傳播方向。實(shí)際上光源所發(fā)出的光，并非帶箭頭的直線，而引入“光線”這一模型，能夠直觀形象地描述光傳播的特點(diǎn)，有助于光現(xiàn)象的研究。又如，物體間力的作用看不見、摸不著，用一根帶箭頭的線段來表示力，這也是一種模型;輕質(zhì)杠桿，忽略杠桿本身的重力也是一種模型;研究肉眼觀察不到的原子結(jié)構(gòu)時(shí)，建立原子核式結(jié)構(gòu)模型;在研究磁場時(shí)用磁感線描述磁場，等等。這些模型的建立，使很多物理現(xiàn)象變得更直觀，更易于學(xué)生理解和接受。

（二）規(guī)律教學(xué)中的建模

運(yùn)用合適的物理模型將復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為純物理問題，這就是物理規(guī)律的建模。初中物理規(guī)律教學(xué)的建模素材很多，理想實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵灾呐ｎD第一定律為代表，這是建模教學(xué)必不可少的內(nèi)容，不必贅述。很多人認(rèn)為其他規(guī)律教學(xué)談不上建模思想，其實(shí)，仔細(xì)分析后會發(fā)現(xiàn)，其中大有寶藏可供挖掘。例如，杠桿平衡條件在生活中的應(yīng)用是初中物理建模思想的又一重要內(nèi)容，它最能體現(xiàn)建模思想中的“物理抽象”思維，即突出主要的、本質(zhì)的特征，忽略次要的、非本質(zhì)的因素。在利用杠桿平衡條件解決實(shí)際問題時(shí)，第一步就是要將實(shí)際問題中的杠桿模型建立起來，要找到問題情境中的杠桿所在;第二步要找出杠桿的“五要素”，這樣才有可能解決后面的問題。

【例1】（2011年長沙市中考物理題）在長沙市地鐵二號線建設(shè)工地上，有一塔吊正在準(zhǔn)備起吊一個(gè)底面積為0.8 ㎡、質(zhì)量為2400 kg的圓柱形重物;如圖所示，A為塔吊的配重，OB為塔吊的起重臂，C為能在起重臂上移動(dòng)的載重小車，載重小車下掛有滑輪組，OB=25 m。當(dāng)載重小車在B點(diǎn)時(shí)，能安全起吊重物的最大質(zhì)量是1200 kg?，F(xiàn)在載重小車從距離O點(diǎn)10 m的載重臂上，準(zhǔn)備起吊該圓柱形重物（不計(jì)掛鉤、滑輪組和鋼絲繩重及摩擦。g取10 N/kg）問：

（1）起吊前，該重物對地面的壓強(qiáng)為多大？

（2）起吊后，當(dāng)重物勻速上升時(shí)，載重小車下每段鋼絲繩的拉力為多大？

（3）如果將重物勻速提升20 m，則拉力做功多少？

（4）塔吊將重物從起吊點(diǎn)提升20 m后，載重小車最多能向B點(diǎn)方向再平移多少米，才能保證安全工作？

這是一道中考題，當(dāng)年很多考生能意識到要通過建立杠桿模型來解決問題，但在進(jìn)行杠桿模型構(gòu)建時(shí)，不能很好地分析三條鋼繩的拉力對杠桿平衡所起的作用，認(rèn)為已知條件中缺少三條鋼繩的拉力大小及力臂大小，根本無從下筆。有的考生即使寫出了答案，也是碰運(yùn)氣，根本不明白三條鋼繩的拉力對杠桿的平衡作用是無關(guān)因素、次要因素，可以忽略不計(jì)，還是對杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)效果可以互相抵消。

再如下面的例2：

【例2】俯臥撐是一項(xiàng)常見的健身項(xiàng)目。如圖是小明同學(xué)做俯臥撐時(shí)的示意圖，他的身體可視為杠桿，A點(diǎn)為重心，重力為500 N。若重力的力臂L1=2.1 cm，地面對手支持力的力臂L2=3.0 cm，求地面對雙手支持力的大小。

很多同學(xué)在解答該問題時(shí)，都能順利找到該杠桿模型的支點(diǎn)在腳尖部位。筆者在教學(xué)過程中為了訓(xùn)練學(xué)生的建模能力，通常會將題目進(jìn)行現(xiàn)場改編。當(dāng)學(xué)生順利得出地面對手的支持力后，筆者將條件改變，要求學(xué)生求出地面對腳尖的支持力。那些只會依葫蘆畫瓢、缺乏邏輯思維的學(xué)生一下子傻眼了，不知從何下手;而那些已經(jīng)熟悉針對實(shí)際問題建立杠桿模型并形成解決問題的基本思路和方法的學(xué)生，則順利找到了新的支點(diǎn)。

運(yùn)用杠桿模型解決生活中的實(shí)際問題的例子比比皆是。初中物理規(guī)律教學(xué)中還有回聲測距的勻速直線運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建、等效電路圖的模型構(gòu)建、利用受力分析的方法建立平衡方程解決力學(xué)問題等，都需要教師在教學(xué)過程中不斷強(qiáng)化模型構(gòu)建思想，讓學(xué)生形成“分析生活情境、物理事實(shí)、物理問題—建立物理模型—運(yùn)用物理模型、結(jié)合數(shù)學(xué)工具—解決物理問題”的思維方法和解決策略。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的建模

中學(xué)物理探究類、測量類實(shí)驗(yàn)居多，在實(shí)驗(yàn)過程中需要學(xué)生提出問題、做出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理等，這些環(huán)節(jié)都屬于典型的建立模型過程。這個(gè)過程需要教師提出有價(jià)值的問題，盡量降低無關(guān)因素的干擾，設(shè)計(jì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)步驟和方法以及用數(shù)學(xué)工具處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在實(shí)際教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的意義和價(jià)值沒有發(fā)揮出來，因?yàn)閷τ诤芏鄬W(xué)生而言，他們對這些實(shí)驗(yàn)根本不感興趣，看熱鬧的現(xiàn)象是比較普遍的。

所以，能否提出有價(jià)值的問題是決定該實(shí)驗(yàn)是“真實(shí)驗(yàn)”還是“假實(shí)驗(yàn)”，探究是“真探究”還是“假探究”的關(guān)鍵。比如在“探究平面鏡成像規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，筆者曾經(jīng)設(shè)計(jì)過一個(gè)導(dǎo)入問題：

【例3】在深為10 m的湖面上方，有一只小鳥在空中飛翔，小鳥離湖面20 m，請問：小鳥在湖中的像位于（ ? ?）

A.湖面上 ? ? ? ?B.距湖底10 m處

C.湖中任意處 ? ?D.湖面下20 m處

這個(gè)問題一提出來，效果非常好，學(xué)生討論得很熱烈，甚至分為幾派爭論。此時(shí)，筆者說：“欲知詳情，請同學(xué)們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究?！蹦切┢綍r(shí)對實(shí)驗(yàn)不感興趣的學(xué)生也躍躍欲試。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尋找規(guī)律、構(gòu)建新的物理概念的典型是“比熱容”的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)先通過數(shù)據(jù)分析比較沙子和水的吸熱能力，再建構(gòu)一個(gè)全新的概念“比熱容”，是利用比值這一數(shù)學(xué)工具建立新概念的“物理—數(shù)學(xué)—物理”建模過程。

二、初中物理學(xué)習(xí)方法的模型建構(gòu)

“授人以魚，不如授人以漁”，教學(xué)的要義在于教給學(xué)生學(xué)習(xí)知識的方法?？茖W(xué)的學(xué)習(xí)方法是學(xué)生學(xué)好一門課程的核心要素，是學(xué)生最本質(zhì)、最關(guān)鍵的學(xué)習(xí)內(nèi)容。初中物理教學(xué)，要從學(xué)習(xí)方法層面來構(gòu)建模型，讓學(xué)生掌握自主學(xué)習(xí)知識的方法。

（一）利用類比的思想學(xué)習(xí)物理知識

利用乘積或比值的方法構(gòu)建物理概念，是物理學(xué)家們常用的方法，也是對數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用，更是建模思想的體現(xiàn)。教師在進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)時(shí)，可以利用類比的思想。如對于速度、密度、壓強(qiáng)、比熱容用比值定義的物理量，教師可以讓學(xué)生探究它們的共性與區(qū)別;還可以做聲波與水波的類比、電壓與水壓的類比、光的反射與聲波的反射類比、乒乓球的反彈現(xiàn)象類比等。

（二）對研究方法的歸類

初中生剛開始學(xué)習(xí)的物理現(xiàn)象是聲現(xiàn)象，緊接著是光現(xiàn)象，再到物態(tài)變化的熱現(xiàn)象。在這個(gè)過程中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生的具象思維向抽象思維過渡，能主動(dòng)將所學(xué)知識進(jìn)行邏輯思維加工，梳理出知識脈絡(luò)及研究方法。例如，學(xué)生可以對照聲現(xiàn)象的研究步驟（聲音的產(chǎn)生—聲音的特點(diǎn)—聲音的應(yīng)用）來研究光現(xiàn)象（光的產(chǎn)生—光的傳播特點(diǎn)—光的應(yīng)用）。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行對比，逐漸將這樣的研究步驟內(nèi)化于心，從而潛移默化地形成一種學(xué)習(xí)能力和方法。

（三）對習(xí)題教學(xué)的建模

習(xí)題建模與新知識學(xué)習(xí)過程中的建模不同，它需要教師從一類題目中提取共同點(diǎn)編制成一道基本的題目，讓學(xué)生在這種基本題目的訓(xùn)練中獲得對這一類題目的共同理解;它需要教師對初中物理中的傳統(tǒng)題型和熱門題型進(jìn)行分析與整合，提取其中的共同點(diǎn)，然后在解決問題的過程中，幫助學(xué)生形成基本的思路，從而在學(xué)生的思維中形成一套基本的模型。它最終的目的是讓學(xué)生在新的題目情境中找到已經(jīng)建立的模型，然后進(jìn)行拓展延伸，從而實(shí)現(xiàn)新問題的解決。這對初三學(xué)生的迎考復(fù)習(xí)具有重要的意義，值得初中物理教師鉆研，以造福學(xué)生，提高學(xué)生的應(yīng)試能力。

總之，由于客觀事物具有多樣性和復(fù)雜性，在研究過程中教師用正確的物理模型簡化研究條件，描述抽象的物理問題，形成同類物理問題的解決方法，既是常用的科學(xué)研究手段，也有助于學(xué)生認(rèn)識和掌握物理的本質(zhì)。物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中具有不可替代的作用和重要的價(jià)值，物理建模教育是一種長期的教育，研究初中物理建模思想的培養(yǎng)大有可為。

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