物理模型建構(gòu)策略及有效教學的實踐研究

摘 要 物理模型不僅能夠簡化問題，幫助學生理解問題，還可以訓練學生的科學思維，提高學生的學習效率。高中物理教學中的常見模型包括對象模型、過程模型、條件模型和綜合性模型。在核心素養(yǎng)背景下，高中物理教師要挖掘和利用物理模型的作用，創(chuàng)設適切情境，將復雜問題簡單化，簡單問題模型化，并搭配習題訓練，重視對學生建模意識的培養(yǎng)，營造具有吸引力和趣味性的物理課堂。

關鍵詞 核心素養(yǎng)；物理模型；有效教學；物理思維

中圖分類號 G633.7

文獻標識碼 A

文章編號 2095-5995（2024）10-0069-03

近年來，高考命題的變化顯示出對學生解決實際問題能力的更高要求，這一轉(zhuǎn)變凸顯了建模能力在現(xiàn)代教育中的重要性。面對實際問題時，學生常常因缺乏系統(tǒng)的建模能力而難以有效獲取和利用信息，從而無法建立準確的模型來解決問題。因此，深入研究物理模型建構(gòu)策略及有效教學方法顯得尤為迫切和重要。通過系統(tǒng)分析和總結(jié)，可以幫助教育者和學生理解如何在實際問題中應用物理模型，從而提升解決問題的能力。

一、高中物理教學中的幾種常見模型

（一）對象模型

對象模型是根據(jù)研究問題的特性進行定義的。在這種模型中，通常只關注問題的主要因素，而忽略次要因素，通過對主要因素的抽象、概括和總結(jié)來建立模型。例如質(zhì)點、點電荷、彈簧振子、黑體和理想變壓器等都屬于對象模型的范疇。學生在學習和應用對象模型時，需要根據(jù)問題的特點明確主次要因素，培養(yǎng)分析問題本質(zhì)的能力，以及將物體特性抽象化的能力。

（二）過程模型

過程模型建立在物體運動的基礎上，將研究問題的運動過程簡化、理想化，并保留主要因素，忽略次要因素。例如自由落體運動、彈性碰撞和簡諧運動等都是常見的過程模型。教師在引導學生建立過程模型時，通常通過創(chuàng)設實際情境讓學生感受運動過程的特點，然后通過猜想、實驗驗證和科學推理來加強理論與實踐相結(jié)合。通過建構(gòu)過程模型，可以培養(yǎng)學生科學推理和實驗探究能力，提高他們綜合運用模型解決問題的能力。

（三）條件模型

條件模型考慮研究對象及其環(huán)境、外部條件等因素，并對其進行適當?shù)睦硐牖幚恚鐒驈姶艌?、光滑接觸面和自由膨脹等模型都屬于條件模型的范疇。例如，對于勻強磁場的理解，雖然在現(xiàn)實生活中并不存在絕對的勻強磁場，但通過理想化處理，如將長直螺線管內(nèi)部的磁場視為勻強磁場，可以有效地進行物理分析和問題求解。通過條件模型的建構(gòu)，學生能夠形成對物質(zhì)和環(huán)境理想化處理的觀念，掌握研究物體的基本思路和方法。

（四）綜合性模型

綜合性模型將以上幾種模型整合，具有較高的復雜性和綜合性。例如木板—木塊模型、行星運動模型以及帶電粒子在有界電場（磁場）中的運動問題等都屬于綜合性模型的例子。在處理這類問題時，通常需要結(jié)合多種模型和解題策略，這不僅使問題的解決路徑更加清晰和系統(tǒng)化，還能夠提高學生解題的效率和問題解決能力。

二、物理模型建構(gòu)的三個要素

（一）情境是模型建構(gòu)的載體和展開基礎

模型建構(gòu)的過程始于具體的物理情境，通過這一情境建立模型，并對其進行分析和評價，以實現(xiàn)對情境的深入理解。高中物理作為一門與日常生活緊密相關的學科，教師在模型建構(gòu)活動中必須注重將模型與學生的日常生活相結(jié)合。通過生活化的內(nèi)容，學生能夠體會到物理知識與生活的廣泛交叉，增強對物理知識的理解，感受其為人類生活帶來的美好。這種結(jié)合不僅促進了學生思維的發(fā)展，也提高了他們的思維能力。

例如，在講解“牛頓第三定律”時，常規(guī)教學中利用彈簧測力計定量探究作用力與反作用力的關系，往往受到摩擦力和彈簧自身彈性限度等因素的影響，導致定量探究的局限性。尤其在碰撞類瞬時突變的相互作用力中，彈簧測力計無法實現(xiàn)定量測量，而利用力傳感器則可以有效解決這一問題。教師可以通過力傳感器定量探究鐵塊碰撞雞蛋時的相互作用力關系，使學生更直觀地理解物理現(xiàn)象。通過這些方法，教師能夠更好地引導學生將物理知識與實際生活相結(jié)合，提升他們的學習興趣和理解能力。

（二）問題是模型建構(gòu)展開的推進器

問題情境是指在教學過程中，教師根據(jù)教學目標和內(nèi)容，結(jié)合學生的實際情況，創(chuàng)設具有啟發(fā)性和引導性的問題。在物理教學中，構(gòu)建問題情境能夠幫助學生將抽象的物理知識具體化、形象化，使他們更容易理解和掌握知識重點，促使學生主動思考、積極探索，從而提高學習效果。

在構(gòu)建問題情境的過程中，教師可以結(jié)合生活實例。例如，在學習圓周運動時，教師可以將過山車的原理融入教學，讓學生從生活的角度進行知識探究；在講解“牛頓第三定律”時，教材中關于摩擦力和非接觸力的定量探究存在留白，教師可以引導學生思考：如何設計實驗以定量探究相互作用的摩擦力和非接觸力的關系？此外，教師還可以利用物理學史來構(gòu)建問題情境。物理學史中蘊含著豐富的物理思想和科學方法，教師可以利用這些素材來激發(fā)學生的思考。例如，在介紹牛頓的萬有引力定律時，可以講述牛頓是如何通過觀察蘋果落地等現(xiàn)象而發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的故事，并提出“如果你是牛頓，你會如何思考這個問題？”等引導性問題，以激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。

（三）過程是模型建構(gòu)的經(jīng)歷和體驗

在物理模型建構(gòu)過程中，學生通過體驗和學習建模方法，增強建模意識，并提高解決問題的能力。這一過程包括兩個主要步驟：思維轉(zhuǎn)化和處理加工。思維轉(zhuǎn)化要求學生運用物理知識，通過分析、判斷、簡化、抽象和檢驗等思維方式，將情境化問題轉(zhuǎn)化為非情境化問題。［1］處理加工則涉及使用物理方法和數(shù)學手段進行推導和演算，將非情境化問題轉(zhuǎn)化為解決方案。

例如，教師可以利用磁懸浮地球儀和電子秤的清零功能進行非接觸力的實驗。具體操作為：在斷電情況下，將磁懸浮地球儀的圓環(huán)放置在電子秤上并清零，然后將球體放在圓環(huán)上，測量并記錄球體的質(zhì)量。接著，通電使球體懸浮，觀察電子秤的示數(shù)，發(fā)現(xiàn)示數(shù)沒有變化。這個實驗說明了非接觸力之間的關系是等大反向的。電子秤的示數(shù)反映了物體對電子秤的向下作用力。由于清零后，兩次示數(shù)反映了球體對圓環(huán)向下的作用力。第一次示數(shù)可以推斷出物體的重力大小，而第二次示數(shù)相等，說明球體對圓環(huán)的向下磁力大小等于重力。在懸浮狀態(tài)下，圓環(huán)對球體的向上磁力大小等于球體的重力。分析可知，圓環(huán)對球體的向上磁力等于球體對圓環(huán)的向下磁力，驗證了相互作用的非接觸力之間的等大反向關系。

由此可見，物理模型建構(gòu)過程的重點在于將情境化的問題轉(zhuǎn)化為非情境化的問題的思維過程。教師應引導學生利用身邊的實物，創(chuàng)設真實情境，剖析情境背后的物理原理，挖掘其中蘊含的物理規(guī)律，培養(yǎng)學生解決問題的能力。

三、高中物理教學中的模型建構(gòu)策略

（一）創(chuàng)設適切情境，激活模型意識

創(chuàng)設適切的情境對于激活學生的模型意識至關重要。［2］通過具體的情境設計和引導，教師能夠幫助學生在實踐中理解抽象的物理概念，從而提升他們的學習效果和思維能力。這種教學方法不僅符合課程標準的要求，也為學生的物理學習奠定了堅實的基礎。

例如，在“質(zhì)點”這一概念的教學中，許多學生對質(zhì)點的定義及其將物體視為質(zhì)點的條件理解并不透徹，難以建立與這一物理概念相對應的模型。因此，教師應當優(yōu)化教學方式，創(chuàng)設如下情境：設想一輛小車經(jīng)過高架橋，要求學生計算小車完全經(jīng)過高架橋的總路程。通過提供數(shù)據(jù)，鼓勵學生繪制路程分析圖，教師可以引導學生認識到，在計算路程時，車輪的形狀不影響結(jié)果，主要因素（如小車的長度）才是關鍵。然后，教師可以通過數(shù)據(jù)定量分析深化理解。假設小車長度為15厘米，高架橋長度從90厘米逐漸增加到15萬厘米。通過計算，學生會發(fā)現(xiàn)路程與橋長的比值趨于1，說明在某些情況下，小車長度可忽略，可將其視為一個點。

緊接著，教師可以引導學生建構(gòu)模型：在研究某一問題時，如果物體的大小和形狀可以忽略，那么我們就可以將物體視為一個點。需要強調(diào)的是，這里的“點”與數(shù)學上的點有所不同。在物理學中，點是用來代替物體的，并且具有質(zhì)量。我們將忽略物體的大小和形狀，但保留物體固有屬性——質(zhì)量的點稱為“質(zhì)點”。通過這樣的教學設計，教師不僅幫助學生建立了質(zhì)點這一模型，還有效地激活了他們的模型意識，促進了他們對物理概念的深入理解。

（二）復雜問題簡單化，簡單問題模型化

在物理教學中，將復雜問題簡化為物理模型是關鍵。例如，在受力分析時，我們可以忽略物體的形狀和大小，將物體簡化為質(zhì)點，認為所有力都集中在一點。同樣，盡管現(xiàn)實中很少有物體做真正的勻速直線運動，但在特定條件下，我們可以假設物體的運動為勻速直線運動以簡化問題。

以“自由落體運動”為例，學生構(gòu)建了自由落體模型后，教師可以提出一個實際問題：雨滴從高空云層下落的運動特征是什么？是否屬于自由落體運動？雨云層的高度通常在幾百米到幾千米之間。教師可以讓學生估算雨滴落地時的速度，并引導他們初步判斷雨滴的運動并非自由落體，因為這是一個復雜情境問題。

接下來，教師引導學生將這一情境與自由落體模型聯(lián)系起來，探討不同之處，并補充空氣阻力的知識。教師介紹雨滴所受空氣阻力與下落速度的關系，引導學生分析雨滴從開始下落到落地前的受力情況和運動狀態(tài)，并鼓勵學生繪制速度—時間圖像。這一過程中，學生通過近似、對比等科學思維方法，將復雜的實際問題轉(zhuǎn)化為非情境化的問題，如“是否為自由落體運動？”“雨滴的受力如何變化？”“在什么條件下雨滴做勻速直線運動？”從而實現(xiàn)了復雜問題的簡單化和簡單問題的模型化。這一教學過程有助于學生將實際問題轉(zhuǎn)化為理想化模型，提高他們解決物理問題的能力。［3］

（三）搭配習題訓練，靈活運用模型

物理模型建立的最終目的是利用這些模型解決實際問題。因此，教師在引導學生建立物理模型后，應為學生提供應用這些模型的機會，以提升他們靈活運用物理模型的能力，從而更高效地解決遇到的問題，進而提高解題能力。［4］

例如，“子彈打木塊”模型的習題教學：

物理原型：子彈質(zhì)量為 m ，木塊質(zhì)量為 M，木塊長度為 L，木塊靜止放在光滑的水平面上，子彈以速度v0 水平射向木塊，在整個過程中木塊對子彈的阻力為恒力 F，若子彈未射出木塊，求共速時子彈射入木塊的深度d。

解決此問題有兩種不同的解題思路：一種是用公式計算法，另一種是利用 v-t 圖像法。通過對比發(fā)現(xiàn)，圖像法的優(yōu)勢非常明顯，不僅可以簡化計算過程，還能清晰展示碰撞過程中各個物理量之間的關系。所以教師應重視圖像法在解決問題中的作用。在教學過程中，教師應關注學生在觀察圖像時對圖像與文字的關聯(lián)及其含義的理解，使學生在觀看動態(tài)圖時能夠聯(lián)想到瞬時狀態(tài)圖景，而在觀看靜態(tài)圖時能夠聯(lián)想到動態(tài)變化的過程。

教師可以對習題進行多元化處理，例如一題多問、母題變式、同型歸綜等。同時，教師也可以引導學生在解決問題的過程中多問幾個“為什么”，并聯(lián)想與之相關的其他問題，以在思維發(fā)散的過程中鍛煉學生的思考能力和自主創(chuàng)設情境的能力。

（邊鳳偉，吉林省松原市實驗高級中學，吉林 松原 138000）

參考文獻：

［1］ 張春輝，逯曉琳.2023年全國甲卷物理第25題的評析與啟示［J］.中學物理教學參考，2023（29）：57-60.

［2］ 熊藝.高中物理學科中創(chuàng)設情境培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)能力［J］.上海課程教學研究，2022（9）：11-15.

［3］ 李金秀，楊曉輝，劉瀚文.面向高中生物理模型建構(gòu)能力提升的教學探析［J］.赤峰學院學報（自然科學版），2022（9）：110-114.

［4］ 王君.高中物理教學中物理模型的作用及構(gòu)建策略［J］.數(shù)理天地（高中版），2023（2）：8-10.

責任編輯：劉 源