以“圓錐擺模型”教學為例ぬ柑嶸高中學生物理建模能力的策略お

徐志平

所謂“物理建模”，就是物理研究中將物理現象和過程的次要因素剔除掉，從而使得復雜的問題更加簡潔化、形象化.物理建模不僅是一種重要的物理研究手段，也是高中生能力培養的一個重要方面.本文擬就高中物理教學中怎樣進行建模教學進行了初步的探討.

1 高中物理教學中模型構建的基本思路

立足于高中物理教學來看，物理模型的建立應該包含三個階段：感知階段，教師創設情境并提出問題，引起學生對物理模型的尋找；醞釀階段，教師引導學生對有關情境進行進一步分析，剔除一些次要因素，開始對模型的進行提煉；修正階段，教師引導學生著眼于更加純粹的研究對象——物理模型，探討其相關規律，教師提供一些問題，幫助學生對認識進行完善.

2 高中物理教學中模型構建的教學流程

怎樣將建模的思想滲透進高中物理的教學中來呢？筆者結合相關理論和工作實踐，認為可以按照以下五個環節（如圖1）來進行模型構建的教學，其中前兩個環節對應基本思路的前兩個階段，后續環節則對應第三階段.

（1）模型引入：這一階段，教師主要通過聯系學生生活實際，采用實驗操作、視頻播放等手段，為學生創設原生態的物理認知情境.這一情境既要與探究對象的特征相匹配，也要適合高中生的認知特點，還要能在一定程度上激起學生的學習積極性.

（2）模型建立：這是建模過程的關鍵一步，教師在這一階段的工作是引導學生積極思考、相互討論.在學生全方位地觀察研究對象并深層次地分析其實質之后，教師還要引導學生通過科學地抽象、歸納演繹和邏輯推理等手段，實現模型的建立.

（3）模型深化：這一階段的任務是在分析論證的基礎上提煉相關模型的物理規律，相關內容的完成需要教師引導學生運用分析、討論、對比等科學探究的方法來實現.

（4）模型運用：這一步驟可認為是前一環節的推進，教師提供更為復雜的物理情境，設置一系列有梯度的問題，讓學生反復練習，從而更為深刻地理解模型，并能對其進行靈活地運用.

（5）及時評價：該步驟與第四步有所交叉，在運用模型解決實際問題時，學生建模的思路是否正確，規律的運用是否合適，這些都需要教師及時地引導，讓學生對自己的操作進行合理的評價和修正，從而進一步提高其建模能力.

3 以“圓錐擺模型”教學為例談教學流程的具體操作

人教版必修2模塊中有關圓周運動問題的處理，涉及到圓錐擺的認識，可結合建模思想進行教學.

3.1 教學設計基本設想

筆者以游樂場里的“旋轉座椅”（如圖2）來進行導入環節的情境創設，提出問題激起學生思考，引導學生明確研究什么問題：懸繩作用下人與座椅的運動；然后引導學生通過思考和討論在身邊怎樣選擇器材，模擬相似的運動，即用一根細線拴著小球，讓該小球在水平面上做勻速圓周運動；進一步引導學生觀察該運動特點，通過將繩子運動軌跡所圍成的圖形聯想成一個圓錐，從而實現模型的命名：“圓錐擺模型”；隨后，繼續讓學生通過受力分析等手段來判斷該模型的向心力提供（如圖3）；最后結合，相似問題情境的架設，提升學生運用該模型的遷移能力.

3.2 教學設計具體流程

按照建模思想的教學流程的五個步驟進行教學設計.

（1）模型引入：以游樂場中“旋轉座椅”的視頻導入相關情境，讓學生暢談對該設施的體驗經歷，適當地插入問題：人坐在座椅上，和座椅之間有無相對運動？人和座椅的運動軌跡有何特點？屬于什么形式的運動？圓心在哪里？轉速加快時，繩子的傾斜方向有何特點？一系列問題引導學生用物理的視角來觀察這一生活中常見的游樂設施.

（2）模型建立：結合學生在第一環節中相關感知的回顧和交流，引導學生忽略該情境中諸如支架結構之類的次要因素，將學生的視線集中到人和座椅這一整體的運動特點上，突出水平面上的圓周運動這一特點.提出問題：你能在教室里，通過一些常見而又簡單的器材來模擬“旋轉座椅”的運動嗎？學生經過思考和討論后，很自然地提出可以用小球和細線來進行模擬.教師將器材提供給學生，讓學生自己動手，進行模擬操作.操作的過程，引導學生進一步觀察運動的特點，讓學生描述小球的運動過程和細線的姿態特點，從而引出一個立體幾何的概念“圓錐”，進而實現模型的命名——“圓錐擺模型”.

（3）模型深入：教師提出問題：什么力提供了圓錐擺模型圓周運動的向心力？讓學生各自獨立思考，畫出受力圖之后再結合彼此的討論進行完善，繼而得出結論：小球受兩個力（重力和繩子的拉力），這兩個力的合力沿水平方向指向圓心來提供向心力.

（4）模型運用：教師安排幾道有關圓錐擺模型的習題，讓學生通過練習實現對模型規律的熟練掌握.教師設計一些相似的情境，鍛煉學生圓錐擺模型的知識遷移能力，例如：小球在漏斗側壁進行水平面上勻速圓周運動以及高速公路上轉彎處路面傾斜設計的原理.這些情境最后都可以歸結為圓錐擺模型.

（5）及時評價：教師在學生處理相關問題時，巡視教室，及時發現學生的錯誤并引導學生進行自主評價，發現自己模型認知上的缺陷，并糾正相關錯誤.

3.3 本設計的感悟

本次建模教學的切入點以學生所熟悉的游樂設施來進行情境創設，根基于學生的切身體驗，有效激起了學生的探究興趣；引導學生自我選材來進行實驗模擬，讓學生對自己的開放性思維和創新能力進行了訓練；在課堂上進行實際操作，通過“做中學”既提高學生的實驗能力，又實現了物理知識的構建；由情境到模型，再由模型到拓展的教學流程引導著學生的思維由發散到集中（鍛煉學生的構建模型的能力），再由集中到發散（訓練學生思維的遷移能力）；師生之間、生生之間廣泛的互動滲透進整個教學過程中的每一個細節，學生充分發揮了學習的主動性，實現了物理模型的自我構建和認知.

物理教學中，教師向學生傳授的大多是經簡化抽象的間接經驗知識，教師都習慣于把知識組織得井井有條，對每個知識點都做出詳盡的解釋，學生易出錯的知識點也都一一告誡，把教學內容可謂是“講深講透”了.這種讓學生獲得間接經驗的過程其本質就是一個認知的內化建構過程.可見，在目前的物理教育中，教師花費大量經歷培養學生的內化建構能力，而缺乏對學生認知外化建構的重視.外化建構就是學生運用所學知識解決物理問題的過程，學生平時解決物理習題的過程更多的不是認知的外化建構，而是認知的內化建構.原始物理問題把間接經驗直接化，使學生能置身于真實的生活環境，并不能靠簡單的知識提取解決問題，其解決過程是認知的外化建構過程.在物理教學中引入原始物理問題來加強學生認知外化建構的訓練，是非常有意義的.高中物理的教學中，教師引導學生通過模型的構建來探究物理規律，能更為高效地實現學生知識的構建，同時還有助于學生創新意識的增強.當然，相關理論的完善還有待于你我在后續教學中進一步的實踐和研究.