高中物理模型解題思維能力的有效培養策略

黃曉燕

【內容摘要】大部分學生上高中后物理成績一落千丈，究其原因主要是高中物理的解題思維能力要求遠高于初中的解題思維能力要求，而學生仍然習慣用初中的死記硬背套公式的機械學習法，顯然是吃不消的。如何有效培養高中生的物理解題思維能力？大量的一線名師實踐證明：高中物理解題離不開物理模型思維能力，因此要提高解題能力應從建模、識模、用模的能力培養入手。

【關鍵詞】物理模型 物理解題 模型解題 有效策略

大部分學生上高中后物理成績一落千丈，究其原因主要是高中物理的解題思維能力要求遠高于初中的解題思維能力要求。高中物理所研究的問題由初中的定性到定量，由表面現象、簡單獨立的上升到本質、系統的問題，這就要求具有抽象概況思維、發散創新思維和嚴謹的邏輯推理能力等，而學生仍然習慣用初中的死記硬背套公式的機械學習法，顯然是吃不消的。如何有效培養高中生的物理解題思維能力？大量的一線名師實踐證明：高中物理解題離不開物理模型思維能力，因此要提高解題能力應從建模、識模、用模的能力培養入手。下文重點介紹筆者在平時教學中如何落實物理模型解題思維能力培養的一些有效策略。

一、重視受力分析和運動分析，抓住物理模型建立的本質

學生在解物理題時往往有似曾相識但又無從下手的感覺，主要原因是被表面的物理情景迷惑，識別不出其中的物理模型。

例如，豎直面內的圓周運動的輕繩模型與輕桿模型，學生往往只看到兩者相同點是豎直平面內的圓周運動，區別是一繩一桿，說明學生沒有抓住這兩個模型的本質，只看到表面的情景現象。只有引導學生對兩種模型在最高點時的受力情況和運動情況進行分析才能抓模型建立的本質：過最高點時無向上的支撐力，但可以有向下的拉力者即為“繩模型”；過最高點時既可以有向上的支撐力，也可以有向下的拉力者即為“桿模型”。若取向下方向為正方向，根據牛頓第二定律： mg+FN=mv2r可知，兩者在最高點運動的臨界問題也就不同。明確了兩者的受力與運動的本質區別后，對于 “類繩模型”（如豎直圓軌道內側運動）、“類桿模型”（如豎直圓管道里運動）也就迎刃而解了。

可見，平時教學只有重視受力分析和運動分析，學生才能抓住物理模型建立的本質，做到觸類旁通。

二、通過“一模多變”編題法，強化學生建模、識模、用模的思維能力訓練

“一模多變”編題是指同一個基本模型，通過改變其研究對象、物理情境、條件等，編成不同的物理題目，是個由簡到繁的過程。

例1.有一條干涸的水渠，其底部是半徑很大（約幾十米）的圓弧，兩位同學在水渠底部溜旱冰，他們帶有旱冰鞋、秒表、長約1米的光滑木板，在溜冰間隙他們想用現有器材估測該水渠底部的圓弧半徑，請你幫助他們設計測量的方案來？

【編題過程】“單擺模型+物理情境+條件”編寫而成。將單擺模型中的小球、擺線，換成了溜冰同學和大圓弧水渠，將不計空氣阻力的理想模型條件隱藏在“溜冰鞋”和“估測”上，讓學生根據研究問題的需要學會忽略次要因素，抓住主要因素。但無論怎樣改變，研究對象的受力情況與單擺基本模型受力情況相同，抓住了這個核心，只要換披不同的“外衣”就可以編出各種各樣的題目。

例2.如圖所示，有一個光滑的圓弧形凹槽其半徑為R，在其正上方圓心O處有一小球A，從靜止開始釋放，與此同時在凹槽左側的最高點M有另一小球B也是從靜止開始運動，關于兩個小球到達凹槽中點Q的情況，以下說法正確的是（ ）

A.小球A先到達Q點

B.小球B先到達Q點

C.兩個小球同時到達Q點

D.無法確定

【編題過程】“單擺模型+勻變速直線模型+物理情境+條件”編寫而成。將單擺模型的懸點、細線改為光滑的圓弧形凹槽，使單擺模型具有隱蔽性，再疊加一個自由落體運動模型，并給出“圓弧的半徑R”、“同時”等條件，便可編出一道新的模型。

可見，編題是一個由簡到繁的“模型+物理情境+條件”的過程，而解題則是一個由繁到簡的處理過程。通過“一模多變”編題，可以有效引導學生揣摩出題者的編題意圖，減少解題不沾邊的現象，學生更容易學會剝掉迷惑的“外衣”找到隱藏題后的基本模型，所以“一模多變”可以從根本上強化學生的建模、識模、用模的意識。因此，在平時教學中教師應多注意典題積累，多進行“一模多變”的編題分析，這是高考復習中有效強化模型解題思維能力的良策。

三、通過“分割重組和匹配”[1]，有效突破審題識模難關

模型解題是一個由復雜到簡單的過程，主要分為四個步驟：從復雜的題目情境中找出隱含的基本物理模型→在腦海里重現對應基本模型的規律→緊扣題目的情境條件→確定解題的算法。第一不即識模，后三步即為用模解題過程，其中最難最關鍵的一步就是識模，即常說的審題，那么如何有效地進行審題識模訓練？袁守華教授提出：“分割、重組和匹配三種思維操作活動，是綜合題現象分析過程中最基本的思維操作方法要素，由他們結合而成的分割、重組和匹配的方法是現象分析的通用方法”。根據這一理論，筆者經實踐證明：通過“分割重組和匹配”的分析方法可以有效訓練學生的識模、用模能力 。

例3.如圖所示、四分之一圓軌道OA與水平軌道AB相切，它們與另一水平軌道CD在同一豎直面內，圓軌道OA的半徑R=0.45m，水平軌道AB長S1=3m，OA與AB均光滑。一滑塊從O點由靜止釋放，當滑塊經過A點時，靜止在CD上的小車在F=1.6N的水平恒力作用下啟動，運動一段時間后撤去F。當小車在CD上運動了S2=3.28m時速度v=2.4m/s，此時滑塊恰好落入小車中。已知小車質量M=0.2kg，與CD間的動摩擦因數μ=0.4。（取g=10m/s2）

求：（1）恒力F的作用時間t；（2）AB與CD的高度差h。

這道題是典型的多過程有多研究對象的題目，以滑塊、小車、軌道為物理情境，如果不會恰當地進行分割匹配，就找不到任何可用的模型規律解題。多過程題往往各個過程的銜接較明顯，可根據運動軌跡或運動性質進行嘗試分割，嘗試分割的每一個過程與腦海里存貯的模型規律相匹配，若吻合則說明分割正確，不吻合則需要重新分割。分割不僅要對運動過程分割分析，也可以將系統內的某一個研究對象進行分割隔離研究。

【識模過程】分析滑塊的運動模型：從運動先后看，其運動可分割成OA、AB、BD三個運動過程。若按軌跡特點分割，則需匹配模型來確定：O到B的軌道光滑，由受力分析可知滑塊從O到A是豎直平面內的圓周運動，該運動模型的規律有機械能守恒定律、動能定理、牛頓運動定律等；從A到B過程，由受力分析可知其運動與勻速直線運動模型吻合；同理，B到D的過程是平拋運動模型。接下來分析小車的運動模型：小車在水平恒力作用下啟動，由受力分析及牛頓第二定律可知，小車的運動與勻加速直線運動模型吻合，撤力后在摩擦力作用下作勻減速直線運動，這兩個模型對應的規律有：勻變速直線運動規律、牛頓運動定律、動能定理等。再根據情境條件：“滑塊經過A點時小車同時啟動，兩者相遇所經歷的時間相同；當運動的位移S2=3.28m，v=2.4m/s時滑塊恰好落入小車中”，進一步確定使用對應模型中的哪些規律進行解題。

可見，“分割重組和匹配”的分析方法可以將多過程多對象的復雜題目分割成多個簡單的基本模型進行解題，是突破審題識模難關的有效方法，此法對綜合計算題尤為中用 。

“巧婦難為無米之炊”，不論是建模、識模，還是用模規律解題，如果不熟悉模型的建立過程、不熟記各模型的特點規律，談模型解題思維的培養都是空話。如何讓學生掌握模型的建立過程、熟記各模型的特點規律？那就必須重視實驗和知識結構的構建。

四、重視物理實驗教學，點燃建模的思維火花

物理學是一門實驗學科，一切方法規律的得來都建立在實驗基礎上。要讓學生牢記各種模型的概念、公式、規律，無疑實驗是第一法寶。例如：要建立勻變速直線運動模型，并熟悉該模型的規律，那么難點在于對加速度概念的理解，要突破這個難點就必須讓學生做“練習使用打點計時器”和“利用打點計時器研究勻變速直線運動”這兩個實驗，引導學生通過處理紙帶數據來真正理解a=△V/t 這個概念，從而進一步理解熟記該運動模型的特點規律，而不是死記硬背公式。因此，教師必須重視實驗教學，通過實驗點燃學生建模的思維火花。

五、重視知識結構的構建，為模型解題思維安裝“應用程序”

有些學生解物理題時能快速找到解題思路，表達簡潔清晰，那是因為在其審題過程中從腦海中同步調出對應的物理模型規律作為思維導向，使其快速識模、用模解題。要做到迅速調出對應的模型規律，就必須事先在腦海里構建知識結構，相當于給電腦事先安裝應用程序，使用時才能按指令調出對應的程序。知識結構是指一個人經過學習后，在腦海里建立起來的最合理、最優化知識體系，是個人知識升華濃縮的結果。合理的知識結構可將所學的零散知識結構化、模型化、系統化，是解題思維的“應用程序”隨時待令調出。如何引導學生構建自己合理的知識結構？可通過知識結構圖的呈現加以引導。

1.教師要起到引導與示范作用

不論是新課還是復習課，教師要以知識結構圖形式呈現各章節及各知識模塊，幫助學生理清邏輯關系，抓住重難點。同時，鼓勵學生做筆記時，可根據自己的理解進行不同的意義構建。

2.通過自主合作學習，不斷完善個人的知識結構圖

每學完一章的內容，先要求每一位學生自主建立自己的知識結構圖，然后再集思廣益以小組為單位，整理出代表本組的作品，并把作品掛在教室供大家鑒賞，在復習課上選出最優秀的一組上講臺解說，總結不到的或做得不足的地方，由全體同學或老師做必要的補充或糾正。在交流過程中要求學生根據自己的認識不斷完善自己的知識結構圖。

3.用簡要的字詞、符號做知識結構導圖

知識結構圖是個人建立知識體系的思維導圖，為了強化學生的聯想、記憶等思維能力，要求做知識結構圖時，盡可能采用簡潔的字詞和符號表示，盡可能不搬入具體內容，使結構圖成為學生強化記憶的思維導圖。

【參考文獻】

[1] 袁守華. 物理解題思維的理論和方法[M]. 北京：北京師范大學出版社， 2011.

[2]北京中育慧之光教育科技有限公司.模型解題法高中物理[M].北京：北京大學音像出版社，2011.

（作者單位：南寧市文華學校）