從2019年高考談物理學科核心素養下的建模能力

馬治廣

摘 要：2019年全國Ⅰ卷理綜物理試題計算量大，對學生綜合能力要求高，其中要求建模意識及能力的試題靈活、復雜、難度大.物理建模對學生分析能力要求高，是物理研究必須具備的能力，它是研究一切物理問題的出發點和落腳點，是平時物理教師教學的重點.

關鍵詞：核心素養;建模能力; 理想模型

文章編號：1008-4134（2019）19-0028中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

物理學科核心素養，是指在接受物理教育過程中學生逐步形成的、適應學生終身發展和社會生活發展需要的必備品質和關鍵能力.品質指人的行為和作風所顯示的思想、品性、認識等.研究物理學科核心素養，是落實立德樹人的重要舉措，也是當前教育改革發展趨勢和提升我國教育國際競爭力的迫切需要.

1 分析研究需要模型的支撐

在高中物理教學過程中，隨著物理知識的沉淀、思維品質的逐步形成，學科能力的提升，學生的情感、態度和價值觀也逐步體現出來了.近些年高考試題更加注重對思維能力和品質的考察，強調學生綜合運用所學知識，分析問題、解決問題的能力.

例如，2019年全國Ⅰ卷33題.[物理—選修3-3]某容器中的空氣被光滑活塞封住，容器和活塞絕熱性能良好，空氣可視為理想氣體.初始時容器中空氣的溫度與外界相同，壓強大于外界.現使活塞緩慢移動，直至容器中的空氣壓強與外界相同.此時，容器中空氣的溫度_____（填“高于”“低于”或“等于”）外界溫度，容器中空氣的密度_____（填“大于”“小于”或“等于”）外界空氣的密度.

評析 試題立足實際生活“空氣”， “可視為”體現了研究問題可以近似簡化為物理理想模型的“理想氣體”.通過對實際問題的研究觀察分解，利用物理原理，抓住主要因素，忽略一些不重要的因素所創造出來的模型即理想物理模型.命題思想：（1）滲透了物理學科必備素質，在一定條件下，把復雜的實際研究對象簡化和近似，抽象為最簡單的足以表征主要特點性能的理想化模型來表示;（2）強化用模型探討分析問題的能力，如圖1所示.

根據模型情景分析知，要減小內部壓強只能是增大體積，即W<0;絕熱知Q=0，又由熱力學第一定律：ΔU=Q+W 知 ΔU<0，所以得出容器中空氣的溫度低于外界溫度;由氣體壓強的微觀解釋，影響氣體壓強的兩個因素：溫度和密度.容器內溫度低，但壓強與外界相同，那一定是容器中空氣的密度大于外界空氣的密度.依據題意創建物理模型，應用所學知識進行分析、推理得出結論，這是物理研究必備的素養品質.

2 函數圖象需要物理模型映襯

建模實際上是把復雜繁瑣的物理實際過程，通過建立模型展現、轉化成容易觀察、分析思考的簡單物理情景，形成常見的、熟知的、有認知經驗的物理模型，從而使問題形象化、具體化，使物理問題的處理更加簡捷、準確和到位.同時，完成高中階段的學習，學生應該初步具有現代物理的物質觀、相互作用觀、運動觀和能量觀，并且能應用其解釋自然現象和解決一些生活中的實際問題.2019年高考全國Ⅰ卷試題以“必備知識、關鍵能力、學科素養為考查內容，以基礎性、綜合性、應用性、創新性為考察要求”，落實高考物理大綱的考核要求，強化能力立意，注重理論聯系實際，強調學以致用.例如，2019年全國Ⅰ卷21題：在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運動，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關系如圖2中實線所示.在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過程，其a-x關系如圖2中虛線所示，假設兩星球均為質量均勻分布的球體.已知星球M的半徑是星球N的3倍，則

A.M與N的密度相等

B.Q的質量是P的3倍

C.Q下落過程中的最大動能是P的4倍

D.Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍

評析 “在星球M上”聯系的模型“地球”，地球表面重力加速度，把這一“地球”模型延伸到“星球M”和“星球N”， 將文字翻譯成物理模型如圖2，

據牛頓第二定律：mg-kx= ma 即得a=g-kmx ， 聯合圖得kx0=mg， kx0=mpgp，g=3a，得：2kx0=mQgQ，gp=3a0，gQ=a0，得mpgpmQgQ=12，mQ=6mp，B選項錯誤.又因RM=3RN，得ρMRMρNRN=gPgQ=3，ρM=ρN，A選項正確.

最大動能時彈力等于重力，Ekmax=mgx-mg+02，得EKQmaxEKPmax=mQgQ2x0mpgpx0=14

，C選項正確.

由上圖簡諧運動對稱性知Q、P下落過程中彈簧的最大壓縮量分別是4x0和2x0，D選項錯誤.

物理學是一門“精密”的科學，要用很精確的數學工具（函數、圖象）來表述它的內容.從物理學的發展史看，物理學的發展是離不開數學的.2019年《考試大綱》確定高考理工類物理科考試內容，高考要求考生掌握五種能力：理解能力、推理能力、分析綜合能力、應用數學處理物理問題的能力、實驗能力.其中對應用數學處理物理問題的能力要求十分明確：即要求學生能根據具體問題列出物理量之間的關系式，進行推導和求解，并根據結果得出物理結論;必要時能運用幾何圖形、函數圖象進行表達、分析和處理問題.理綜Ⅰ卷21題，含有2個物體、2個星球和一個彈簧，考察了9個知識點，對象多過程多知識點多，而物理圖象a-x能形象地表述物理規律，結合物理模型，直觀地描述物理過程，鮮明地表示物理量之間的相互關系及變化趨勢，增強對物理過程的理解，可以很好地對物理過程進行直觀的定性分析.有關以圖象與構建物理模型為背景的命題，成為近幾年高考考查的熱點.

3 建模能力在物理學發展史上是研究物理問題必備的綜合能力

物理學家伽利略曾經做過兩個著名的斜面實驗. 小球從一個斜面上滾下然后滾上另一個斜面，如圖4所示，小球可到達另一個斜面上比原來稍低一些的位置，伽利略再讓斜面的傾角減小，小球的運動距離越來越遠，如果斜面變為水平面且沒有摩擦，小球為了上升到相同高度，將永遠運動下去.從而得出了物體的運動不需要力來維持、力是改變物體運動狀態的原因等重要結論.

在研究自由落體的時候，伽利略讓小球從斜面上滾下，如圖5所示，通過測量運動時間和滾下的距離得出結論：小球在斜面上做勻加速直線運動.伽利略再讓斜面的傾角增加，得出了同樣的結論.然后伽利略做出推論：斜面的傾角為90°時，小球的運動也是勻加速直線運動即自由落體運動是勻加速直線運動.建模能力是一種重要的綜合能力，需要對物理現象及其本質和內在規律的探索，它依賴于考生對所學相關課程基礎知識、基本技能的掌握程度，以及綜合運用所學知識分析、解決實際問題的能力.客觀世界中物體間的相互作用相當復雜，許多物理學家在分析和研究物理現象、物理過程時，忽略次要因素，抓住主要因素，通過簡化、理想化和類比等方法創建模型，進行大量實驗探討、理論論證，形成了結論.

4 結束語

在實際的物理教學中，許多物理規律和定理都是

來源于將實際的研究對象或過程抽象簡化為理想化模型，進行演繹、推理得出所涉及的物理量間的相互關系.教師加強對模型的設計思想及分析思路的教學，有助于培養學生對實際復雜問題的處理能力、抓主要因素忽略次要因素的能力.在平時教學的潛移默化中要注意增強學生建模意識，才能有效地提高學生思維品質，培養他們的創新能力.

參考文獻：

[1]肖秋芳.應用數學處理物理問題能力培養的探究[J].中學理科園地，2017，13（05）：16-17.

[2]樊蘭君.基于“物理學科核心素養”下的課堂教學思考[J].陜西教育（教學版），2017（21）：102-103.

（收稿日期：2019-06-18）