核心素養下的物理建模能力培養

吳寒平

（福州外國語學校，福建 福州 350007）

在高中物理教學過程中，可以觀察到這樣一種現象，因為內容多、課時緊，為了讓學生盡快進入復習階段，存在著急趕進度的問題，忽視了建模能力的培養，這在很大程度上影響著學生物理學習的效果。學生只會背公式盲目刷題，對物理學科的學習產生了畏懼的心理，這對學生的長遠發展不利。因此在物理課堂教學中，培養學生的建模思維，落實學科素養，是物理教師的教學任務之一。［1］用建模來認知規律，這是一種富有想象力的教學方式，有利于形成正確的科學思維，促進學生提高理解和建構新知識的能力，學會把復雜的問題簡單化，把抽象的問題具體化，促進學生提高綜合分析和解決物理問題的能力。

皮亞杰認知的結構理論為課堂教學提供理論依據。［2］教學中，物理模型的建立并非使用概念的闡述和語言的說明能夠解決的。課堂教學可遵循通過對物理模型的認識，引導建模思維，從問題情境中以模型為載體進行物理方法教學，在習題中挖掘模型進行物理思維培養，循序漸進，最終使學生在潛移默化中建立物理模型，應用物理模型，受到思維方法的教育。

一、認識物理模型，建立模型思維

建立模型，可以幫助教師更優化地整理信息，制定好的策略。簡單來說，就是幫助教師透過現象看本質。在物理學中，牛頓定律以及愛因斯坦相對論，都是模型思維的結構。通過從簡單到復雜的過程，讓學生認識建模的意義，掌握復雜知識的最有效途徑就是掌握其中的規律所在，用規律去探知未知和解決問題。樹立模型思維解決物理問題，找到模型中蘊含的規律是迅速解決復雜問題的途徑。

圖1

例如：牛頓第一定律中，無阻力平面是從粗糙、光滑到理想平面的一個初步建模過程，物體受合外力為零就相當于不受外力，可用牛頓第一定律解決這類問題。從牛頓第一定律到牛頓第二定律是從受合外力為零到合外力不為零的改變。合外力不為零，產生加速度，因此要解決的就是變速運動的問題。學生在學習過程中思維循序漸進，逐步認識物理模型的作用，就會建立模型思維。再如，物體受一個力作用最簡單，受多個力怎么辦？求解合力就成為最佳選擇。較復雜的受力情況，就可以得到很好的解決。如圖1所示，是三個共點力平衡問題，只要滿足一個力不變，另一個力方向不變，第3個力大小方向變化，采取的解決方法是，取N和F為邊，做平行四邊形，其合力一定與重力G大小相等，方向相反，當F的方向變化時，可以在平行四邊形中看到F的大小變化情況，也可以看到N的變化情況。使用模型思維，在形象直觀的圖形中解決了復雜的動態平衡這類問題。

二、創設問題情境，引導建模方法

學生是課堂教學中的主體，教師教學起主導作用。在課堂中要落實物理學科核心素養的培養，教師應積極通過多種方式，創設情境，提出問題，讓學生從自身已有的認知出發去發現問題，認清事物內在本質，從而學習到建模的基本方法。

例題：列車長為L，鐵路橋長也是L，列車沿平直軌道勻加速過橋，車頭過橋頭的速度是v1，車頭過橋尾的速度是v2，則車尾通過橋尾時的速度為（）

提出問題：車頭過橋頭時，是否可看作是一質點，為什么？解決了這一問題，就可應用質點模型，表述就簡化為質點經過橋頭時的速度為v1，運動一段位移L之后，經過橋尾時的速度為v2，再繼續向前運動一段位移L，速度為v3。因此就可以把以上的物理情景，簡化建立成勻變速直線運動間隔相同位移的速度關系模型，應用速度中點的公式即可解得末速度V3，畫出簡圖，得出這道題中要構建兩個模型，一個是質點的模型，一個是勻變速直線運動的模型，即可迅速找到解決問題的途徑。如圖2所示：

圖2

面對實際問題，設計問題情境，讓學生從中體會到從問題情境出發，尋找建模的方法，培養學生從復雜的現象表述中找到關健，尋得建模入門的有效方法。

三、展示思維方法，促進建模體驗

由于原有的學習習慣、學習方式，學生更多關注知識的學習，而不關心思維方法正確與否。如何引導學生學會積極思維，展示思維方法，提高思維品質，促進學生建模能力提高，這需要教師在教學中有意識地加以引導。

例如：在二力合成的新課教學中，要建立等效替代的概念，教師在教學過程中，可以做這樣的教學環節設計，教學展示一：讓兩個學生推一輛車緩緩地勻速前進，讓一個學生也推同樣的車，緩緩地前進。提出疑問：這兩種情形推動車，產生的效果一樣嗎？學生會對兩次作用產生的效果是否相同提出疑問。教學展示二：讓兩個學生一起提一桶水保持穩定，換一個學生也提著相同的一桶水保持穩定，提出疑問：這兩種狀態下，對水桶產生的效果相同嗎？學生得出結果，這兩次對水桶產生的作用效果是相同的。教師引入合力和分力的概念，如何讓學生更深的理解合力和分力概念，完整地構建出等效替代的模型。在教學中增加一個讓學生體驗的環節設計，教學展示三：教師提供一根下端有兩根細繩套的彈性繩，讓學生討論分析，如何實現一個力單獨作用在彈性繩上產生的作用效果，與兩個力共同作用產生的效果相同。讓兩個學生到講臺上，完成體驗探究。此時教師可以提出問題，這兩位同學的示范是否達成目標？這個時候學生會有不同意見，教師順勢提出，那要如何才能實現一個力和兩個力共同作用達到效果相同呢？此時學生就會提出，那要記錄第1次拉伸后彈性繩末端的位置。這樣的教學設計，可以充分讓學生感受兩個力共同作用與一個力單獨作用產生的效果相同，具體要做到什么。關注學生的課堂體驗感，更好地構建出合力與分力的概念模型。

四、挖掘思維階梯，樹立模型意識

物理建模意識的確立是一個潛移默化的過程，需要教師在實踐教學中加強引導，讓學生認識到物理模型觀念、模型直覺、甚至創新意識，讓學生認識到物理習題都是從物理基本規律、基本題型演化而來，也就是依據一定的物理模型精心構思，設計而成的。只要找到事物間的聯系，就可迅速找到問題的途徑，教師應該在教學中時時把握建模意識培養。

例題：圖3是一種將光能轉換為電能的硅光電池電流與路端電壓U的關系。圖中電流表和電壓表均視為理想電表，R0＝2Ω。

圖3

圖4

（1）一定強度的光照射硅光電池，將電鍵S閉合，調節可調電阻的阻值，通過測量得到該電池的U－I曲線a，見圖4。由此可知此時該電池的電動勢為________V；若調節可調電阻的阻值，使電流小于200mA，則此時電源內阻為________Ω。

（2）當該電路可調電阻R的阻值調到某值時，路端電壓為1.5V，變阻器R消耗的功率為________mW。

教師可以例題為物理模型深入包裝、設計題型，繼續培養學生建模意識。

挖掘1：一個20Ω的電阻和電源串聯，電鍵閉合后，電源的輸出電壓約為多少伏？電流強度約為多少安？

挖掘2：兩個電阻20Ω的電阻和電源串聯，電鍵閉合后，電源的輸出電壓約為多少伏？電流強度約為多少安？

挖掘3：兩個組織都為20Ω的電阻并聯后，在與該電源串聯，電鍵閉合后，電源的輸出電壓約為多少伏？電流強度約為多少安？

如何用U－I圖像，找尋工作狀態，要明確分析建模思路：1.已知電源滿足的U－I關系；2.尋找U－I在外電路滿足的關系式；3.將找到的U－I關系式作圖；4.交叉點即為工作狀態。

該題如不具有模型意識是很難找到解題思路的，只有學生確立了物理模型，解決問題就水到渠成了。

教學中，通過教師的精心引導，促進學生優質物理思維方法的確立和升華。通過建模，培養學生分析與綜合、比較、抽象和概括、類比、推理、等效等方法，進一步提高學生的創新意識、創新能力，通過物理建模有效促進學生的核心素養的提高，對學生的成長是終生受益。