“數(shù)據(jù)模型”在物理教學中的嘗試

摘?要：“數(shù)據(jù)模型”是物理學研究中常用的一種方法和思路，“數(shù)據(jù)模型”包括數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)圖象、函數(shù)式（文字表述）三要素， “數(shù)據(jù)模型”符合學生由淺入深、由表入里的認知規(guī)律.構建數(shù)據(jù)模型可以加深學生對物理概念的理解，讓學生熟練掌握物理規(guī)律，通過“數(shù)據(jù)模型”教學，培養(yǎng)學生構建物理模型的意識和能力，提升科學思維的能力.

關鍵詞：數(shù)據(jù)模型;核心素養(yǎng);構建模型

文章編號：1008-4134（2020）01-0031?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：劉天罡（1981-），男，河南舞陽人，本科，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學.

高中物理課程是在義務教育的基礎上，進一步促進學生物理學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展，引導學生經(jīng)歷科學探究過程，體會科學研究方法，養(yǎng)成科學思維習慣，增強創(chuàng)新意識和實踐能力.通過高中物理課程的學習，學生要具有建構模型的意識和能力;能運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關問題進行科學推理、找出規(guī)律、形成結論[1].

“數(shù)據(jù)模型”是筆者在日常工作中為解決物理教學中遇到的一些難點問題嘗試使用的一種方法，對學生理解基本概念，培養(yǎng)學生建立模型的意識和能力起到了良好的效果.數(shù)據(jù)模型包括數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)圖象、函數(shù)式或文字表述，數(shù)據(jù)表格是通過一系列的數(shù)據(jù)顯示其變化，數(shù)據(jù)圖象是通過圖象直觀地呈現(xiàn)變化規(guī)律，函數(shù)式是通過數(shù)學的方法把零散的數(shù)據(jù)用函數(shù)的形式對物理規(guī)律凝練和總結，是對物理規(guī)律高度的定量概括.數(shù)據(jù)模型符合學生由淺入深的認知規(guī)律，利用數(shù)據(jù)模型可以把物理規(guī)律的動態(tài)變化進行具體的描述，把晦澀難懂的定性描述轉化成定量的具體展示，把抽象的物理規(guī)律通過數(shù)據(jù)、圖象、函數(shù)的方式由簡到難，由表入里地直觀呈現(xiàn)給學生.數(shù)據(jù)模型是運用科學思維方法，從定性和定量兩個方面對相關問題進行科學推理，找出規(guī)律，形成結論.

1?構建“數(shù)據(jù)模型”加深學生對物理概念的理解

物理概念基本都是文字式的描述，字數(shù)不多，高度概括，對事物的描述抽象，這種描述有很多的專業(yè)術語，剛接觸時學生不易接受和理解.同時學生在學習過程中各物理概念之間是割裂的，不能把物理概念緊密地聯(lián)系在一起，沒有養(yǎng)成知識點之間橫向比較和縱向對比的習慣，分辨不出各自之間的區(qū)別.要深入理解物理概念，首要的是要知道引入這個物理概念是要解決什么物理問題，在知道為什么要引入某個物理概念的基礎之上，此時可以利用“數(shù)據(jù)模型”深入剖析物理概念的內(nèi)涵和外延.

勻變速直線運動的定義是沿著一條直線，且加速度不變的運動.對于很多同學來說，剛學完加速度的內(nèi)容，對于加速度的理解可能還不透徹，此時用簡短的文字就給出勻變速直線運動的定義，學生理解上是有困難的，為了更好地理解什么是勻變速直線運動，我們可以利用數(shù)據(jù)模型突破這個難點，不僅可以加深對加速度的理解，同時還可以對更為復雜的運動進行研究和拓展.本文以勻加速直線運動和變加速直線運動為例，通過對比用數(shù)據(jù)模型讓學生對勻加速直線運動和加速度概念有更深刻的理解.

1.1?勻加速直線運動 “數(shù)據(jù)模型”教學

數(shù)據(jù)分析：從表1中學生很容易知道速度的大小每秒鐘增加2m/s，通過具體的數(shù)據(jù)學生可以深刻地理解什么叫均勻增加，結合圖1直觀地把數(shù)據(jù)變化呈現(xiàn)給學生，讓學生了解均勻變化在圖象當中的具體形式，明白圖象中線性關系的含義，同時對勻加速直線運動中“勻”和“加速”所表達的含義有更清晰的認識.

1.2?變加速直線運動“數(shù)據(jù)模型”教學

數(shù)據(jù)分析：對比表1和表2學生很容易找到兩者之間的差別，數(shù)據(jù)表2中的速度雖然也在不斷增加，但不像數(shù)據(jù)表1中的數(shù)據(jù)是均勻增加，結合數(shù)據(jù)分析：第1秒速度增加了2 m/s，第2秒速度增加了3m/s，第3秒速度增加了4m/s，每秒速度增加的量越來越大，速度的大小不是均勻變化的，變化量是在逐漸增大.

以上的數(shù)據(jù)雖然不是建立在學生實驗的基礎之上的，但在教學過程中使用便于分析的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)——圖象——數(shù)據(jù)分析等一系列過程，不僅可以加深學生對物理概念的理解，還可以讓學生掌握分析問題、解決物理問題的一般方法.

2?構建數(shù)據(jù)模型讓學生熟練掌握物理規(guī)律的應用

物理規(guī)律是基于觀察與實驗，建構物理模型，應用數(shù)學等工具，通過科學推理和論證，形成系統(tǒng)的理論體系，反映的是各物理概念之間的必然聯(lián)系.所以物理規(guī)律的學習比物理概念的學習難度更高，挑戰(zhàn)更大，這就需要教師通過分解學習過程，清晰地呈現(xiàn)物理規(guī)律中的變化過程，從而降低學生的學習難度.

高中階段摩擦力分為靜摩擦力和滑動摩擦力，靜摩擦力的大小是動態(tài)變化的，會隨著外力的增加而增加，學生很容易把靜摩擦力和滑動摩擦力相混淆.通過“數(shù)據(jù)模型”的教學不僅可以讓學生清楚地知道靜摩擦力和滑動摩擦力的特點，而且能更好地區(qū)分靜摩擦力和滑動摩擦力. 牛頓第二定律是實驗定律，內(nèi)容是物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比，與它的質量成反比，加速度的方向跟力的方向相同.學生對“物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比”這句話理解時有一定困難，在使用牛頓第二定律時不知道作用力是物體受到的那個力，同學們更多地認為作用力就是拉力或牽引力.之所以會產(chǎn)生這種錯誤的認識，是源于學生沒有真正理解運動與力之間的數(shù)學關系，通過“數(shù)據(jù)模型”的教學方式可以向學生清晰地展示其中的變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系.

2.1?摩擦力“數(shù)據(jù)模型”教學

數(shù)據(jù)分析：結合教材中拉彈簧的實驗，我們可以得到一組數(shù)據(jù)，從表3中我們可以清晰地看到物體所受的牽引力、摩擦力和運動之間的關系，當木塊靜止時所受到的摩擦力是靜摩擦力，此時的摩擦力大小等于拉力，摩擦力的大小會隨著外力的增大而增大，其中靜摩擦力有最大值，當拉力大于最大靜摩擦力時，物體開始運動，此時摩擦力變成滑動摩擦力，而且滑動摩擦力又小于最大靜摩擦力，并且滑動摩擦力的大小不再發(fā)生變化.

2.2?牛頓第二定律“數(shù)據(jù)模型”教學

如圖4所示，質量為1103kg的汽車靜止在水平面上，汽車的牽引力逐漸增加，在水平的公路上沿直線行駛，所受阻力為2.5 103N.求：汽車前進時的加速度.

根據(jù)題目的文字描述，教師首先需要給學生建立直觀的物理情景，把文字轉化成生活中具體的場景，這就需要先對物體受力分析如圖4所示，小車受水平向右的牽引力和水平向左的阻力，接下來為了讓學生對運動和力的關系有一個清晰的認識，教師可以通過數(shù)據(jù)表格4把F、f和a的一一對應關系展示給學生，從表格4中的數(shù)據(jù)學生可以知道當F

數(shù)據(jù)模型是把數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析和數(shù)學建模綜合的一種方法，是研究物理問題的一般程序，通過數(shù)據(jù)模型可以讓學生熟練掌握物理規(guī)律的應用.

3?構建“數(shù)據(jù)模型”培養(yǎng)學生建立模型的意識和能力

物理的學習是通過物理概念、物理規(guī)律的學習，培養(yǎng)學生構建模型的意識和能力，學好物理的關鍵是要有發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，而構建物理模型是分析問題和解決問題的重要手段.物理模型的構建離不開數(shù)學模型的建立，數(shù)據(jù)模型是數(shù)學模型的雛形，通過數(shù)據(jù)模型的應用可以培養(yǎng)學生構建模型的意識和能力.

平拋運動是相對于勻加速直線運動更為復雜的一種運動，之所以復雜在于，其大小和方向時刻都在發(fā)生變化，運動由之前的一維運動上升至二維運動，超出了學生以往的運動認知經(jīng)驗，學生在學習這部分內(nèi)容的時候很吃力，會有很多疑問.尤其對于平拋運動是勻加速曲線運動很難理解，教師可以讓學生通過“數(shù)據(jù)模型”嘗試自己分析.

3.1?平拋運動“數(shù)據(jù)模型”的教學

3.2?數(shù)據(jù)分析

根據(jù)平拋運動的規(guī)律，教師可以把每一時刻的水平速度、豎直速度和合速度在表5中展現(xiàn)，結合圖象6學生可以清晰地看到平拋運動單位時間內(nèi)速度的變化量即是豎直方向的變化量，所以平拋運動是勻加速曲線運動.

4?結束語

人類在探索物理規(guī)律的過程中逐漸形成了物理學研究的基本方法.學生認識物理規(guī)律的過程也相當于一個探索與研究的過程.因此，物理規(guī)律的教學方法與物理學的研究方法大體上是一致的.物理規(guī)律是觀察、實驗、思維和數(shù)學推理相結合的產(chǎn)物，構建“數(shù)據(jù)模型”可以把數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、規(guī)律總結密切結合在一起，從而培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，提升學生的科學思維.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2019-09-12）