物理建模教學的有效實施途徑探究

李濤

《普通高中物理課程標準（2017版）》在物理核心素養的水平劃分中，對高中學生通過物理課程學習要具有建模能力提出了明確要求，并細化為五個進階水平：能說出一些簡單的物理模型;能在熟悉的問題情境中應用常見的物理模型;能在熟悉的問題情境中根據需要選用恰當的模型解決簡單物理問題;能將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型;能將較復雜的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型。基于此，結合當前一線高中物理教學的實際，我覺得在高中物理教學中，提升學生的建模能力，具有十分重要的意義。

一、物理模型的內涵

物理模型是根據研究的問題和內容，在一定條件下對研究客體的抽象，是從多維的具體圖像中，抓住最具有本質特征的圖像，建立一個易于研究、能從主要方面反映研究客體的新圖像。科學家在做研究工作時，往往把研究對象抽象為理想模型，建模方法是科學研究的常用方法，模型思維是一種重要的科學思維，創設基于建模的科學學習環境，有利于學生建模思維的發展。學生科學思維的發展、物理觀念的構建、科學探究能力的形成、未來出色的科研能力都需要學生在求學過程中進行思維的深度參與。建模思想及建模過程對學生的思維訓練具有得天獨厚的功能，它能讓高中生在學習中體驗物理學家的核心活動、核心工作、核心思想。因此，物理建模教學對學生一生的發展與成就有著重要育人作用。

二、缺少建模教學引發的問題

筆者曾經將一道“題設問題”（指教師將復雜的實際情境去掉，經過人為的簡化、抽象加工后，通過給定物理量，人為設問，編寫出來的問題）與一道“實際問題”（指現實情境中客觀存在、尚未被抽象、簡化、加工的真實問題），放在同一份考卷中選擇一個班（52人）的學生解答，結果讓人意外，如表1所示。

從對比中可以看出，學生對題設問題完成較好，這類問題對知識的掌握、解題套路的形成有其獨到的作用，但面對實際問題時，學生已掌握好的知識、方法卻不能有效應用，僅有這些知識，學生無法形成處理實際問題的能力，更不用說創新能力了。由此可見，解決實際問題，更能考查學生能力的真實性與客觀性。為什么會出現以上問題？主要存在兩方面原因。

1. 題設問題與實際問題所包含的信息量不同（如圖1）。

2. 分析題設問題與分析實際問題所需要的心智特質不同（見下頁圖2）。

從圖2可以看出，學生的做題過程僅僅完成了物理探究工作中的很少一部分。如果平時的教學，比較突出訓練學生的題設問題，一旦遇到實際問題，學生由于缺少分析與綜合、抽象與概括、比較與分類、邏輯推理等方面的訓練，面對問題將無所適從，往往束手無策。

楊振寧教授針對一線物理教學，曾經一針見血地指出：“很多學生在物理學習中形成一種印象，以為物理學就是一些演算。演算是物理學的一部分，但不是最重要的部分，物理學最重要的部分是與現象有關的。絕大部分物理學是從現象中來的，現象是物理學的根源。一個人不與現象接觸不一定不能做重要的工作，但是他容易誤入形式主義的歧途;他對物理學的了解不會是切中要害的。”他從根本上回答了物理教學的本質和物理教學的源頭問題。

三、建模教學的有效實施途徑

傳統教學中的題設問題教學，主觀因素太多，從條件到設問均是人為設置的。這就導致物理知識原始情境的真實性發生了偏離，導致學生長期受到這種訓練的內在認知心理和外在行為表現，與科學家、物理學家解決實際問題過程中的認知心理和外在行為表現相差甚遠。

1. 建模教學的基本流程設計

物理建模過程是一項復雜的思維體驗過程，有著明顯的過程性和進階性，建模需要建模知識積累、經驗儲備、思維的邏輯性等基礎條件。因此，物理模型教學，不能僅僅把各類模型的定義教給學生，學生的建模能力需要在“經歷、體驗中”習得，在師生互動、生生互動中提升。建模教學的基本過程流程如圖3所示。

2. 以流體模型構建為例

展示情境：如圖4，某旅游景點有一噴泉，噴出的水柱將一玩具滑板車穩定地懸停在空中，試分析滑板車距離噴口的高度與哪些因素有關。

這是一個有趣的生活現象，現象中包含實際問題，問題中的物理量及現象所遵循的物理規律均隱藏在實際問題中，學生要成功解決問題需要完成三項工作：問題表述，物理建模，分析解決問題。在執行以上物理建模教學流程的過程中，教師除了要控制好點撥時機和講解節奏外，還要設計好能促進學生思考的系列問題。例如：

A. 為什么滑板車能穩定地懸停在空中？引導學生對滑板車進行受力分析和運動狀態分析。引導學生思考：水對滑板車的沖擊力與滑板車的重力平衡，建立 F沖=■模型。

B. F沖是水對滑板的沖擊產生，如果取沖擊滑板車的水為研究對象，與以往選取的研究對象相比，有何特點？為了方便解決問題，應該如何處理？引導學生思考：研究對象——水是流體模型，不是學生熟悉的理想模型（質點），進一步引導學生科學思考這一問題——微元思想。設噴口的橫截面積為s，水噴出的初速度為v0，則？駐t時間內，從噴口噴出的水的質量為？駐m， ？駐m= ？籽v0 ？駐ts，這一步是關鍵點，同時也是難點，要組織學生深度討論，合作學習。

C. ？駐m的水，沖擊滑板時的沖擊速度v多大？引導學生建立方程：v2-v20=-2gh.

D. ？駐m的水沖擊滑板遵循什么規律？引導學生建立方程：F沖？駐t=0-（-？駐mv）

E. 滑板車距離噴口的高度與那些因素有關？引導學生整理后得到：h=■-■.

F. 總結流體模型的規律：微元思想解決非理想模型研究對象問題。

物理建模需要學生穩定的內在思維素養和外在行為表現，學生內在思維素養具有隱性特征，無法直接診斷，教師可以采用“思維導圖法”和“口述報告法”將隱性思維顯性化，將學生的科學思維與技巧訓練到位，物理建模的核心問題就得到了較好的解決。

物理建模教學需要師生付出更多的時間和精力，但其在知識容量的積累、知識鞏固、熟練程度上的效率沒有講、練、考三位一體的做法好。因此，我們在教學中需要從常規教學和建模教學中找到平衡點。引入建模教學，讓學生模擬物理學家探究的心智歷程，把學生導入物理學家進行物理研究的原點和真實情景中，激發了學生的求知欲望和興趣，提高了解決實際問題的能力和創新能力，使物理教學真正回到本質和源頭上。

責任編輯 羅 峰