掀開情境面紗 建構物理模型

張曉斌

（福安市第一中學，福建 福安 355000）

隨著2017 版普通高中課程標準的頒布，高考內容改革隨之全方面推進，“一體四層四翼”深入人心。“知識立意、能力立意、素養立意”成為高考命題實現考查目標的依據。物理學科的5 個關鍵能力，其中一個便是模型建構能力。20 世紀初，國外就有許多學者開始研究模型以及模型教學，這些研究也在啟發著國內學者。近年來國內學者結合我國教學的特點也對模型教學進行了深入的探索與研究。通過知網數據庫在基礎科學的物理學中搜索關鍵詞“模型”，發現有48734 條相關文獻，在基礎教育期刊（高中）中搜索主題“物理模型”，發現有3700 條相關文獻，由此可知物理模型建構一直以來都是研究焦點。

一、問題的提出

模型建構能力是物理教學中培養學生的關鍵能力之一，對促進學生理解科學知識、科學方法以及科學本質具有深刻意義。2019 年出版的《高考評價體系說明》中明確提出“基于已有的實證調研和文獻分析研究結果，高考通過設置不同層級的情境活動來考查學生在‘四層’內容上的表現水平”。因此如何剖析不同層級的情境將物理模型建構出來就是解決物理問題的一個重要突破口。《高考評價體系說明》將情境分成兩類“生活實踐情境”和“學習探索情境”，前者與物理中的模型關聯大，考查學生的科學思維素養，后者則強調科學探究素養。高考題如何體現情境，解題時考生又如何撥開情境建立模型解決物理問題？本文將從“生活實踐情境”出發，以高考題為例分析“去情境、建模型”。

二、剖析“生活實踐情境”，建構物理模型

自物理模型提出以來，就有大量的教師、學者對模型進行分類。其中黃書鵬、汪崇渝、張濱等人將物理模型分為兩種：理想模型和實物模型。理想模型包含了對象模型、條件模型、過程模型、理論模型以及問題模型。［1］對象模型往往作為一個支點以研究對象的形式穿插在其他模型中，例如質點、點電荷等。理論模型則常在天體運動中考查，例如宇宙大爆炸理論，黑洞模型等；考查最多的則是條件、過程、問題模型，這些模型與日常生活以及生產實踐密切相關，考查學生運用所學知識解釋生活中的現象、解決生產實踐中的問題的能力。

基于情境的復雜程度，高考評價體系中的情境活動可以分為兩層。第一層是簡單的情境活動。此類情境活動中，需要啟動的是單一的認知活動，即面對問題時只需要調動某一知識點或某種基本能力便可解決。因此，通過這類情境測評出的是學生基本的知識和能力水平。第二層是復雜的情境活動。此類情境活動涉及的是復雜的認知活動，主要考查學生綜合運用知識和能力應對復雜問題的水平。

（一）生活實踐情境中的條件模型

條件模型是指舍去問題中的次要因素，抓住主要因素，分析問題的本質，將研究對象的外部條件理想化建立簡單的物理模型。例如：光滑、輕繩、輕桿、輕彈簧、彈性正碰等條件模型。

［例1］2019 年全國III 卷第16 題：用卡車運輸質量為m 的勻質圓筒狀工件，為使工件保持固定，將其置于兩光滑斜面之間，如圖1 所示。兩斜面I、Ⅱ固定在車上，傾角分別為30°和60°。重力加速度為g。當卡車沿平直公路勻速行駛時，圓筒對斜面I、Ⅱ壓力的大小分別為F1、F2，則

圖1

［答案］D

［情境與模型］

本題依托在卡車運輸工件的生活情景中，將實際生活中的外部條件理想化，創設了一個斜面光滑的條件模型。在解決物理問題時又忽略圓筒形狀和大小將圓筒看作質點，建立了質點模型。此時再對圓筒受力分析便可得出此題要考查的知識點為三個共點力的平衡問題。知道考點結合數學中的幾何知識便可得出圓筒所受支持力與重力的關系，由此找到本題突破口。此類情境屬于第一層簡單情境，只需調動共點力平衡的知識利用三角函數關系便可求出相應的物理量。

（二）生活實踐情境中的過程模型

過程模型顧名思義就是將物理過程建立一個模型來分析。在建立模型時需將一個復雜的過程根據研究問題的需要忽略次要因素抓住主要因素進行理想化后抽象出一個相對簡單的物理過程。例如：勻變速直線運動模型、勻速圓周運動模型、簡諧運動模型等。

［例2］2019 年全國I 卷第18 題：如圖2 所示，籃球架下的運動員原地垂直起跳扣籃，離地后重心上升的最大高度為H。上升第一個所用的時間為t1，第四個所用的時間為t2。不計空氣阻力，則滿足

圖2

［答案］C

［情境與模型］

本題依托在籃球架下的運動員起跳扣籃的情境下，將實際扣籃運動理想化成垂直起跳，不計空氣阻力，建構了一個豎直上拋運動的過程模型，而豎直上拋運動到達最高點的逆過程是初速度為0 的勻加速直線運動模型。根據初速度為0 的勻加速直線運動，相鄰相等位移的時間比為1：

則可得出答案。此類情境屬于第二類復雜情境，此題除了建構出豎直上拋模型，還要曉得豎直上拋到最高點的逆過程是自由落體，并結合相應的比例式進行綜合分析才能得到正確的選項。

（三）生活實踐情境中的問題模型

問題模型反映了特定的物理問題、事物結構以及物理本質，蘊含解決這類物理問題的物理知識、方法以及技巧，提供了解決這類問題的一般思路與步驟。［2］例如：板塊問題模型、連接體問題模型、汽車追及與相遇問題模型、傳送帶問題模型等。

［例3］2015 年全國II 卷第25 題：下暴雨時，有時會發生山體滑坡或泥石流等地質災害。某地有一傾角為θ=37°（sin37°=0.6）的山坡C，上面有一質量為m的石板B，其上下表面與斜坡平行；B 上有一碎石堆A（含有大量泥土），A 和B 均處于靜止狀態，如圖3 所示。假設某次暴雨中，A 浸透雨水后總質量也為m（可視為質量不變的滑塊），在極短時間內，A、B 間的動摩擦因數μ1減小為，B、C 間的動摩擦因數μ2減小為0.5，A、B 開始運動，此時刻為計時起點；在第2s 末，B的上表面突然變為光滑，μ2保持不變。已知A 開始運動時，A 離B 下邊緣的距離l=27m，C 足夠長，設最大靜摩擦力等于滑動摩擦力。重力加速度大小g 取10m/s2。求：

（1）在0～2s 時間內A 和B 加速度的大小；

（2）A 在B 上總的運動時間。

圖3

［答案］（1）A 和B 加速度的大小分別為3m/s2和1m/s2；（2）A 在B 上總的運動時間為4s。

［情境與模型］

本題依托在暴雨時的泥石流或山體滑坡的自然情境中，理想化泥土和石板，建構了一個板塊問題的模型。此模型考查了牛頓運動定律的綜合應用和勻變速直線運動的位移與時間的關系，對學生建構的板塊模型多過程的分析要求高，思維量大。此類情境屬于第二類復雜情境，此題建構出的板塊模型本就屬于高中知識的難點部分。此題情境多變，過程多樣，要求學生冷靜分析，很好地考查了學生的理解能力、推理論證能力、模型建構能力。

三、明確關鍵詞撥開情境建模型

情境作為串接金線（核心功能）和銀線（能力素養）的載體已在高考命題當中體現出來。物理模型的建構是基于真實的生活情境，因而要想撥開情境就要明確物理模型的基本特征。從情境的切入模型的建構都離不開審題過程中對關鍵詞的分析。

條件模型特征對應的關鍵詞如：“勻質”“光滑”“輕繩”“輕桿”“輕彈簧”“彈性正碰”等；過程模型特征對應的關鍵詞如：拋體運動中的“忽略空氣阻力”、圓周運動的“圓軌道”等；問題模型特征對應的關鍵詞如：板塊問題模型的“滑塊與木板”、傳送帶問題模型的“傳送帶”、行星共線問題的“沖日、凌日、合日”等。

簡而言之，我們可以將撥開情境建模性的過程用下圖4 簡單表示出來。

圖4

四、結語

高考以生活實踐問題情境與學習探索問題情境為載體，回歸人類知識生產過程的本源，還原知識應用的實際過程，符合人類知識再生產過程的規律。通過對情境的分析忽略次要因素，抓住主要因素，建立物理模型不僅可以對物理知識有更深刻的理解，同時讓學生從解題向解決問題轉變，感受物理知識在生活中的應用。因此在高中物理課程教學中，顯化物理科學模型的教育，將會提高教師的教學水平，發展學生的綜合能力。