模型構(gòu)建在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究

夏雪芬

(江蘇省儀征市儀征中學(xué)，江蘇 儀征 211400)

0 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出，學(xué)生應(yīng)具有“建構(gòu)模型的意識和能力”。模型是對物理現(xiàn)象的模仿和抽象，融入了人們對事物本質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識，展現(xiàn)了對各要素之間關(guān)系的理解。建模法是物理學(xué)習(xí)與研究的重要方法，集中體現(xiàn)了物理學(xué)科的精髓。在高中物理教學(xué)中應(yīng)用模型構(gòu)建，能夠提升知識學(xué)習(xí)的效率，并讓學(xué)生在過程和方法的維度得到提升，形成有效的學(xué)習(xí)策略。本文結(jié)合教育實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探討如何在高中物理教學(xué)中應(yīng)用模型構(gòu)建。

1 模型構(gòu)建在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究

1.1 基于科學(xué)思維，明確模型構(gòu)建過程

模型的構(gòu)建中融入了科學(xué)思維，是個體有條理展開思考的結(jié)果。在以往的教學(xué)中，雖然學(xué)生跟隨教師利用建模解決實(shí)際問題，但是學(xué)生對“建模”的方法并未形成自主意識。因此教師要運(yùn)用“顯性化”的方法，讓學(xué)生認(rèn)識模型構(gòu)建中的思維步驟，形成清晰的思維路線。在構(gòu)建模型時(shí)，首先要將物理現(xiàn)象簡化并以可視的方式顯示，使之以符號化的語言展現(xiàn)出來。如在將受力物體簡化為一個質(zhì)點(diǎn)，將地面簡化為水平面，將原子躍遷的輻射光簡化為箭頭等等。這些符號化的表征語言要符合一般性的模型構(gòu)建習(xí)慣，具有便于分析的特點(diǎn)；其次，運(yùn)用理性思維分析模型，明確模型之中物體的狀態(tài)，及其與環(huán)境的關(guān)系，了解系統(tǒng)中不同部分之間的聯(lián)系；最后，在模型圖中標(biāo)記物理量，如受力的方向、光折射的角度等等，增添更為豐富的信息。教師要讓學(xué)生熟悉模型是如何產(chǎn)生的，了解模型是描述物理現(xiàn)象的一種方式，明確模型建構(gòu)的過程[1]。

1.2 巧用課內(nèi)素材，培養(yǎng)學(xué)生建模意識

各種建構(gòu)教學(xué)都是建立在已有模型基礎(chǔ)上的，因此在物理建模教學(xué)中要注意充分利用教科書中的素材，讓學(xué)生通過模型學(xué)習(xí)基本知識，進(jìn)而了解模型是物理學(xué)科中不可或缺的要素。教材中顯示的模型密切結(jié)合基本知識，具有易于理解的特征，因此是開展模型教學(xué)的適宜切入點(diǎn)。例如，在高一物理有關(guān)“合力”和“分力”概念的內(nèi)容中，課本使用兩個圖展示概念。一幅圖顯示了向左右兩個方向提水，和單獨(dú)向上提水的情境；另一幅顯示了用兩根線在左右分別懸掛吊燈，和一根線單獨(dú)向上懸掛吊燈的情境。教材通過這兩個情境，直觀地說明什么是合力和分力，并展示了兩個概念之間的關(guān)系。這兩幅圖就是最基本的模型，它們用簡潔的圖畫、符號表征概念，可以有效地促進(jìn)理解。在教學(xué)中，可以先由教師描述一個情境模型，運(yùn)用語言解說情境表示的意義，然后講解概念。其次，引導(dǎo)學(xué)生參考教師的方法，描述另一個情境模型，通過語言表達(dá)提升思維品質(zhì)。借助這種方式，可以讓學(xué)生高效建構(gòu)概念，同時(shí)了解模型的表征性意義，促進(jìn)學(xué)生形成建模意識。

1.3 結(jié)合物理知識，應(yīng)用模型解決問題

1.3.1 分析生活情境，構(gòu)建抽象模型

高中物理教學(xué)中的問題來自生活，大多要求根據(jù)一定的已知條件推導(dǎo)未知的條件。建模是以模型解決問題的開端，有了模型之后，對問題本身的探究就轉(zhuǎn)化為對抽象模型的探究，可以令解題思路更為明朗。個體可以從物理模型中提取各種事實(shí)和數(shù)據(jù)，再進(jìn)行推理、運(yùn)算，得出結(jié)論。教師可以與學(xué)生一起分析問題，結(jié)合所學(xué)物理知識探析其中各個變量之間的關(guān)系，再運(yùn)用符號化的方法，將直觀的生活情境轉(zhuǎn)化為抽象情境。

在一段高速公路的轉(zhuǎn)彎處，路面外高內(nèi)低。路面與水平面間的夾角是θ，設(shè)轉(zhuǎn)彎路段是半徑為R 的圓弧，要使車速為v時(shí)車輪與路面之間的橫向摩擦力等于零。夾角θ的正切值等于（）。

以上問題描述了車在公路上轉(zhuǎn)彎的情境，該路段不是水平面，車作曲線運(yùn)動。在教學(xué)本題時(shí)，可以同學(xué)生一起分析本題，先確定一個角度為θ的路面結(jié)構(gòu)，然后將汽車抽象為并列的兩個符號，并以中部為受力點(diǎn)，再分析汽車的受力情況，構(gòu)建起如下的情境模型。

如圖1 所示，汽車受到一個與水平面垂直的支持力和一個重力，兩個力形成的合力為汽車提供向心力。結(jié)合有關(guān)三角函數(shù)和向心力計(jì)算方法的知識，可知,，兩式相比可得.這個問題起初并未提供模型圖，要求學(xué)生根據(jù)知識構(gòu)建模型。使用的模型是根據(jù)文字描述抽象而來，是對生活情境的符號化表達(dá)。經(jīng)過建模以后，令問題的層次變得更為清晰。[2]在高中物理教學(xué)中多開展這類建模訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生的理性思維和理解能力。

圖1 汽車受力圖

1.3.2 運(yùn)用基本原理，深度分析模型

在一些問題中已經(jīng)給出了圖片模型，在這種情況下，教師可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用物理學(xué)科中的基本原理，深度分析模型，解析模型中的意義，以如下習(xí)題為例。

如圖所示，物體A、B 的質(zhì)量分別為m、2m，物體B 置于水平面上，B 物體上部半圓形槽的半徑為R，將物體A(可視為質(zhì)點(diǎn))從圓槽右側(cè)頂端由靜止釋放，一切摩擦均不計(jì)，則()

圖2 圖例

本題中給出的模型是靜止的，在分析情境時(shí)要從靜態(tài)圖片中看出動態(tài)的過程。教師要引導(dǎo)學(xué)生分析情境，讓學(xué)生通過情境還原小球在圓槽內(nèi)滾動的狀態(tài)。通過分析，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)動過程不計(jì)一切摩擦，故由能量守恒可得：系統(tǒng)機(jī)械能守恒，且A、B 整體在水平方向上合外力為零，故在水平方向上動量守恒，所以mvA－2mvB＝0，即vA＝2vB，則A 在B 圓槽的左側(cè)運(yùn)動到最高點(diǎn)時(shí)，A、B 的速度都為零，所以A 可以到達(dá)B 圓槽的左側(cè)最高點(diǎn)，故A 錯誤；由上述得vA＝2vB，A 的水平速度向左，B 的水平速度向右；又有A 在水平方向的最大位移和B 在水平方向上的最大位移之和為2R，故B 向右運(yùn)動的最大位移大小為，故D 正確；對A運(yùn)動到圓槽的最低點(diǎn)的運(yùn)動過程中，對A、B 整體應(yīng)用機(jī)械能守恒可得：mgR＝；所以A 運(yùn)動到圓槽的最低點(diǎn)時(shí)B 的速率為：vB＝A的速率為：vA＝2vB＝故B、C 錯誤.以上信息均來自模型，是運(yùn)用物理知識對模型做細(xì)致解讀的結(jié)果。多引導(dǎo)學(xué)生用這種方式分析模型，可以提升學(xué)生的建模能力，同時(shí)可反過來強(qiáng)化學(xué)生的基礎(chǔ)知識。

1.4 注重總結(jié)歸納，提煉模型共有特征

高中物理課程中的模型數(shù)量很多，但大多基于一些常見的物理模型產(chǎn)生，是常見模型的變式。[3]從共有的規(guī)律出發(fā)，會基于不同的物理現(xiàn)象產(chǎn)生多種多樣的模型。隨著知識的分解演化以及情境的轉(zhuǎn)變，衍生出大量的情境。因此，教師在教學(xué)中要注重總結(jié)歸納，從中提煉出幾個基本類型，并結(jié)合物理知識對其共有特征進(jìn)行分析，同時(shí)可以將模型進(jìn)一步按條件細(xì)分，讓學(xué)生形成系統(tǒng)化的知識，熟悉模型的不同變式。

2 高中物理教學(xué)中應(yīng)用模型構(gòu)建的注意事項(xiàng)

2.1 以基礎(chǔ)知識為教學(xué)依據(jù)

在講解分析模型時(shí)，要以高中物理的基礎(chǔ)知識為依據(jù)，而非僅僅解析模型。高中物理知識具有很強(qiáng)的邏輯性，通過幾個基本的定律可以推導(dǎo)出大量的結(jié)論，產(chǎn)生豐富的知識體系。各類模型是由物理知識與生活、抽象語言結(jié)合得來，同樣是物理基本定律的產(chǎn)物。模型是根據(jù)物理知識解析情境的結(jié)果，只有牢固掌握知識才能保障模型的正確性。如以上的兩個模型中運(yùn)用了牛頓第三運(yùn)動定律、能量守恒定律，只有掌握這兩個物理定律才能正確地構(gòu)建模型。教師要緊扣知識、回歸課本教學(xué)，讓學(xué)生理解模型的意義。對模型的分析，也能夠反過來強(qiáng)化學(xué)生的基礎(chǔ)知識，讓學(xué)生通過符號化的語言進(jìn)一步加深對物理定律的理解。

2.2 通過交流討論促進(jìn)理解

交流討論可以促進(jìn)學(xué)生思維的碰撞，通過同伴互動促進(jìn)學(xué)生更好地理解情境，加深對情境的認(rèn)識。對于模型的思考、分析和建構(gòu)，許多物理基礎(chǔ)知識不扎實(shí)的學(xué)生，面對模型時(shí)經(jīng)常一頭霧水。如果參與交流討論，可以激活學(xué)生思維的活力，讓學(xué)生掌握分析模型的正確方法。教師在開展教學(xué)時(shí)可以多使用提問法，讓學(xué)生根據(jù)問題說一說物體的受力狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生分析情境中各個變量、各個符號之間的關(guān)聯(lián)，以情境分析起到思維訓(xùn)練的作用。在教學(xué)中要注重創(chuàng)設(shè)寬松的氛圍，引導(dǎo)盡可能多的學(xué)生參與互動，從中獲得提升。如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在思維誤區(qū)，可以有效利用錯誤資源，引導(dǎo)學(xué)生通過自我陳述、自我發(fā)現(xiàn)找出思維誤區(qū)，進(jìn)而形成“元認(rèn)知”能力，提高學(xué)生分析物理情境的能力。

2.3 引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識建模方法

笛卡爾說過：“最有價(jià)值的知識是關(guān)于方法的知識。”構(gòu)建模型是高中物理學(xué)習(xí)與研究的一項(xiàng)基本方法，體現(xiàn)了物理學(xué)科的精髓，教師要引導(dǎo)學(xué)生從“方法”的維度認(rèn)知模型。在開展建模教學(xué)時(shí)，除了讓學(xué)生了解具體情境表達(dá)的物理意義之外，更要讓學(xué)生在普遍的層次上領(lǐng)悟建模方法，感知建模對于分析問題、解決問題的重要價(jià)值。在分析情境之后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生對整個思路進(jìn)行回溯和提煉，讓學(xué)生自行總結(jié)出一種分析情境的思維方法。

3 結(jié)語

模型構(gòu)建與高中物理教學(xué)是不可分離的，體現(xiàn)了物理學(xué)科的本質(zhì)規(guī)律，運(yùn)用于教學(xué)中具有旺盛的生命力。在開展教學(xué)時(shí)，要注重讓學(xué)生理解模型背后的思維模式，并將其與解決實(shí)際問題結(jié)合起來，同時(shí)應(yīng)注重對模型類型的總結(jié)，以提升學(xué)生的建模意識和能力。