模型構建在高中物理教學中的應用研究

夏雪芬

(江蘇省儀征市儀征中學，江蘇 儀征 211400)

0 引言

《普通高中物理課程標準》中提出，學生應具有“建構模型的意識和能力”。模型是對物理現象的模仿和抽象，融入了人們對事物本質規律的認識，展現了對各要素之間關系的理解。建模法是物理學習與研究的重要方法，集中體現了物理學科的精髓。在高中物理教學中應用模型構建，能夠提升知識學習的效率，并讓學生在過程和方法的維度得到提升，形成有效的學習策略。本文結合教育實踐經驗，探討如何在高中物理教學中應用模型構建。

1 模型構建在高中物理教學中的應用研究

1.1 基于科學思維，明確模型構建過程

模型的構建中融入了科學思維，是個體有條理展開思考的結果。在以往的教學中，雖然學生跟隨教師利用建模解決實際問題，但是學生對“建?！钡姆椒ú⑽葱纬勺灾饕庾R。因此教師要運用“顯性化”的方法，讓學生認識模型構建中的思維步驟，形成清晰的思維路線。在構建模型時，首先要將物理現象簡化并以可視的方式顯示，使之以符號化的語言展現出來。如在將受力物體簡化為一個質點，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建習慣，具有便于分析的特點；其次，運用理性思維分析模型，明確模型之中物體的狀態，及其與環境的關系，了解系統中不同部分之間的聯系；最后，在模型圖中標記物理量，如受力的方向、光折射的角度等等，增添更為豐富的信息。教師要讓學生熟悉模型是如何產生的，了解模型是描述物理現象的一種方式，明確模型建構的過程[1]。

1.2 巧用課內素材，培養學生建模意識

各種建構教學都是建立在已有模型基礎上的，因此在物理建模教學中要注意充分利用教科書中的素材，讓學生通過模型學習基本知識，進而了解模型是物理學科中不可或缺的要素。教材中顯示的模型密切結合基本知識，具有易于理解的特征，因此是開展模型教學的適宜切入點。例如，在高一物理有關“合力”和“分力”概念的內容中，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，可以有效地促進理解。在教學中，可以先由教師描述一個情境模型，運用語言解說情境表示的意義，然后講解概念。其次，引導學生參考教師的方法，描述另一個情境模型，通過語言表達提升思維品質。借助這種方式，可以讓學生高效建構概念，同時了解模型的表征性意義，促進學生形成建模意識。

1.3 結合物理知識，應用模型解決問題

1.3.1 分析生活情境，構建抽象模型

高中物理教學中的問題來自生活，大多要求根據一定的已知條件推導未知的條件。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和數據，再進行推理、運算，得出結論。教師可以與學生一起分析問題，結合所學物理知識探析其中各個變量之間的關系，再運用符號化的方法，將直觀的生活情境轉化為抽象情境。

在一段高速公路的轉彎處，路面外高內低。路面與水平面間的夾角是θ，設轉彎路段是半徑為R 的圓弧，要使車速為v時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彎的情境，該路段不是水平面，車作曲線運動。在教學本題時，可以同學生一起分析本題，先確定一個角度為θ的路面結構，然后將汽車抽象為并列的兩個符號，并以中部為受力點，再分析汽車的受力情況，構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。結合有關三角函數和向心力計算方法的知識，可知,，兩式相比可得.這個問題起初并未提供模型圖，要求學生根據知識構建模型。使用的模型是根據文字描述抽象而來，是對生活情境的符號化表達。經過建模以后，令問題的層次變得更為清晰。[2]在高中物理教學中多開展這類建模訓練，可以培養學生的理性思維和理解能力。

圖1 汽車受力圖

1.3.2 運用基本原理，深度分析模型

在一些問題中已經給出了圖片模型，在這種情況下，教師可以引導學生運用物理學科中的基本原理，深度分析模型，解析模型中的意義，以如下習題為例。

如圖所示，物體A、B 的質量分別為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(可視為質點)從圓槽右側頂端由靜止釋放，一切摩擦均不計，則()

圖2 圖例

本題中給出的模型是靜止的，在分析情境時要從靜態圖片中看出動態的過程。教師要引導學生分析情境，讓學生通過情境還原小球在圓槽內滾動的狀態。通過分析，可以發現運動過程不計一切摩擦，故由能量守恒可得：系統機械能守恒，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 圓槽的左側運動到最高點時，A、B 的速度都為零，所以A 可以到達B 圓槽的左側最高點，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 向右運動的最大位移大小為，故D 正確；對A運動到圓槽的最低點的運動過程中，對A、B 整體應用機械能守恒可得：mgR＝；所以A 運動到圓槽的最低點時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，是運用物理知識對模型做細致解讀的結果。多引導學生用這種方式分析模型，可以提升學生的建模能力，同時可反過來強化學生的基礎知識。

1.4 注重總結歸納，提煉模型共有特征

高中物理課程中的模型數量很多，但大多基于一些常見的物理模型產生，是常見模型的變式。[3]從共有的規律出發，會基于不同的物理現象產生多種多樣的模型。隨著知識的分解演化以及情境的轉變，衍生出大量的情境。因此，教師在教學中要注重總結歸納，從中提煉出幾個基本類型，并結合物理知識對其共有特征進行分析，同時可以將模型進一步按條件細分，讓學生形成系統化的知識，熟悉模型的不同變式。

2 高中物理教學中應用模型構建的注意事項

2.1 以基礎知識為教學依據

在講解分析模型時，要以高中物理的基礎知識為依據，而非僅僅解析模型。高中物理知識具有很強的邏輯性，通過幾個基本的定律可以推導出大量的結論，產生豐富的知識體系。各類模型是由物理知識與生活、抽象語言結合得來，同樣是物理基本定律的產物。模型是根據物理知識解析情境的結果，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用了牛頓第三運動定律、能量守恒定律，只有掌握這兩個物理定律才能正確地構建模型。教師要緊扣知識、回歸課本教學，讓學生理解模型的意義。對模型的分析，也能夠反過來強化學生的基礎知識，讓學生通過符號化的語言進一步加深對物理定律的理解。

2.2 通過交流討論促進理解

交流討論可以促進學生思維的碰撞，通過同伴互動促進學生更好地理解情境，加深對情境的認識。對于模型的思考、分析和建構，許多物理基礎知識不扎實的學生，面對模型時經常一頭霧水。如果參與交流討論，可以激活學生思維的活力，讓學生掌握分析模型的正確方法。教師在開展教學時可以多使用提問法，讓學生根據問題說一說物體的受力狀態，引導學生分析情境中各個變量、各個符號之間的關聯，以情境分析起到思維訓練的作用。在教學中要注重創設寬松的氛圍，引導盡可能多的學生參與互動，從中獲得提升。如果發現學生存在思維誤區，可以有效利用錯誤資源，引導學生通過自我陳述、自我發現找出思維誤區，進而形成“元認知”能力，提高學生分析物理情境的能力。

2.3 引導學生認識建模方法

笛卡爾說過：“最有價值的知識是關于方法的知識?！睒嫿Ｐ褪歉咧形锢韺W習與研究的一項基本方法，體現了物理學科的精髓，教師要引導學生從“方法”的維度認知模型。在開展建模教學時，除了讓學生了解具體情境表達的物理意義之外，更要讓學生在普遍的層次上領悟建模方法，感知建模對于分析問題、解決問題的重要價值。在分析情境之后，教師可以引導學生對整個思路進行回溯和提煉，讓學生自行總結出一種分析情境的思維方法。

3 結語

模型構建與高中物理教學是不可分離的，體現了物理學科的本質規律，運用于教學中具有旺盛的生命力。在開展教學時，要注重讓學生理解模型背后的思維模式，并將其與解決實際問題結合起來，同時應注重對模型類型的總結，以提升學生的建模意識和能力。