基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的物理模型構(gòu)建方法

許金梅

【摘要】隨著新一輪課程改革的實(shí)施和推進(jìn)，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)成為了高中物理教學(xué)的重要目標(biāo)。物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵包括對(duì)科學(xué)思維能力的培養(yǎng)，其中就提出了對(duì)模型構(gòu)建的要求。高中階段的物理知識(shí)與物理模型聯(lián)系十分緊密，教師在日常教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生立足于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，將實(shí)際問(wèn)題抽象化、理想化、精簡(jiǎn)化、情景化，引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型，有助于幫助學(xué)生抓住本質(zhì)、明確思路，提高學(xué)生的物理問(wèn)題處理能力，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】經(jīng)驗(yàn)事實(shí)；物理模型；問(wèn)題處理

隨著新一輪課程改革的實(shí)施和推進(jìn)，高中物理課堂不僅注重對(duì)學(xué)生知識(shí)的傳授和教學(xué)，更加注重對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培育和提升。隨著新一輪課程改革的實(shí)施和推進(jìn)，物理核心素養(yǎng)提出了要基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建物理模型的教學(xué)要求。廣大物理教師在教學(xué)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生立足于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，嘗試把實(shí)際問(wèn)題抽象化、理想化、精簡(jiǎn)化、情景化，整合成為可以舉一反三利用解題的有效模型，進(jìn)而提高學(xué)生物理問(wèn)題處理能力，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

一、抽象取代，建立理想模型

高中階段的物理看似抽象，但實(shí)則和學(xué)生的生活實(shí)際聯(lián)系十分緊密。在對(duì)物理問(wèn)題展開探究時(shí)，為了便于問(wèn)題的研究往往會(huì)在不影響研究結(jié)果的情況下，對(duì)復(fù)雜的物理實(shí)物進(jìn)行抽象取代，建立物理實(shí)物模型解釋物理概念。

例如，在物理教材的開篇——《運(yùn)動(dòng)學(xué)》的教學(xué)過(guò)程中，“質(zhì)點(diǎn)”是學(xué)生所接觸到的第一個(gè)理想化模型。為了讓學(xué)生更好地理解“質(zhì)點(diǎn)”的概念以及相關(guān)的運(yùn)動(dòng)公式，我對(duì)“質(zhì)點(diǎn)”這一概念進(jìn)行了三個(gè)層次的引入教學(xué)。首先，我向?qū)W生提供了運(yùn)動(dòng)描述的任務(wù)，讓學(xué)生自主研究滾動(dòng)的足球、冉冉升起的國(guó)旗等等，不管是足球向前滾動(dòng)，還是國(guó)旗飄揚(yáng)著上升，物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)有著不斷變化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，很難入手研究。然后，我打開手機(jī)，利用投影給學(xué)生展示手機(jī)中的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，在導(dǎo)航系統(tǒng)的圖像中只用了一個(gè)“點(diǎn)”來(lái)描述人的位置。馬上有學(xué)生意識(shí)到，在GPS中重要的是人走的方向，動(dòng)作和身材都不重要可以忽略，所以僅僅依靠一個(gè)“點(diǎn)”便可以表示人的位置?；氐阶闱蚺c國(guó)旗的問(wèn)題中，當(dāng)我們研究足球向前、國(guó)旗上升的速度，受到的外力與自身的質(zhì)量是問(wèn)題研究的關(guān)鍵，可以同樣將物體理想化為一個(gè)“有質(zhì)量的點(diǎn)”展開研究。基于此，學(xué)生深刻地理解了“質(zhì)點(diǎn)”這一理想化模型：用來(lái)代替物理的有質(zhì)量的“點(diǎn)”，其條件是物體的大小和形狀的影響是否能夠忽略。

以學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)啟發(fā)學(xué)生理解質(zhì)點(diǎn)的意義及內(nèi)涵，激活學(xué)生的建模意識(shí)，可以使學(xué)生對(duì)于物理實(shí)物模型有著更加深的理解和認(rèn)知，對(duì)于以后學(xué)習(xí)光滑表面、單擺、勻強(qiáng)磁場(chǎng)、點(diǎn)電荷等知識(shí)做了鋪墊。

二、理想簡(jiǎn)化，建立過(guò)程模型

在物理中“運(yùn)動(dòng)”相關(guān)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，每一項(xiàng)物體的運(yùn)動(dòng)都牽扯著各種各樣的運(yùn)動(dòng)或形變，運(yùn)動(dòng)的過(guò)程十分復(fù)雜。但是對(duì)于不同的知識(shí)點(diǎn)，研究的目的往往也不同，教師可以基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行理想簡(jiǎn)化，構(gòu)建過(guò)程模型，更好地反映事物的本質(zhì)的理想過(guò)程。

例如，在“拋體運(yùn)動(dòng)”的相關(guān)內(nèi)容教學(xué)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到飛機(jī)投物、扔垃圾等平拋運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。在分析平拋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，為了化簡(jiǎn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，我指導(dǎo)學(xué)生將以飛機(jī)投物為例的平拋運(yùn)動(dòng)化簡(jiǎn)為豎直方向上的分運(yùn)動(dòng)——自由落體運(yùn)動(dòng)（v=gt，h=

gt2），以及水平方向的分運(yùn)動(dòng)——?jiǎng)蛩僦?/p>

線運(yùn)動(dòng)（s=vt），將復(fù)雜的平拋運(yùn)動(dòng)化簡(jiǎn)為豎直與水平方向的兩個(gè)常見的分運(yùn)動(dòng)之后，學(xué)生可以正交分解法求出指定點(diǎn)的速度情況，從而使整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程變得清晰。這一過(guò)程模型同樣適用于其他復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，學(xué)生基于平拋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程模型，將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)看做兩個(gè)或多個(gè)已知分運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，有效地化簡(jiǎn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的分析難度，實(shí)現(xiàn)分運(yùn)動(dòng)與合運(yùn)動(dòng)的有效轉(zhuǎn)化。

教師將運(yùn)動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)單化之后，再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析運(yùn)動(dòng)的發(fā)生過(guò)程，可以幫助學(xué)生更好地理解不同運(yùn)動(dòng)的變化形式，幫助學(xué)生將不同的運(yùn)動(dòng)與相應(yīng)的過(guò)程模型匹配起來(lái)。

三、抽絲剝繭，建立問(wèn)題模型

在高中階段的物理題目中，復(fù)合場(chǎng)中復(fù)雜的受力情況往往是學(xué)生思維的難點(diǎn)，經(jīng)常讓學(xué)生找不到解題的頭緒，難以入手。然而，換一種思考的角度，復(fù)合場(chǎng)是兩個(gè)或多個(gè)基本場(chǎng)受力的疊加，只要明確題目的關(guān)鍵問(wèn)題，基于基本場(chǎng)受力的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)將復(fù)合場(chǎng)等效處理，問(wèn)題也便迎刃而解了。

例如，在“復(fù)合場(chǎng)中建立圓周運(yùn)動(dòng)”的問(wèn)題教學(xué)中，由于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)在基本重力場(chǎng)分析輕繩模型的圓周運(yùn)動(dòng)，最高點(diǎn)能取得的最小速度，對(duì)應(yīng)著繩子的拉力為0，mg= ，尚易掌握。在復(fù)合場(chǎng)的教學(xué)中，我引導(dǎo)學(xué)生基于此前的分析經(jīng)驗(yàn)，建立問(wèn)題模型將重力場(chǎng)與電力場(chǎng)的受力情況合二為一，建立“等效重力場(chǎng)”，使整個(gè)運(yùn)動(dòng)與受力的情況瞬間“柳暗花明”，同樣是在最高點(diǎn)，電場(chǎng)力與重力的合力成為了復(fù)合場(chǎng)中的“重力”，當(dāng)最高點(diǎn)仍然取最小速度，當(dāng)電場(chǎng)力方向向下，對(duì)應(yīng)T繩=0，

mg+qE= 時(shí)，當(dāng)電場(chǎng)力方向向上，T繩=0，

mg-qE= （假設(shè)電場(chǎng)力小與重力）。

由于物理模型是有限的，但組合的情景是多種多樣的。教師在引導(dǎo)學(xué)生建立問(wèn)題模型時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生多思考、多分析，準(zhǔn)確把握題目中的解題關(guān)鍵信息點(diǎn)，合理地進(jìn)行等效處理，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的有效遷移。

四、情境檢驗(yàn)，建立理論模型

在高中的物理教學(xué)與學(xué)習(xí)過(guò)程中，理論模型是較為特殊的一類物理模型，蘊(yùn)含著物理知識(shí)起源于發(fā)展。當(dāng)人們還不清楚事物的本質(zhì)、結(jié)構(gòu)、變化規(guī)律時(shí)，物理學(xué)家們依據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與思維經(jīng)驗(yàn)建立假說(shuō)，形成理論模型，從而提出概念與規(guī)律。

例如，在“機(jī)械能守恒定律”的教學(xué)過(guò)程中，我引入“魚餌自動(dòng)投放器”的投餌裝置進(jìn)行教學(xué)。我展示了一些關(guān)于“魚餌自動(dòng)投放器”的投餌管裝置的結(jié)構(gòu)，一般是彈簧銜接豎直細(xì)導(dǎo)管，在導(dǎo)管上端接入一定半徑的四分之一圓弧彎管。學(xué)生基于生活經(jīng)驗(yàn)，大膽地猜測(cè)“魚餌自動(dòng)投放器”的能量轉(zhuǎn)化原理為彈簧勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（動(dòng)力勢(shì)能和重力勢(shì)能），成功建立了理論模型。然后，我引入2011年福建省高考理綜第21題，指導(dǎo)學(xué)生將之前的理論模型帶入題目的情景中進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)質(zhì)量為魚餌離開彈簧后，彈性勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為魚餌的機(jī)械能，當(dāng)魚餌到達(dá)導(dǎo)管口C時(shí)，圓周運(yùn)動(dòng)的向心力完全有重力來(lái)提供mg= ，彈簧壓縮在0.5R時(shí)的彈性勢(shì)能根據(jù)機(jī)械能守恒定律為Ep=mg（1.5R+R）+ mv2。

教師在引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型時(shí)，必須要抓住經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際情景中轉(zhuǎn)化物理模型，利用實(shí)際情景檢驗(yàn)物理模型，幫助學(xué)生形成理論思想，明確分析思路，有效地實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建和運(yùn)用。

總而言之，高中階段的物理知識(shí)與物理模型聯(lián)系十分緊密，引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型，有助于幫助學(xué)生抓住本質(zhì)、明確思路。教師在日常教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生立足于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，將實(shí)際問(wèn)題抽象化、理想化、精簡(jiǎn)化、情景化，可以有效地幫助學(xué)生建立模型，舉一反三，提高學(xué)生的問(wèn)題處理能力。

參考文獻(xiàn)：

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