淺談大數(shù)據(jù)支持下的高中物理建模能力的培養(yǎng)與實踐

王文英

【內(nèi)容摘要】從高中物理學科的核心素養(yǎng)要求出發(fā)，論述了高中物理建模的意義、基本方法和基本策略，最后通過大數(shù)據(jù)的采集、分析及反饋，淺談建模能力的培養(yǎng)策略的具體實踐創(chuàng)新應用。

【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù)支持? 建模能力? 培養(yǎng)與實踐

一、時代要求和高中物理建模的意義

德國物理學家勞爾說“重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維能力。教育無非是一切已學過的東西都遺忘掉的時候，所剩下的東西”，即是培養(yǎng)人的“核心素養(yǎng)”，這才是我們的教育真正的價值。

2017版課程標準從學科核心素養(yǎng)的角度提出課程目標，科學思維是物理學科的關(guān)鍵核心素養(yǎng)之一，它是對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互聯(lián)系的認識方式，主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新，模型建構(gòu)是要求學生學會從物理學的視角發(fā)現(xiàn)問題和分析問題，解決問題。建模教學是亞利桑那州立大學理論物理學家David Hestenes創(chuàng)立的一種教學模式，“建模和用模就是物理思維。若想發(fā)展物理思維能力，就必須發(fā)展用模和建模能力”。物理學的研究對象是物理模型，物理學的思維方法是建模思維，物理學的發(fā)展史就是一部物理建模的歷史，物理學離不開物理模型和物理建模。物理就是建模，學習物理就是學習物理建模。

二、建構(gòu)物理模型的基本方法

首先我們要明確什么是物理模型，其次要明確物理模型有哪些，再次要明確建模是怎么發(fā)生的。

物理模型是脫胎于事物原型的高度抽象和概括。物理建模中常用一些非語言的符號進行問題表征或思維路徑的呈現(xiàn)，例如數(shù)學公式、圖形圖像等，所以具備這些非語言的符號表達能力對物理建模能力的生成與發(fā)展影響更大，因此需要提高非語言的符號表達能力，以促進模型思維的發(fā)展，例如通過圖形或符號將頭腦中物體的運動具體化，或者把物體的具體運動轉(zhuǎn)化為圖形或符號，要求學生從實際錯綜復雜的物理現(xiàn)象和過程中通過分析、綜合、比較、分類等思維過程，找出其內(nèi)在規(guī)律，然后用數(shù)學符號或公式、圖形圖像或圖表等表示出來，再經(jīng)過一系列的運算處理，然后得出結(jié)果。因此，“建?！本褪菍嶋H間題抽象、簡化為模型，然后用數(shù)學符號或公式、圖形圖像或圖表加以表征的過程，最終達到解決問題的目的。

因此建構(gòu)物理模型的基本方法有抽象、概括、假設(shè)、類比、想象分析綜合和推理論證等。

三、建構(gòu)物理模型的基本策略

1.選擇合適模型

一個合適的物理模型是一把解題的金鑰匙，每一個具體物理問題所描述的物理現(xiàn)象或過程，都對應著一定的物理模型，建構(gòu)合適模型的關(guān)鍵是對物理狀態(tài)和過程的分析，認真審題，通過對研究對象的受力情況、狀態(tài)特征以及運動變化過程的分析，結(jié)合物理規(guī)律，才能選擇出一個合適的模型。

2.建構(gòu)物理模型

從形象思維為切入口，把物理語言轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形，使抽象問題形象化，借助于想象建立物理模型，無論是物理圖示或物理圖像，他們的形象功能是不言自明的，想象是一種高級的形象思維活動，是在頭腦中把新舊知識和科學概念進行加工和重新組合，建立新形象的過程，想象是智慧的翅膀，圖形和想象的通力配合及綜合運用是建模的一個關(guān)鍵點，它可以使物理模型建立最佳。

物理建模的另一關(guān)鍵點是構(gòu)建數(shù)學模型，把復雜的物理語言轉(zhuǎn)化成數(shù)學基礎(chǔ)語言，能夠使物理變得形象化和簡單化。

3.大數(shù)據(jù)的采集、分析及反饋——建模循環(huán)

反饋原理告訴我們，任何系統(tǒng)只有通過反饋信息，才可能得到有效的控制，即一個教學信息控制系統(tǒng)把信息輸送出去，又把其作用結(jié)果（反饋信息）反送回控制系統(tǒng)的輸入端，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信息的量進行比較、糾正和調(diào)整它發(fā)出的控制信息的量，從而實現(xiàn)控制作用，達到預期目的。反饋通常采用診斷式的形成性測驗的方式，因此我們就要對測驗的結(jié)果進行采集和分析，然后反饋給教師和學生，再進行教學的矯正，通過建模的循環(huán)教學，最終達成培養(yǎng)學生科學思維，逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的核心素養(yǎng)。

四、建構(gòu)物理模型的實踐創(chuàng)新

例：如圖甲所示，兩根足夠長，電阻不計的平行金屬導軌相距1m，導軌平面與水平面的夾角為37°，下端接有阻值為1.5Ω的電阻R。虛線MN下側(cè)有與導軌平面垂直、磁感應強度大小為0.4T的勻強磁場。現(xiàn)將金屬棒ab從MN 上方某處垂直導軌由靜止釋放，金屬棒運動過程中始終與導軌保持良好接觸，已知金屬棒接入電路的有效阻值為0.5Ω，金屬棒運動的速度??時間圖像如圖乙所示，取sin37°=0.6，cos37°=0.8，g=10m/s2，下列判斷正確的是（? ）

A.金屬棒的質(zhì)量為0.2kg

B.0～5s內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量為20J

C.0～5s內(nèi)通過電阻R的電荷量為5C

D.金屬棒勻速運動時，ab兩端的電壓為1V

本題滿分4分，正確答案是AC，對全年級進行了真實全面的大數(shù)據(jù)的采集，難度0.18，區(qū)分度0.69，年級平均得分0.74，實際得分率18.48%，根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計學生解答結(jié)果和考后對學生發(fā)放了試卷分析問卷調(diào)查，要求學生對自己的錯誤解答進行分析，然后教師結(jié)合數(shù)據(jù)對錯因進行分析。

本題文字表述物理過程比較簡單，最重要的是兩張圖，如何把兩張圖轉(zhuǎn)化為具體的物理情景，從物理情景中找到解題有關(guān)的物理狀態(tài)和過程，再分析分析研究對象的相關(guān)參量，辨明哪些已知、哪些未知，選擇解題所需用的物理規(guī)律，尋找不同過程之間物理量聯(lián)系這些都是本題的難點。我們可以按下圖邏輯關(guān)鍵分析這道題：

選擇A的同學比例較多，但由于概念不清，考試技能較弱，導致沒有得分;選擇答案B一個重要的原因是審題不清，理解錯了“0～5s內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量”的意思，0～5s內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量不僅僅是焦耳熱，還包含整個過程中摩擦力產(chǎn)生的熱量，而焦耳熱正好是20J，這就是很多學生選B的原因;選擇答案D的原因是錯誤的理解了“ab兩端的電壓”，ab金屬棒本身是一個電源，因此是路端電壓，這個切割磁場產(chǎn)生的動生電動勢物理模型沒有建立好，通過大數(shù)據(jù)的采集、分析和反饋，讓我們的建模教學更加有的放矢，今后我們要加強引導學生從情景化信息中建立物理模型的循環(huán)訓練，有了大數(shù)據(jù)的支持下，讓我們的高中物理建模能力的培養(yǎng)更加有效，這就是我們的實踐創(chuàng)新。

我們通過科學的建模教學和有效的檢測，然后通過大數(shù)據(jù)的有效的采集和科學的分析，再矯正我們的建模教學，通過不斷建模循環(huán)，達到學生建模能力的培養(yǎng)，最終實現(xiàn)“科學思維”關(guān)鍵能力的提升。

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【本文系江西省教育科學“十三五”規(guī)劃2019年度課題“大數(shù)據(jù)支持下的高中物理精準教學研究”研究成果，課題編號：19ZXYB002?！?/p>

（作者單位：江西省南昌市第三中學）