重視高中物理建模 提升學(xué)科核心素養(yǎng)

江麗芳

摘 要：物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包含：物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。其中“模型建構(gòu)”就是物理學(xué)科中的一項(xiàng)重要科學(xué)思維能力。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);思維能力;模型建構(gòu)

通過物理學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生帶有物理學(xué)科特性的品格和能力，是物理學(xué)科素養(yǎng)的指向。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包含：物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。其中“模型建構(gòu)”就是物理學(xué)科中的一項(xiàng)重要科學(xué)思維能力。

在高中物理教學(xué)中重視建模能力的培養(yǎng)，可以嘗試有以下幾點(diǎn)操作。

一、重視教材經(jīng)典物理模型的構(gòu)建過程

高中物理教材中有許多經(jīng)典物理模型，每一個(gè)模型的建立都有一定的條件和使用范圍。在教學(xué)中一定要重視模型的建構(gòu)過程，讓學(xué)生充分體會(huì)為什么一個(gè)具體問題要抽象成一個(gè)模型，把具體問題中的次要因素忽略后產(chǎn)生什么影響，抽象成模型后對(duì)解決問題起到什么作用，什么條件下才可以忽略那些次要因素。經(jīng)歷這樣的建模過程，學(xué)生對(duì)于物理模型的認(rèn)識(shí)和體驗(yàn)是立體的，能比較有效地讓學(xué)生辨析實(shí)際問題與抽象模型的差別。

例.秋日，樹葉紛紛落下枝頭，其中有一片梧桐葉從高為5m的枝頭自靜止落至地面，所用時(shí)間可能是（）

A.0.1s B.0.5 s C.1 s D.3 s

分析：學(xué)生在經(jīng)歷“自由落體”模型的建立過程后，才能辨析這個(gè)實(shí)際模型與理想化模型的差別，實(shí)際上樹葉受的空氣阻力與重力相比較不能被忽略，所以本題中樹葉的這個(gè)下落不能當(dāng)作“自由落體”運(yùn)動(dòng)，實(shí)際下落的加速度小于重力加速度，所以落地的時(shí)間大于1s，所以選項(xiàng)D正確。

二、在物理規(guī)律的應(yīng)用中引導(dǎo)學(xué)生善于歸納總結(jié)物理模型

在物理規(guī)律的應(yīng)用中，會(huì)碰到許多同類的問題及其變式，加以歸納總結(jié)，也可以當(dāng)作是一類物理模型。并且學(xué)生在理解這類原始模型的基礎(chǔ)上，當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí)更容易進(jìn)行遷移使用。而模型的建立也方便學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的整合。建模、遷移與整合能力都是物理學(xué)科素養(yǎng)的重要目標(biāo)。

比如研究豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界條件時(shí)，把這類問題當(dāng)作一個(gè)物理模型來看，可以讓學(xué)生更全面地了解這類問題的共性與多樣性：臨界條件的共性是接觸面上的彈力恰為零，而多樣性表現(xiàn)為彈力的種類和方向的不同，有繩子的彈力、桿的彈力及軌道的彈力，可綜合為兩個(gè)基礎(chǔ)模型：“繩物模型”和“桿物模型”（如圖1）。

再把上述兩個(gè)只受重力和彈力的情況當(dāng)作原始模型，學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行遷移，比如可以變換為在光滑水平面上加一個(gè)水平勻強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的恒力來替代原模型中的重力這個(gè)恒力（如圖2為水平面上的俯視圖），或者在豎直平面內(nèi)除重力外再加一個(gè)電場(chǎng)力或洛侖茲力等其他力的情況下（如圖3和圖4），學(xué)生也能針對(duì)具體問題分析出臨界條件。

解答此類問題題需要挖掘出恰能通過圓形軌道的最高點(diǎn)所隱藏的隱含條件，就是對(duì)軌道無壓力，然后具體問題中分析此時(shí)提供向心力的是哪些力，則能比較順利解答。

這類模型很多，教師多加引導(dǎo)，能使學(xué)生解決問題更有方向，從而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的信心。同時(shí)，可以培養(yǎng)學(xué)生在生活和學(xué)習(xí)中做個(gè)有心人，善于總結(jié)和歸納，注意條件和變化，

三、在解決實(shí)際問題中培養(yǎng)學(xué)生建模意識(shí)

通過建模教學(xué)，盡可能地培養(yǎng)學(xué)生的建模意識(shí)，使他們能在新的、不同情境中甚至有些令人困惑的情景中找到對(duì)應(yīng)的能解決問題的物理模型。

有一類物理問題來自真實(shí)的生活情景，學(xué)生在審題時(shí)不能一下子找到相應(yīng)的物理問題是什么，也就無法用相應(yīng)的物理知識(shí)去解決問題。學(xué)生想要解決問題，就離不開對(duì)想象進(jìn)行綜合的分析，自己通過假設(shè)、抽象等手段自行設(shè)置需要的物理量，構(gòu)建模型，然后解決問題。

例.（2018年11月浙江省學(xué)考試題第11題）小明在觀察如圖所示的沙子堆積時(shí)，發(fā)現(xiàn)沙子會(huì)自然堆積成圓錐體，且在不斷堆積過程中，材料相同的沙子自然堆積成的固錐體的最大底角都是相同的。小明測(cè)出這堆沙子的底部周長(zhǎng)為31.4m，利用物理知識(shí)測(cè)得沙子之間的摩擦因數(shù)為0.5，估算出這堆沙的體積最接近：

A.60m2 B.200m2

C.250m2 D.500m2

分析：為了解決這個(gè)問題，需要聯(lián)系相關(guān)物理知識(shí)，建立相應(yīng)的物理模型，即斜面最大靜摩擦力問題。

綜上所述，在高中物理教學(xué)中，教師應(yīng)重視對(duì)學(xué)生建模意識(shí)的培養(yǎng)，要讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何從自然生活、生產(chǎn)和物理實(shí)驗(yàn)中，抓住主要問題，忽略次要因素，建立起物理模型，然后應(yīng)用物理模型的特點(diǎn)或規(guī)律分析解決問題。這樣，學(xué)生才能在解決物理問題時(shí)清晰地構(gòu)建出情景條件下的物理模型，迅速找到解決問題的方法，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生靈活思變、創(chuàng)造性思維能力及創(chuàng)新意識(shí)的形成，更是實(shí)施核心素養(yǎng)教育的一個(gè)重要舉措。

參考文獻(xiàn)

[1]余文森.核心素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂教學(xué).上海教育出版社[M]，2017

[2]廖伯琴，張大昌.物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）解讀.湖北：湖北教育出版社，2004