基于素養(yǎng)導向下培養(yǎng)建模能力的策略研究
——以“一輪復習中人船模型”為例

王 騰

(福建省廈門市海滄中學 361028)

1 問題背景

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》指出，物理學科的核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態(tài)度與責任.其中“科學思維”是從物理學的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式，是基于經(jīng)驗事實建構理想模型的抽象概括過程.可見，模型建構是科學思維的核心要素，建模能力是科學思維的重要能力指標.《中國高考評價體系》指出在素質(zhì)教育下高考考查內(nèi)容為“核心價值、學科素養(yǎng)、關鍵能力、必備知識”.其中學科素養(yǎng)要求學生能合理運用科學的思維方法，有效整合學科相關知識，運用學科相關能力，高質(zhì)量地認識問題、分析問題、解決問題.經(jīng)過素質(zhì)教育的培養(yǎng)，思維認知能力強的學生應當能夠通過敏銳的洞察能力，發(fā)現(xiàn)復雜、新穎情境中的關鍵事實特征，能夠?qū)⑺鶎W的知識遷移到新情境，解決新問題.學生的學習不是主要記憶大量的事實，而是要通過主動活動去把握知識的本質(zhì).知識的本質(zhì)需要通過典型的變式來把握，從變式中把握本質(zhì)及物理模型.同樣，一旦把握了知識的本質(zhì)便能夠辨別所有的變式，舉一反三、聞一知十，這就是應用建模能力的過程.

2 一輪復習對物理建模能力的要求

物理模型是指將實際問題通過分析與抽象，突出其重要的因素，忽略次要的因素，實現(xiàn)對物理對象或物理過程簡化，以便于問題處理.物理建模是指在實際的物理情境中，構建相應的物理模型，并應用模型進行分析，最后解決問題的過程.物理建模能力是指在進行物理建?；顒拥倪^程中，學生所體現(xiàn)出來的綜合能力.

《課程標準》中將物理建模能力的水平劃分為五個層次,見表1.

表1

物理建模的本質(zhì)是將物理知識高度概括，抓住物理問題的主干，建立清晰解決問題的思路.在教學過程中，引導學生從真實情景——建立模型——解決問題——模型變換的建模過程中，通過靈活的運用物理模型分析，提高學生思維的靈活性和創(chuàng)造性，建立正確解決問題的思路.學生嘗試建模的過程，其實就是物理知識內(nèi)化和遷移的過程，有利于學生加深對物理知識的理解，培養(yǎng)學生良好的思維品質(zhì)和創(chuàng)新能力.

高三物理一輪復習的主要目的是：全面梳理知識點，鞏固基礎，查缺補漏，重視從不同的角度理解知識，拓展情境靈活應用.因此，就物理建模而言，學生的水平應達到水平3：能在熟悉的問題情境中，根據(jù)需要選用恰當?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡單的物理問題.

3 案例分析

在一輪復習中，教師應該引導學生樹立建模思想，掌握建模方法，模仿教師建模方式，鼓勵學生通過臨摹來尋找解題的突破口.從一道題出發(fā)，引導學生通過：文字信息→物理情境→物理模型→數(shù)學方程，最終解決問題.審題就是知識的一種轉(zhuǎn)化過程.通過審題將題目中的數(shù)、形、語分別轉(zhuǎn)化為物理量、物理圖形、物理對象，通過已知條件對過程進行簡化，根據(jù)物理模型所遵循的物理規(guī)律解決問題.教師在講解的過程中不能只滿足于“解題”，還要有意識地帶領學生從復雜的情境中找到相應的物理模型，展示其中的具體過程，提高學生從實際問題中抽象出物理模型的能力.通過“人船模型”為例，改變一些條件，進行變式訓練，可以培養(yǎng)學生的知識遷移能力.也可以找一些情境不同但是所用模型相同的題目讓學生訓練，培養(yǎng)學生在不同情境下找到共性，從而建立物理模型，用相同的方法解決問題，提升學生的建模意識建模能力.

“人船模型”的核心知識包括：動量守恒定律、反沖、運動分析.

總結(jié)人船模型基本特點，如圖1：

圖1

變式如圖2所示,在一只大氣球下方的長繩上,有一個質(zhì)量為m1=50kg的人(可以把人看做質(zhì)點).氣球和長繩的總質(zhì)量為m2=20kg,長繩的下端剛好和水平面接觸.當靜止時人離地面的高度為h=5m.如果這個人開始沿繩向下滑,當他滑到繩下端時,他離地面的高度約為多少米？

拓展1如圖3所示，長為L、質(zhì)量為M的小船停在靜水中，質(zhì)量為m1和m2的兩個人站在船的兩頭，由靜止開始從相向而行，恰好在船的中部相遇.不計水的阻力，則船相對地面的位移為多少？

圖3

拓展2如圖4所示，一質(zhì)量為M，半徑為R的光滑圓環(huán)，靜止在光滑水平面上，有一質(zhì)量為m的小物塊從與圓心O等高處，開始無初速下滑，當?shù)竭_最低點時，圓環(huán)對地的位移s環(huán)多大？

圖4

等效替換思想解決這類問題，把二維的復雜運動轉(zhuǎn)化為求解單一直線運動問題，或者轉(zhuǎn)化為求解單一方向的問題，從而極大地簡化了求解過程，并能更直觀深刻地理解問題的物理本質(zhì)和物理意義.在此基礎上可以對系統(tǒng)做出快速的定性分析．同時使求解過程變得簡單快速且提高了正確率.

圖5

對于同一個模型，以多個問題呈現(xiàn)，每一個問題與前一問題既有聯(lián)系又有變化，每一問都使學生的思維產(chǎn)生一次飛躍，由淺入深，思維水平螺旋式上升，所涉及的知識點逐步拓展.同時又將模型在不同情境中的差別變化逐一展示，使學生在應用模型的過程中知道模型的核心突破口，遇到實際問題解決起來也更加得心應手.

4 總結(jié)

提高學生的物理建模能力，可以讓學生更好地掌握物理知識點，提高分析和解決物理問題的能力，從而提升一輪復習的效果.要提高學生的物理建模能力，一是教師可以在日常的教學過程中有意識地滲透物理模型和建模思想.在一輪復習中及時歸納過程模型的特點，利用模型復習相關知識，強調(diào)每種模型在解決問題過程中的突破點和關鍵點，甄別模型在具體情境應用過程中的細微差別，展示建模的過程和利用模型來解決實際問題的過程，讓學生發(fā)現(xiàn)利用物理模型解決問題的優(yōu)點，更愿意用物理模型解決實際問題.在建立模型和應用模型過程中，提高學生的物理建模能力.二是教師可以在復習課上利用問題串的形式，幫助學生將實際情境中的復雜問題分解為一系列逐步遞進的問題，引導學生思維的逐層推進，理順其中的邏輯關系，讓學生學會識別問題，找出規(guī)律，解決問題，不斷提升物理建模能力.