(江蘇省常熟市教育局教研室，江蘇 蘇州 215500)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提出：物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面，其中“科學(xué)思維”中包含“基于事實(shí)構(gòu)建物理模型的抽象概括過程”。在以往的教學(xué)中著重強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)于物理概念及規(guī)律的掌握與應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問題時(shí)無從下手。將實(shí)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，簡(jiǎn)化為便于處理的模型，這就是建模過程。建模能力在物理學(xué)習(xí)中起著至關(guān)重要的作用，主要體現(xiàn)在：

(1) 建構(gòu)物理模型有助于學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)思維方法。物理建模是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維過程，通過建模將物理模型從抽象轉(zhuǎn)化為形象、將復(fù)雜變?yōu)楹?jiǎn)單，使原來只能定性了解的物理現(xiàn)象，可以用定量的辦法來研究，這正是科學(xué)思維方法的體現(xiàn)。

(2) 建構(gòu)物理模型有助于學(xué)生掌握科學(xué)的物理概念、規(guī)律。要建構(gòu)正確的物理模型，必須對(duì)相應(yīng)物理概念、規(guī)律的內(nèi)涵非常清楚，這樣才能從實(shí)際問題中抓住本質(zhì)與核心。而要確定物理模型的適用條件與范圍，則必須對(duì)物理概念和規(guī)律的外延把握得非常準(zhǔn)確。可見，在建模的過程中學(xué)生對(duì)于物理概念及規(guī)律的內(nèi)涵及外延有了更加深刻的理解。

(3) 建構(gòu)物理模型有助于學(xué)生對(duì)于實(shí)際問題的處理與解決。物理學(xué)的應(yīng)用歸根結(jié)底就是解釋自然和改造自然，最終學(xué)生面對(duì)的不是習(xí)題，而是各種各樣的生活中的實(shí)際問題。合理建構(gòu)物理模型可以大大簡(jiǎn)化實(shí)際遇到的問題，以便于運(yùn)用相關(guān)的物理知識(shí)來處理，做到學(xué)以致用。

因此，高中物理教師應(yīng)當(dāng)在實(shí)際教學(xué)過程中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生建模能力的培養(yǎng)。

1 物理模型的定義及其建構(gòu)過程

所謂物理模型，就是為了探究物理事物的本質(zhì)，通過對(duì)各種事實(shí)和數(shù)據(jù)的分析、綜合、比較、分類等思維過程，對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化后得到有關(guān)物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的描述。按模型研究的對(duì)象分類，可將物理模型分為對(duì)象模型、狀態(tài)模型、過程模型和環(huán)境模型。

建構(gòu)物理模型通常經(jīng)過三個(gè)過程：構(gòu)建模型、驗(yàn)證模型和應(yīng)用模型。而在高中階段，由于學(xué)生的認(rèn)知能力的限制，主要強(qiáng)調(diào)和培養(yǎng)的還是學(xué)生構(gòu)建模型這個(gè)過程。

所謂建模就是從具體的物理情景出發(fā)，通過對(duì)情景的分析與抽象，最后建構(gòu)模型，從而達(dá)到對(duì)情景的理解。這一過程包括三個(gè)步驟：

(1) 確定研究對(duì)象，針對(duì)所要研究的問題選擇描述研究對(duì)象的物理量；

(2) 對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行圖解，包括畫出其受力圖、運(yùn)動(dòng)過程示意圖等；

(3) 確定研究對(duì)象的特點(diǎn)，構(gòu)建適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，亦可從以前熟悉的模型中選擇模型。比如說要研究一輛行駛的汽車對(duì)地面的壓力，應(yīng)該先確定研究對(duì)象，將汽車抽象為質(zhì)點(diǎn)，找出其狀態(tài)參量(如速度、質(zhì)量、加速度等)，再確定對(duì)象的狀態(tài)(如勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻加速運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)等)，最后根據(jù)相應(yīng)的過程對(duì)物體進(jìn)行受力分析，運(yùn)用對(duì)應(yīng)的物理規(guī)律解決問題。

2 高中生建模的認(rèn)知特點(diǎn)

要科學(xué)合理地培養(yǎng)高中生的建模能力，必須先了解高中生的知識(shí)基礎(chǔ)及認(rèn)知特點(diǎn)。對(duì)于高中生而言，其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完整體系已基本形成，各種認(rèn)知能力也不斷完善。思維更加趨于成熟，邏輯思維所占的比例相應(yīng)增加，辯證思維和創(chuàng)造思維也有了很大的發(fā)展。高中學(xué)生認(rèn)知活動(dòng)的自覺性明顯增強(qiáng)，由于理性思維趨于成熟和自我意識(shí)的發(fā)展，高中生有意識(shí)的記憶能力、想象能力迅速發(fā)展，思維的目的性、方向性也更加明確。

就物理學(xué)科而言，初中物理大多是定性解釋一些物理現(xiàn)象，主要依靠的是形象思維，而大學(xué)的理論物理則是以微積分為語言來分析處理問題，思維層面上屬于邏輯思維。高中物理處在一個(gè)由形象思維向邏輯思維轉(zhuǎn)變的過渡階段，以形象思維為主，邏輯思維為輔，以初等數(shù)學(xué)為工具來解決物理問題。而建模過程就是一個(gè)以形象思維為主的思維過程，結(jié)合邏輯思維，將抽象事物具體化?？梢?，根據(jù)高中生的認(rèn)知特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力是可行且必要的。

3 培養(yǎng)高中生物理建模能力的途徑及方法

根據(jù)高中生的認(rèn)知特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生物理建模能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

(1) 融合在物理概念、定理和定律等的學(xué)習(xí)中；

(2) 在相應(yīng)的習(xí)題訓(xùn)練中提高學(xué)生的建模能力；

(3) 在物理實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生體會(huì)建模的思想及方法。

要培養(yǎng)學(xué)生的建模能力可以借助很多的媒介，比如物理課本、課外輔導(dǎo)材料、視頻、圖片、實(shí)驗(yàn)器材、物理習(xí)題等。對(duì)于教師而言，課堂教學(xué)是提高學(xué)生建模能力的最主要途徑，下面針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行探討。

3.1 新課教學(xué)

新課教學(xué)的目的是讓學(xué)生掌握相應(yīng)的物理概念、規(guī)律和方法，物理學(xué)科的特點(diǎn)是源于生活，任何的物理概念和規(guī)律都是來源于對(duì)生活中事物與現(xiàn)象的抽象與概括。所以我們?cè)谥v授新的知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候可以很好地利用這一點(diǎn)，運(yùn)用圖片，結(jié)合視頻或演示實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行分析與抽象、建構(gòu)物理模型的能力。

比如在“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)中，教師可以先用洛倫茲力演示儀做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，找出帶電粒子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。為了深入研究這個(gè)現(xiàn)象，教師可以引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)一個(gè)物理模型。問題中的研究對(duì)象是電子，在研究其運(yùn)動(dòng)軌跡及特點(diǎn)時(shí)，我們可以忽略帶電粒子的形狀與大小，即對(duì)象模型是帶負(fù)電的點(diǎn)電荷，不考慮重力，對(duì)象所處的環(huán)境為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，故僅受洛倫茲力的作用。最后，以一個(gè)與磁場(chǎng)垂直的初速度為狀態(tài)參量來確定帶電粒子的初始狀態(tài)。在這個(gè)物理模型建構(gòu)起來后，對(duì)于粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡及特點(diǎn)的討論就容易了很多。

在物理規(guī)律教學(xué)時(shí)必須注意物理規(guī)律的基本屬性，即實(shí)踐性、自洽性、精確性以及近似性。在概念、定律的學(xué)習(xí)過程中，都應(yīng)通過與學(xué)生討論，明確它是適用于什么樣的物理模型，在什么樣的條件下才有這樣的模型，每一個(gè)模型建構(gòu)的基礎(chǔ)是什么，條件做了哪些理想化，具有什么特點(diǎn)。這樣才能準(zhǔn)確掌握模型的外延，為以后模型的靈活運(yùn)用奠定基礎(chǔ)。

在新課的教學(xué)過程中，不管是物理概念還是物理規(guī)律，教師都應(yīng)當(dāng)有意識(shí)地強(qiáng)調(diào)與示范建模的過程，讓學(xué)生參與建模過程。經(jīng)常在課堂中滲透建模的思想，可以讓學(xué)生潛移默化地形成建模的良好習(xí)慣。

3.2 實(shí)驗(yàn)課教學(xué)

物理實(shí)驗(yàn)課可以說是學(xué)生建模最好的實(shí)踐途徑，物理實(shí)驗(yàn)的目的是為了探究、驗(yàn)證某個(gè)規(guī)律或者結(jié)論，而不管是實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還是數(shù)據(jù)的處理與分析，都與建模密切聯(lián)系。

以“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證小車的質(zhì)量、所受合外力、加速度三者的關(guān)系。要設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)必須先經(jīng)過一個(gè)建模的過程：研究對(duì)象就是小車，其狀態(tài)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)其所處的環(huán)境，可以確定小車受到重力、支持力、繩的拉力、摩擦力四個(gè)力。為了測(cè)量合外力的大小，在平衡掉摩擦力的情況下，認(rèn)為繩的拉力就是小車所受的合外力。不考慮加速度帶來的影響，繩的拉力的大小就等于重物的重力，圖1為這個(gè)過程的思維導(dǎo)圖。

圖1

根據(jù)建構(gòu)的物理模型，我們就可以設(shè)計(jì)出該實(shí)驗(yàn)的方案：通過增減小車內(nèi)的砝碼來改變小車的質(zhì)量，通過改變小桶內(nèi)重物的質(zhì)量來改變合外力的大小，而小車的加速度可以通過小車后的紙帶測(cè)出。了解了整個(gè)建模過程之后，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的誤差來源也就非常清晰了。該實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差來源于建模過程中忽略的兩個(gè)因素，即：摩擦力、因小桶及其中重物有加速度而對(duì)繩的拉力的影響，順著這個(gè)思路進(jìn)行誤差分析就非常方便了。

物理實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要強(qiáng)調(diào)的是實(shí)驗(yàn)的操作及誤差的分析，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力較弱。要提高其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力首要做的就是提高對(duì)應(yīng)的建模能力。

3.3 習(xí)題課教學(xué)

物理習(xí)題教學(xué)是學(xué)生鞏固物理概念、規(guī)律的重要途徑。解題是一個(gè)嚴(yán)密的思維過程：從題目給出的文字中，提取有效信息，展現(xiàn)出清晰的物理情景，然后排除次要因素，抽象出合適的物理模型，再根據(jù)物理模型所遵循的規(guī)律，進(jìn)行判斷、推理和計(jì)算，使問題得以解決。在這個(gè)過程中，物理模型的建構(gòu)起到了關(guān)鍵的作用。教師在習(xí)題的講解過程中應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)怎樣從題目的已知條件中尋找有用信息，按照建模的過程，建構(gòu)正確的物理模型。

例如：“石頭平衡藝術(shù)”，藝術(shù)家能夠在不使用任何工具的情況下,僅靠重力就能將形狀各異的石頭疊在一起，如圖2所示，在水平地面上將兩個(gè)形狀不規(guī)則的石塊a、b疊放在一起，保持平衡。下列說法正確的是( )。

A. 石塊b對(duì)a的彈力一定等于a受到的重力

B. 石塊b對(duì)a的作用力一定豎直向上

C. 地面對(duì)石塊b的支持力和b受到的重力是一對(duì)平衡力

D. 石塊b受到水平地面向左的摩擦力

圖2

圖3

分析：題目給學(xué)生的是一個(gè)實(shí)物模型，要解決此題必須建構(gòu)正確的物理模型。通過審題，可以先確定石塊a為研究對(duì)象，建構(gòu)的模型為一形狀和大小可不計(jì)的小物塊a，再確定石塊b為研究對(duì)象，建構(gòu)的模型為一置于水平面上的粗糙斜面b。小物塊a和粗糙斜面b所處的環(huán)境為重力場(chǎng)，狀態(tài)是靜止，建構(gòu)的物理模型如圖3所示，在對(duì)應(yīng)的模型建構(gòu)起來之后，再進(jìn)行受力分析，問題就可以解決了。

可見，根據(jù)題意建構(gòu)合適的物理模型，鍛煉了學(xué)生的思維。雖然這樣可能會(huì)花不少時(shí)間，但只要在習(xí)題課中不斷強(qiáng)化建模的訓(xùn)練，就可以使學(xué)生學(xué)會(huì)建構(gòu)物理模型的方法，培養(yǎng)其建構(gòu)物理模型的習(xí)慣，這對(duì)以后處理更加復(fù)雜的問題會(huì)很有幫助。

3.4 復(fù)習(xí)課教學(xué)

復(fù)習(xí)課的目的是幫助學(xué)生梳理和鞏固整章內(nèi)容的物理概念和規(guī)律，復(fù)習(xí)課所采用的常規(guī)形式就是按照從知識(shí)點(diǎn)帶出習(xí)題、或者是從習(xí)題帶出知識(shí)點(diǎn)的方式來進(jìn)行的。其實(shí)，我們也可以采用情景教學(xué)模式來復(fù)習(xí)整章內(nèi)容，這樣不僅復(fù)習(xí)了相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，而且也鍛煉了學(xué)生建模的能力。

以復(fù)習(xí)“曲線運(yùn)動(dòng)”這章為例，我們可以創(chuàng)設(shè)這樣一個(gè)情景：一輛汽車以恒定的速度通過一座橋，橋由兩部分組成，橋的主體部分是拱形的，引橋是與地面成一定角度的斜面。在給出一些已知條件(如汽車的質(zhì)量、速度、與橋面的動(dòng)摩擦因數(shù)、主橋的半徑、引橋的傾角等)之后，我們就可以討論汽車對(duì)橋面的壓力、汽車的牽引力、摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能等一系列問題。要解決這些問題，就要求學(xué)生先要建構(gòu)合理的物理模型，再利用曲線運(yùn)動(dòng)、力及能量的相關(guān)知識(shí)來解決問題。通過這樣的一個(gè)情景設(shè)定，不僅達(dá)到了學(xué)生對(duì)于相關(guān)物理概念、規(guī)律復(fù)習(xí)的目的，而且也提供給學(xué)生一次很好的建模實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

4 結(jié)語

提高學(xué)生的建模能力，可以使學(xué)生體驗(yàn)“形成概念、探索規(guī)律”的過程，讓學(xué)生掌握探究物理問題的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。要提高學(xué)生的建模能力，關(guān)鍵是教師能夠在明了建模能力培養(yǎng)的重要性的前提下，在平時(shí)的教學(xué)活動(dòng)中有意識(shí)地滲透建模的思想，盡可能多地給學(xué)生創(chuàng)造出建構(gòu)物理模型的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在實(shí)踐中體會(huì)和掌握建模的方法。