吳寒平

（福州外國語學(xué)校，福建 福州 350007）

在高中物理教學(xué)過程中，可以觀察到這樣一種現(xiàn)象，因為內(nèi)容多、課時緊，為了讓學(xué)生盡快進(jìn)入復(fù)習(xí)階段，存在著急趕進(jìn)度的問題，忽視了建模能力的培養(yǎng)，這在很大程度上影響著學(xué)生物理學(xué)習(xí)的效果。學(xué)生只會背公式盲目刷題，對物理學(xué)科的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了畏懼的心理，這對學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展不利。因此在物理課堂教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維，落實學(xué)科素養(yǎng)，是物理教師的教學(xué)任務(wù)之一。［1］用建模來認(rèn)知規(guī)律，這是一種富有想象力的教學(xué)方式，有利于形成正確的科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生提高理解和建構(gòu)新知識的能力，學(xué)會把復(fù)雜的問題簡單化，把抽象的問題具體化，促進(jìn)學(xué)生提高綜合分析和解決物理問題的能力。

皮亞杰認(rèn)知的結(jié)構(gòu)理論為課堂教學(xué)提供理論依據(jù)。［2］教學(xué)中，物理模型的建立并非使用概念的闡述和語言的說明能夠解決的。課堂教學(xué)可遵循通過對物理模型的認(rèn)識，引導(dǎo)建模思維，從問題情境中以模型為載體進(jìn)行物理方法教學(xué)，在習(xí)題中挖掘模型進(jìn)行物理思維培養(yǎng)，循序漸進(jìn)，最終使學(xué)生在潛移默化中建立物理模型，應(yīng)用物理模型，受到思維方法的教育。

一、認(rèn)識物理模型，建立模型思維

建立模型，可以幫助教師更優(yōu)化地整理信息，制定好的策略。簡單來說，就是幫助教師透過現(xiàn)象看本質(zhì)。在物理學(xué)中，牛頓定律以及愛因斯坦相對論，都是模型思維的結(jié)構(gòu)。通過從簡單到復(fù)雜的過程，讓學(xué)生認(rèn)識建模的意義，掌握復(fù)雜知識的最有效途徑就是掌握其中的規(guī)律所在，用規(guī)律去探知未知和解決問題。樹立模型思維解決物理問題，找到模型中蘊(yùn)含的規(guī)律是迅速解決復(fù)雜問題的途徑。

圖1

例如：牛頓第一定律中，無阻力平面是從粗糙、光滑到理想平面的一個初步建模過程，物體受合外力為零就相當(dāng)于不受外力，可用牛頓第一定律解決這類問題。從牛頓第一定律到牛頓第二定律是從受合外力為零到合外力不為零的改變。合外力不為零，產(chǎn)生加速度，因此要解決的就是變速運動的問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中思維循序漸進(jìn)，逐步認(rèn)識物理模型的作用，就會建立模型思維。再如，物體受一個力作用最簡單，受多個力怎么辦？求解合力就成為最佳選擇。較復(fù)雜的受力情況，就可以得到很好的解決。如圖1所示，是三個共點力平衡問題，只要滿足一個力不變，另一個力方向不變，第3個力大小方向變化，采取的解決方法是，取N和F為邊，做平行四邊形，其合力一定與重力G大小相等，方向相反，當(dāng)F的方向變化時，可以在平行四邊形中看到F的大小變化情況，也可以看到N的變化情況。使用模型思維，在形象直觀的圖形中解決了復(fù)雜的動態(tài)平衡這類問題。

二、創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)建模方法

學(xué)生是課堂教學(xué)中的主體，教師教學(xué)起主導(dǎo)作用。在課堂中要落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，教師應(yīng)積極通過多種方式，創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，讓學(xué)生從自身已有的認(rèn)知出發(fā)去發(fā)現(xiàn)問題，認(rèn)清事物內(nèi)在本質(zhì)，從而學(xué)習(xí)到建模的基本方法。

例題：列車長為L，鐵路橋長也是L，列車沿平直軌道勻加速過橋，車頭過橋頭的速度是v1，車頭過橋尾的速度是v2，則車尾通過橋尾時的速度為（）

提出問題：車頭過橋頭時，是否可看作是一質(zhì)點，為什么？解決了這一問題，就可應(yīng)用質(zhì)點模型，表述就簡化為質(zhì)點經(jīng)過橋頭時的速度為v1，運動一段位移L之后，經(jīng)過橋尾時的速度為v2，再繼續(xù)向前運動一段位移L，速度為v3。因此就可以把以上的物理情景，簡化建立成勻變速直線運動間隔相同位移的速度關(guān)系模型，應(yīng)用速度中點的公式即可解得末速度V3，畫出簡圖，得出這道題中要構(gòu)建兩個模型，一個是質(zhì)點的模型，一個是勻變速直線運動的模型，即可迅速找到解決問題的途徑。如圖2所示：

圖2

面對實際問題，設(shè)計問題情境，讓學(xué)生從中體會到從問題情境出發(fā)，尋找建模的方法，培養(yǎng)學(xué)生從復(fù)雜的現(xiàn)象表述中找到關(guān)健，尋得建模入門的有效方法。

三、展示思維方法，促進(jìn)建模體驗

由于原有的學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)方式，學(xué)生更多關(guān)注知識的學(xué)習(xí)，而不關(guān)心思維方法正確與否。如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會積極思維，展示思維方法，提高思維品質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生建模能力提高，這需要教師在教學(xué)中有意識地加以引導(dǎo)。

例如：在二力合成的新課教學(xué)中，要建立等效替代的概念，教師在教學(xué)過程中，可以做這樣的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，教學(xué)展示一：讓兩個學(xué)生推一輛車緩緩地勻速前進(jìn)，讓一個學(xué)生也推同樣的車，緩緩地前進(jìn)。提出疑問：這兩種情形推動車，產(chǎn)生的效果一樣嗎？學(xué)生會對兩次作用產(chǎn)生的效果是否相同提出疑問。教學(xué)展示二：讓兩個學(xué)生一起提一桶水保持穩(wěn)定，換一個學(xué)生也提著相同的一桶水保持穩(wěn)定，提出疑問：這兩種狀態(tài)下，對水桶產(chǎn)生的效果相同嗎？學(xué)生得出結(jié)果，這兩次對水桶產(chǎn)生的作用效果是相同的。教師引入合力和分力的概念，如何讓學(xué)生更深的理解合力和分力概念，完整地構(gòu)建出等效替代的模型。在教學(xué)中增加一個讓學(xué)生體驗的環(huán)節(jié)設(shè)計，教學(xué)展示三：教師提供一根下端有兩根細(xì)繩套的彈性繩，讓學(xué)生討論分析，如何實現(xiàn)一個力單獨作用在彈性繩上產(chǎn)生的作用效果，與兩個力共同作用產(chǎn)生的效果相同。讓兩個學(xué)生到講臺上，完成體驗探究。此時教師可以提出問題，這兩位同學(xué)的示范是否達(dá)成目標(biāo)？這個時候?qū)W生會有不同意見，教師順勢提出，那要如何才能實現(xiàn)一個力和兩個力共同作用達(dá)到效果相同呢？此時學(xué)生就會提出，那要記錄第1次拉伸后彈性繩末端的位置。這樣的教學(xué)設(shè)計，可以充分讓學(xué)生感受兩個力共同作用與一個力單獨作用產(chǎn)生的效果相同，具體要做到什么。關(guān)注學(xué)生的課堂體驗感，更好地構(gòu)建出合力與分力的概念模型。

四、挖掘思維階梯，樹立模型意識

物理建模意識的確立是一個潛移默化的過程，需要教師在實踐教學(xué)中加強(qiáng)引導(dǎo)，讓學(xué)生認(rèn)識到物理模型觀念、模型直覺、甚至創(chuàng)新意識，讓學(xué)生認(rèn)識到物理習(xí)題都是從物理基本規(guī)律、基本題型演化而來，也就是依據(jù)一定的物理模型精心構(gòu)思，設(shè)計而成的。只要找到事物間的聯(lián)系，就可迅速找到問題的途徑，教師應(yīng)該在教學(xué)中時時把握建模意識培養(yǎng)。

例題：圖3是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的硅光電池電流與路端電壓U的關(guān)系。圖中電流表和電壓表均視為理想電表，R0＝2Ω。

圖3

圖4

（1）一定強(qiáng)度的光照射硅光電池，將電鍵S閉合，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值，通過測量得到該電池的U－I曲線a，見圖4。由此可知此時該電池的電動勢為________V；若調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值，使電流小于200mA，則此時電源內(nèi)阻為________Ω。

（2）當(dāng)該電路可調(diào)電阻R的阻值調(diào)到某值時，路端電壓為1.5V，變阻器R消耗的功率為________mW。

教師可以例題為物理模型深入包裝、設(shè)計題型，繼續(xù)培養(yǎng)學(xué)生建模意識。

挖掘1：一個20Ω的電阻和電源串聯(lián)，電鍵閉合后，電源的輸出電壓約為多少伏？電流強(qiáng)度約為多少安？

挖掘2：兩個電阻20Ω的電阻和電源串聯(lián)，電鍵閉合后，電源的輸出電壓約為多少伏？電流強(qiáng)度約為多少安？

挖掘3：兩個組織都為20Ω的電阻并聯(lián)后，在與該電源串聯(lián)，電鍵閉合后，電源的輸出電壓約為多少伏？電流強(qiáng)度約為多少安？

如何用U－I圖像，找尋工作狀態(tài)，要明確分析建模思路：1.已知電源滿足的U－I關(guān)系；2.尋找U－I在外電路滿足的關(guān)系式；3.將找到的U－I關(guān)系式作圖；4.交叉點即為工作狀態(tài)。

該題如不具有模型意識是很難找到解題思路的，只有學(xué)生確立了物理模型，解決問題就水到渠成了。

教學(xué)中，通過教師的精心引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生優(yōu)質(zhì)物理思維方法的確立和升華。通過建模，培養(yǎng)學(xué)生分析與綜合、比較、抽象和概括、類比、推理、等效等方法，進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力，通過物理建模有效促進(jìn)學(xué)生的核心素養(yǎng)的提高，對學(xué)生的成長是終生受益。