何青

(江蘇省儀征中學(xué)，江蘇 儀征 211400)

0 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出，學(xué)生應(yīng)具有“建構(gòu)模型的意識和能力”。模型是對物理現(xiàn)象的模仿和抽象，體現(xiàn)了各因素之間的關(guān)系，融入了人們對事物本質(zhì)與客觀規(guī)律的認(rèn)識。情境模型是指以情境化的方式呈現(xiàn)的科學(xué)模型，包括“圖解模型”和“實驗?zāi)Ｐ汀?，其共有特點是直觀性強(qiáng)，便于教學(xué)。在高中物理力學(xué)模塊的教學(xué)中，情境模型常用于展現(xiàn)力與力之間的關(guān)系，將影響物體狀態(tài)的各項因素展示出來，是重要的思維工具。本文擬結(jié)合教學(xué)實踐經(jīng)驗，探索如何在高中物理力學(xué)教學(xué)中運用情境模型。

1 在概念教學(xué)中應(yīng)用情境模型

情境模型將物體轉(zhuǎn)換為質(zhì)點，展示物體的受力狀態(tài)，能夠幫助學(xué)生更準(zhǔn)確地理解力學(xué)模塊中的概念。物理概念來源于生活中的現(xiàn)象，情境模型將生活現(xiàn)象進(jìn)行抽象，能夠讓學(xué)生對其形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識。例如，在高一上冊有關(guān)“合力”和“分力”這兩個概念中，課本中使用兩個圖展示這兩個概念。一幅圖顯示了向左右兩個方向提水，和單獨向上提水的情境；另一幅顯示了用兩根線在左右分別懸掛吊燈，和一根線單獨向上懸掛吊燈的情境。在兩幅圖中，用F1、F2、F來表示不同方向的力。教材通過這兩個情境，直觀地說明什么是合力和分力，并展示了兩個概念之間的關(guān)系。這兩幅圖就是最基本的情境模型。在教學(xué)中，可以先由教師描述一個情境模型，然后講解概念，再讓學(xué)生描述另一個模型，學(xué)生在描述的過程中會運用概念進(jìn)行思考。通過這種方式，讓學(xué)生既知其然又知其所以然，高效建構(gòu)概念，同時學(xué)會解讀情境模型的方法。同時在構(gòu)造情境模型場景的時候，又把物理上“等效替代”這一種最基本的研究分析方法潛移默化的教給學(xué)生。

2 在實驗探究中應(yīng)用情境模型

實驗探究是物理教學(xué)中至關(guān)重要的學(xué)習(xí)活動，實驗探究與情境模型是不可分離的。力學(xué)領(lǐng)域中要探究的事物有一定復(fù)雜性，在生活中很難找到可以直接觀察和分析的對象，因此通常要對現(xiàn)實生活中的“情境”進(jìn)行提煉，使之轉(zhuǎn)換為“實驗?zāi)Ｐ汀?，再加以研究。在開展實驗探究教學(xué)時，教師既要關(guān)注本活動的具體目標(biāo)，又要以活動提升學(xué)生對建模思想的理解能力。最典型的是伽利略在研究自由落體運動時用的銅軌實驗和在研究牛頓第一定律時抽象出來的光滑斜槽理想試驗。

銅軌實驗是為了淡化重力作用，所以對有無摩擦不做要求。但是研究牛頓第一定律的慣性時必須要求在光滑無摩擦的斜槽上來進(jìn)行實驗，當(dāng)時不具備這一條件，所以只能在理論上成立，所以這一情境必須建立在光滑無摩擦的前提下。這就是不同的研究對象就有不同的情境。

2.1 學(xué)生自主創(chuàng)設(shè)情境模型

情境模型具備邏輯上的嚴(yán)密性，而且能夠以實物材料顯示出來，按預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)械運動，是保障實驗有效性的前提。實驗探究中最考驗思維和動手能力的環(huán)節(jié)，就是模型建構(gòu)環(huán)節(jié)。當(dāng)正確構(gòu)建情境模型后，整個實驗活動就成功了一大半。教師應(yīng)重視此環(huán)節(jié)的教育作用，引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)設(shè)情境模型。[1]

以高一“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗為例，師生先通過交流明確本節(jié)實驗要達(dá)到的實驗?zāi)康氖鞘裁?。然后，師生再共同讀課本，探討如何將測量的拉力用所掛重物的重力來替代，這就需要讓所掛重物的重力遠(yuǎn)小于小車重力。這是這個實驗?zāi)艹闪⒌牡谝粋€情境。另外小車和軌道之間有摩擦，用抬高軌道來補(bǔ)償摩擦力，這是第二個情境。完成對實驗的思考和設(shè)計后，教師讓學(xué)生在四人小組內(nèi)展開合作，共同構(gòu)建模型。教師引導(dǎo)學(xué)生按三個步驟搭構(gòu)建模型：第一步，組裝軌道、打點計時器、木塊、小車、紙帶，形成實驗的基本條件；第二步，調(diào)整木板傾斜度，讓實驗條件達(dá)到能夠讓小車拖動紙帶勻速運動的狀態(tài)，以此確定已經(jīng)平衡好摩擦力；第三步，準(zhǔn)備好小車牽引裝置，預(yù)備多個不同質(zhì)量的鉤碼，進(jìn)行多次實驗。通過這種方式，在師生交流和小組合作之間，構(gòu)建了用于實驗探究的情境模型。學(xué)生了解了如何根據(jù)探究目標(biāo)來創(chuàng)設(shè)情境模型，并以適宜的實物材料將其外化，使其成為一種實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

2.2 從情境模型中獲取數(shù)據(jù)

創(chuàng)建情境模型后，實驗者要開展有計劃的操作、觀察、記錄、分析，直至獲取結(jié)論。整個過程的重點是要從模型中獲取數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)探究變量之間的關(guān)系。[2]完成了前期的任務(wù)后，學(xué)生在具體開展實驗時，思路會變得很清晰。教師可以讓學(xué)生來說一說如何將實驗分組，怎樣控制變量。然后再給學(xué)生提供記錄表，由學(xué)生分別記錄在兩種情況下，拉力F、加速度a 和質(zhì)量m 的數(shù)值。在每次記錄之前，學(xué)生要操作實驗、集體觀察，在記錄加速度時還涉及實驗數(shù)據(jù)的處理，在此教給學(xué)生逐差法求加速度可以減少實驗誤差，還有圖像法分析三者之間的關(guān)系。完成實驗后，師生再共同分析數(shù)據(jù)，明確變量之間的關(guān)系。通過對情境模型的探究，得出“物體加速度的大小跟它受到作用力成正比，跟它的質(zhì)量成反比”的結(jié)論。這樣得到的知識是學(xué)生自主觀察和思考的結(jié)果，將真正內(nèi)化為學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的一部分，并且可以讓學(xué)生在“過程與方法”層次上得到提升。通過自主創(chuàng)建、操作和分析模型，學(xué)生將了解建模對于物理學(xué)習(xí)與研究的重要性。實驗?zāi)Ｐ褪乔榫衬Ｐ椭械闹匾愋?，它集中體現(xiàn)了物理學(xué)科的精髓。教師要重視實驗教學(xué)，讓學(xué)生在對實物模型的探究中動手動腦，多維提升。我們在進(jìn)行實驗教學(xué)的時候首先要以課本上的實驗?zāi)Ｐ蜑橹饕治瞿Ｐ?，其次在教學(xué)過程中必須要有所創(chuàng)新，創(chuàng)新的前提就是模型的變更，不同的模型最后能達(dá)成相同的實驗?zāi)康模?dāng)然不同的模型可能處理數(shù)據(jù)的方法和誤差分析的結(jié)果會有所不同，但是通過不同的模型來進(jìn)行實驗的探究和驗證，不正符合學(xué)生對未知事物的認(rèn)知規(guī)律，更適合學(xué)生接受新知識，也正是我們物理實驗教學(xué)的最終目標(biāo)。

3 解題教學(xué)中應(yīng)用情境模型

情境模型化繁為簡、化抽象為直觀的特點，在解題教學(xué)中能夠得到充分顯示。力學(xué)的習(xí)題都描述了問題情境，情境模型可以圖解形式展示已知條件，為分析和解決問題提供便利。習(xí)題專為鍛煉學(xué)生的思維能力而設(shè)，在此模塊中應(yīng)用情境模型，能夠讓學(xué)生更深刻地體會情境模型對于提升思維效率的價值。教師要做到精練精講、有效導(dǎo)學(xué)，以此提升學(xué)生的建模意識與能力。

3.1 根據(jù)問題情境，完善力學(xué)模型

在高中物理習(xí)題中，有許多已經(jīng)給出了初始的模型。師生可以一起解讀模型意義，并根據(jù)力學(xué)知識進(jìn)一步完善模型，以幫助學(xué)生分析問題，以下題為例。

如圖1 所示，兩桿相距4m，一根長為5m 的細(xì)繩分別系在兩桿的A 和B 兩點上。在線繩上有一個光滑的輕質(zhì)掛鉤，掛著重為12N 的物體。當(dāng)處于平衡狀態(tài)時，求繩中張力的大??？

圖1 習(xí)題示例圖

對這個習(xí)題，教師提出：“這是典型的‘三力平衡模型’?！?然后讓學(xué)生結(jié)合力的分解和共力點平衡的有關(guān)知識，說說在情境模型中，三個方向的力如何達(dá)到平衡。絕大多數(shù)學(xué)生能夠指出“物體在上方兩個方向力的合力等于重力”，教師提示學(xué)生注意情境中的繩子是同一條繩子，因此物體在上方兩個方向的力也相等，再提出：“請嘗試根據(jù)平行四邊形定則，畫出力的合成模型?！苯處熢冱c擊多媒體，顯示力的合成模型，將矢量的交點標(biāo)注為點G，然后運用有關(guān)三角函數(shù)的知識，解得T=10，運用有關(guān)AB 點距離和細(xì)繩長度的數(shù)據(jù)，解得sina=4，T=10。添加各種符號、輔助線后的圖像如圖2 所示。

圖2 添加各種符號、輔助線后的圖像

在本題中，雖然基本的模型已給出，但是原本的模型只是對事物的簡單模仿，還不是探究性的模型。通過完善原始模型，將平衡狀態(tài)下物體所受的力清晰顯示出來，則使之成為真正的力學(xué)情境模型，能夠為思維提供支架。在教學(xué)中要多開展這類訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)會從力學(xué)的角度來看問題。

3.2 依據(jù)題中描述，創(chuàng)建情境模型

力學(xué)模塊中的習(xí)題往往來源于生活，反映生活中物體受力的場景。其中一些習(xí)題并未給出情境圖，教師可以引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)題中描述創(chuàng)建情境模型求解，以下題為例。

如果民航客機(jī)發(fā)生意外緊急著陸，會在緊急出口處生成一條氣囊斜面連接地面。現(xiàn)在一架客機(jī)的緊急出口下沿距地面3.2 米，氣囊斜面長度是6.5 米，質(zhì)量60 千克的一名乘客沿氣囊下滑時受240 牛的阻力。求當(dāng)該乘客滑至氣囊底端時的速度。（g取10m/s2）

本題并沒有直接給出模型，根據(jù)題中描述，問題的本質(zhì)是要分析人在一個斜面下滑時的受力和運動情況，可以將人抽象為一個質(zhì)點。教師可在課中引導(dǎo)學(xué)生先畫出下滑時的受力情況。然后，為了觀察和分析方便，進(jìn)一步設(shè)x、y軸方向的力，創(chuàng)建的情境模型如圖3 所示。

圖3 創(chuàng)建的情境模型

創(chuàng)設(shè)以上情境模型，排除了一些具體信息的干擾，能夠讓學(xué)生關(guān)注關(guān)鍵信息，高效地運用理性思維。[3]師生共同分析情境，發(fā)現(xiàn)在y 軸沒有發(fā)生運動，因此F=Fx=Gx-F 阻=Gsinθ-F 阻,==0.92m/s2。再設(shè)滑至底端的速度為v，初速度為v0,由v2-v02=2a×6.5，v=3.46m/s。在本題的練習(xí)中，情境模型是自主創(chuàng)建的結(jié)果，建模的意識和能力則來自于平時知識學(xué)習(xí)中的積淀，要求學(xué)生對問題的實質(zhì)有敏銳的分析力，然后將生活情境轉(zhuǎn)換為力學(xué)情境。本題可以進(jìn)一步的拓展，當(dāng)物體從斜面上滑下到達(dá)底端時，在底端水平鋪上動摩擦因素為0.5 的地毯，求最后小滑塊還能向前滑多遠(yuǎn)？還要求出小滑塊從開始到最后停止所用時間為多少？還可以在距離斜面底端水平1m 處放另一個質(zhì)量相同的滑塊，讓它們發(fā)生碰撞，可以分析兩種特殊情況，一為彈性碰撞，最后交換速度；二為完全非彈性碰撞最后兩者合二為一。這些都是建立在最基本的實物情境模型上，讓學(xué)生能從題目中看到生活中的物理，物理來源于生活也可以改變生活，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

3.3 基于相近情境，開展變式練習(xí)

力學(xué)模塊中有許多常見的情境，如果條件略微變更，就能夠轉(zhuǎn)換成另一種力學(xué)情境，顯示不同的受力情況。在教學(xué)中要注重舉一反三，觸類旁通，針對一種情境模型即時延伸，開展變式練習(xí)，以培養(yǎng)學(xué)生靈活的思維，以下題為例。

輕桿OB 的B 點連接在墻上，可以繞B 點轉(zhuǎn)動。質(zhì)量為m 千克的物體用細(xì)繩AC 懸掛在O 點上，點A固定。在平衡狀態(tài)時，AO 與水平方向的夾角是30°，求OB 輕桿受彈力的大?。?/p>

對以上例題畫出的力學(xué)情境模型如圖4 所示，因為OB 是轉(zhuǎn)軸桿，所以要受到一個沿水平方向的力N1，F(xiàn)N1=，再由牛頓第三定律可得，OB 受到的彈力也是。學(xué)生熟悉本題后，教師對題中的情境進(jìn)行微調(diào)，將OB 由轉(zhuǎn)軸桿改為頂端裝有小滑輪的固定桿，其他條件不變，要求輕桿對滑輪的作用力。針對變式題型，畫出力學(xué)情境模型如圖5 所示。當(dāng)條件改變時，O 點變成為了滑輪中心，這時桿所受彈力不一定是沿AB 方向。根據(jù)平行四邊形定則，可知OB 所受的彈力=F2=mg.本次教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)識了“輕桿模型”中的兩種變式，在比較分析中提升了學(xué)生思維的精度。從而在此也提出物理上的“死結(jié)”和“活結(jié)”的區(qū)別，這也是力學(xué)的一個基本模型。例外對圖4 可以進(jìn)行進(jìn)一步拓展，如果將圖4 上面的繩子如果換成桿子其結(jié)果如何？讓學(xué)生分析這種模型跟原題的區(qū)別，最后得出，上面無論是繩子還是桿子它們起的作用都是拉的作用，兩者受力分析是完全一樣的，雖然模型不一樣，但是結(jié)果卻是相同的，這就是萬變不離其宗。

圖4 力學(xué)情境模型

圖5 力學(xué)情境模型

將情境模型運用于力學(xué)教學(xué)中符合物理學(xué)習(xí)的基本規(guī)律，能夠提高本模塊教學(xué)的效率，讓學(xué)生在知識、思維、方法等角度得到多方面的提升。教師要在概念分析、實驗探究及解題教學(xué)模塊巧用情境模型，以提升學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。