摘? ?要：生活實(shí)踐問題情境的試題要求學(xué)生能從具體問題中建構(gòu)起對應(yīng)的物理模型，依據(jù)模型滿足的物理規(guī)律列出對應(yīng)的數(shù)學(xué)公式，從而解決情境化的物理問題。以2022年廣東高考試題為例，研究物理模型建構(gòu)的教學(xué)現(xiàn)狀和必要性，得出建構(gòu)物理模型的應(yīng)用思路和提升建模能力的有效方式，以達(dá)到提升學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)的目的。

關(guān)鍵詞：物理模型；生活情境化；新課程標(biāo)準(zhǔn)；建構(gòu)能力

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）9-0039-4

收稿日期：2023-04-10

作者簡介：趙景秀（1985-），女，中學(xué)一級教師，主要從事高中物理教學(xué)與研究工作。

分析2022年廣東高考物理試題，發(fā)現(xiàn)生活實(shí)踐問題情境的題目占比為56%，如輕繩牽引磨豆腐，“祝融號”火星車休眠，自動雨傘開傘過程，玻璃瓶測水深等真實(shí)生活情境。解答這類試題要求學(xué)生能從具體問題中建構(gòu)出對應(yīng)的物理模型，再依據(jù)模型列出相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式，從而解決情境化的物理問題。

1? ? 物理模型建構(gòu)的教學(xué)現(xiàn)狀

在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，很多學(xué)生面對生活情境試題時并不能正確地從中抽象概括出物理模型，這就是解決情境化試題的困難所在，究其原因主要有兩個方面。

1.1? ? 學(xué)生從生活實(shí)踐情境中提煉出物理模型的能力不足

學(xué)生平時做題訓(xùn)練多以簡化情境的題目為主，可套用物理公式或規(guī)律直接進(jìn)行解題，題目忽略了建構(gòu)物理模型解決問題的思維過程。其結(jié)果是學(xué)生在處理物理問題時只關(guān)注答案結(jié)果，不注重思維品質(zhì)的形成過程，而缺少簡化、抽象、理想等方式建構(gòu)物理模型的思維過程，學(xué)生很難適應(yīng)情境化的試題。

1.2? ? 教師不注重培養(yǎng)學(xué)生物理建模過程

教師講解生活情境化試題時，不注重物理生活情境與物理知識的緊密聯(lián)系，遇到題干中對實(shí)際生活的文字描述就簡而化之，或跳過描述，直接列出規(guī)律表達(dá)式。忽略訓(xùn)練學(xué)生在生活情境試題中對關(guān)鍵文字的信息提煉或情境的理解，不注重培養(yǎng)學(xué)生的物理建模過程和規(guī)律公式的來源分析，勢必給學(xué)生物理建模能力的發(fā)展帶來阻礙。

2? ? 高中物理模型建構(gòu)的必要性

從學(xué)生發(fā)展的需求來看，高中學(xué)生已經(jīng)具備一定的生活實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其信息獲取、科學(xué)推理論證、抽象概括等思維均發(fā)展到了較高的水平，這些學(xué)習(xí)能力都為建立一個正確的物理模型奠定了基礎(chǔ)。

2.1? ? 有利于科學(xué)思維的全面發(fā)展

在生活實(shí)踐問題情境化習(xí)題的教學(xué)講解中，教師要引導(dǎo)學(xué)生逐字逐句地讀題，緊扣題目中的關(guān)鍵信息，如恰好、光滑、不計等詞語，培養(yǎng)學(xué)生的理解能力和信息加工能力。引導(dǎo)學(xué)生抓住題目中主要因素的特征，通過類比聯(lián)想、抽象概括或邏輯推理等思維活動，把抽象問題的具體描述轉(zhuǎn)換為對象模型、條件模型、過程模型等，以培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)起物理模型的思維方法；通過模型特征判斷物理問題所需的物理規(guī)律，根據(jù)模型條件列出相應(yīng)的數(shù)學(xué)規(guī)律表達(dá)式，以此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理、論證質(zhì)疑能力。

建立物理模型本身就是思維的升華，是思維的創(chuàng)新性發(fā)展，所以物理建模能力的水平高低關(guān)系著學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展，影響學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力。

2.2? ? 有利于物理知識結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格化

高中物理概念和物理規(guī)律很多，知識綜合性強(qiáng)，建構(gòu)物理模型有助于學(xué)生把握問題的主要因素，并將瑣碎的知識點(diǎn)串接起來，形成知識網(wǎng)絡(luò)框架。高中課本中的物理模型可以看成是高中物理概念和規(guī)律的紐帶橋梁，從類型上可以劃分為實(shí)體模型和過程模型這兩大模型體系。例如，細(xì)繩、運(yùn)動小車、帶電小球等作為研究對象時，在高中階段不考慮研究對象的大小和形狀，從而抽象成理想化的質(zhì)點(diǎn)模型，解決了研究對象的模型問題。又如，平拋運(yùn)動模型根據(jù)運(yùn)動和受力的特點(diǎn)，可以細(xì)分為水平方向的勻速直線運(yùn)動模型與豎直方向的自由落體模型。根據(jù)平拋運(yùn)動模型“合力不變且與初速度垂直”的本質(zhì)特征，將這種模型遷移應(yīng)用到帶電粒子在勻強(qiáng)電場中偏轉(zhuǎn)問題的“類平拋運(yùn)動模型”。進(jìn)一步擴(kuò)展平拋模型的研究方法，就會發(fā)現(xiàn)斜拋模型是兩個平拋運(yùn)動在最高點(diǎn)的對稱合成。抓住物理模型的本質(zhì)特征將物理知識結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化，可以起到增強(qiáng)學(xué)生更好地掌握物理概念、靈活應(yīng)用物理規(guī)律去解決一系列的相似模型的物理問題的效果。

2.3? ? 建構(gòu)物理模型是擺脫題海戰(zhàn)術(shù)的有效方式

生活實(shí)踐情境下的物理習(xí)題訓(xùn)練對提升學(xué)生能力有幫助，但過量的習(xí)題會使得學(xué)生疲憊。其實(shí)，絕大多數(shù)的生活情境化習(xí)題中都有物理模型的相應(yīng)信息和原型，細(xì)心的學(xué)生一旦發(fā)現(xiàn)物理模型再嘗試進(jìn)行物理模型的還原重建，加以教師對模型的分析引導(dǎo)，只需適量的物理習(xí)題練習(xí)，學(xué)生就能理清同一類問題的物理模型特征，建立相應(yīng)的物理模型，形成良好的習(xí)慣，提升學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生從題海戰(zhàn)術(shù)中成功脫身。

3? ? 建構(gòu)物理模型的應(yīng)用思路

新課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)要求下生活實(shí)踐情境化的試題，是運(yùn)用新的素材包括真實(shí)情境的素材來考查學(xué)生的知識掌握能力，這時模型的建立是學(xué)生解決物理問題的關(guān)鍵［1］。其建構(gòu)物理模型思路程序如圖1所示。

學(xué)生解生活實(shí)踐問題情境的試題需要從試題中提取信息，再經(jīng)過抽象、簡化等思維過程呈現(xiàn)物理模型，分析出問題情境和模型特征來選擇物理規(guī)律和公式，最后利用數(shù)學(xué)知識進(jìn)行推導(dǎo)論證，從而解決情境化的物理問題。

例1 （2022年廣東卷第2題）“祝融號”火星車需要“休眠”以度過火星寒冷的冬季。假設(shè)火星和地球的冬季是各自公轉(zhuǎn)周期的四分之一，且火星的冬季時長約為地球的1.88倍。火星和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)均可視為勻速圓周運(yùn)動。下列關(guān)于火星、地球公轉(zhuǎn)的說法正確的是（? ? ? ）

A. 火星公轉(zhuǎn)的線速度比地球的大

B. 火星公轉(zhuǎn)的角速度比地球的大

C. 火星公轉(zhuǎn)的半徑比地球的小

D. 火星公轉(zhuǎn)的加速度比地球的小

本題是以我國所取得的科技成果“祝融號”火星車需要“休眠”這一真實(shí)問題情境為試題的考查載體而編制的考題，題目建構(gòu)對應(yīng)一定的物理模型。解答順序按建構(gòu)物理模型的思路程序，先審題提取有用信息，抓住“冬季是公轉(zhuǎn)周期的四分之一”“勻速圓周運(yùn)動”關(guān)鍵詞語進(jìn)行理解。需要學(xué)生在頭腦中呈現(xiàn)出地球和火星分別繞太陽公轉(zhuǎn)、“祝融號”火星車隨火星一起繞太陽公轉(zhuǎn)的情境圖像。為使運(yùn)動過程更形象化，在稿紙上可以作如圖2所示的運(yùn)動示意圖，為物理模型建立清晰的物理圖形。

在現(xiàn)實(shí)生活中，地球繞太陽公轉(zhuǎn)周期是1 年，通過類比思維，那么火星繞太陽的周期就近似為1.88年，從而得知其公轉(zhuǎn)周期大于地球公轉(zhuǎn)周期。再以火星和地球作為研究對象，建立質(zhì)點(diǎn)模型；行星繞太陽公轉(zhuǎn)的運(yùn)動可視為勻速圓周運(yùn)動的過程模型。根據(jù)勻速圓周運(yùn)動的本質(zhì)特征“合外力大小不變且時刻指向圓心充當(dāng)向心力”，建立萬有引力等于向心力的條件模型。最后選擇規(guī)律公式G=mr，G=m，ω=，G=ma，進(jìn)行數(shù)學(xué)演算，順利得出D選項正確，從而解決了天體運(yùn)動的物理問題。

例2 （2022年廣東卷第13題）某同學(xué)受自動雨傘開傘過程的啟發(fā)，設(shè)計了如圖3所示的物理模型。豎直放置在水平桌面上的滑桿上套有一個滑塊，初始時它們處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)滑塊從A處以初速度v0=10 m/s向上滑動時，受到滑桿的摩擦力f=1 N，滑塊滑到B處與滑桿發(fā)生完全非彈性碰撞，帶動滑桿離開桌面一起豎直向上運(yùn)動。已知滑塊的質(zhì)量m=0.2 kg，滑桿的質(zhì)量M=0.6 kg，A，B間的距離l=1.2 m，重力加速度g取10 m/s2，不計空氣阻力。求：（1）滑塊在靜止時和向上滑動的過程中，桌面對滑桿支持力的大小N1和N2；（2）滑塊碰撞前瞬間的速度大小v；（3）滑桿向上運(yùn)動的最大高度h。

本題以生活中自動傘的開傘過程為問題情境作為考查載體，在能力的考查方面主要是考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力和推理論證能力。根據(jù)題目要求，本題中考查的模型建構(gòu)能力為四級水平。建構(gòu)模型解決問題的過程為：第一，認(rèn)真審題，提取關(guān)鍵信息點(diǎn)“靜止?fàn)顟B(tài)”“完全非彈性碰撞”“一起豎直向上”。第二，在稿紙上作受力分析圖、運(yùn)動示意圖展現(xiàn)物理情境，為建模做好準(zhǔn)備。第三，通過簡化，不考慮滑塊的大小和形狀，建立質(zhì)點(diǎn)模型?；瑝K和滑桿都靜止，建立滑塊和滑桿為整體研究對象的對象模型以及平衡狀態(tài)模型?；瑝K向上做勻減速直線運(yùn)動的過程模型，滑塊與滑桿的碰撞模型，“不考慮空氣阻力”“一起豎直向上運(yùn)動”可以簡化為豎直上拋運(yùn)動模型。第四，根據(jù)建構(gòu)的物理模型的本質(zhì)特征依次使用適合的規(guī)律公式，進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和論證，得出結(jié)論，從而順利解決生活探究情境問題。

4? ? 提升學(xué)生物理模型建構(gòu)能力的有效方式

“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素［2］。物理模型建構(gòu)能力是高中物理核心素養(yǎng)的目標(biāo)要求，也是高考評價體系中的五大關(guān)鍵能力之一［3］。在生活情境化試題的講解中培養(yǎng)學(xué)生物理建模能力，教師可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。

4.1? ? 教師重視模型建構(gòu)過程的引導(dǎo)作用

教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程，是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑［1］。學(xué)生遇到一些字符、數(shù)據(jù)較多的生活情境試題時，審題提取題目關(guān)鍵信息的能力不足或是對物理現(xiàn)象、物理情境、物理狀態(tài)、物理過程等理解不到位，學(xué)生的思維就會受到嚴(yán)重影響，甚至分不清研究對象，這時就需要教師引導(dǎo)學(xué)生理解關(guān)鍵詞語，細(xì)品物理過程，逐步加深學(xué)生對物理模型的認(rèn)識，發(fā)展物理模型的建構(gòu)能力。

4.2? ? 培養(yǎng)學(xué)生形象化呈現(xiàn)物理情境的能力

學(xué)生在理解文字的基礎(chǔ)上需要把物理情境或物理過程清晰呈現(xiàn)出來。一些學(xué)生能在頭腦中呈現(xiàn)出物理過程，但作圖才是呈現(xiàn)物理情境的最優(yōu)方式。作物理過程運(yùn)動簡圖或受力分析圖可使物理情境、物理過程直觀化，使思維可視化，把一些關(guān)鍵的地方用紙筆點(diǎn)出，更利于物理模型建構(gòu)。

4.3? ? 注重物理模型的本質(zhì)特征分析

高中階段的物理模型知識豐富，生活情境化的問題更是多如繁星，分析物理模型的本質(zhì)特征尤其重要，可促使物理模型所遵循的物理規(guī)律準(zhǔn)確呈現(xiàn)。如圓周運(yùn)動中“繩球模型”中細(xì)繩“不考慮質(zhì)量且不可伸長”，“繩子拉力沿繩子收縮方向”的本質(zhì)特征使得小球運(yùn)動到圓周運(yùn)動的最高點(diǎn)時有一個臨界狀態(tài)和臨界速度。教師分析講清這一特征，學(xué)生掌握物理模型特征才能不死記硬背，不生搬硬套地使用物理規(guī)律和公式去解決問題，從而有信心把物理模型拓展應(yīng)用到其他生活情境試題中解決類似物理問題。

4.4? ? 分層要求，提升模型建構(gòu)能力

新課程標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)教學(xué)必須面向全體學(xué)生，但高中學(xué)生的思維能力發(fā)展的情況存在差異，物理模型建構(gòu)教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)能力也存在差別。針對個體差異，物理模型的分層教學(xué)就非常有必要。高考考試說明中也談到物理試題的綜合性，計算題中常常會出現(xiàn)幾個物理模型組合在一起，而且問題情境的難度也是逐步深入。在教師分析綜合性較強(qiáng)的生活情境化試題時，對學(xué)生模型建構(gòu)的要求有所不同。學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生可以進(jìn)行物理模型綜合應(yīng)用，挑戰(zhàn)自我。而思維能力稍弱的學(xué)生能分析掌握一兩個物理模型即可，培養(yǎng)學(xué)習(xí)的信心。模型建構(gòu)分層要求讓各類學(xué)生都學(xué)有所得，慢慢提升學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

5? ? 結(jié)? 論

基于新課程標(biāo)準(zhǔn)的核心素養(yǎng)要求及學(xué)生思維能力發(fā)展需求，在生活實(shí)踐情境試題中建構(gòu)物理模型，使抽象難懂的物理問題直觀具體地展現(xiàn)，有助于學(xué)生解決物理問題能力的提升，有助于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和提高。

參考文獻(xiàn)：

［1］秦旭芳.基于高中學(xué)生在不同情境下的物理建模研究［D］.桂林：廣西師范大學(xué)，2019：6.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：4.

［3］張春麗.對“基于高考評價體系的五種關(guān)鍵能力”含義界定的嘗試［J］.物理教學(xué)探討，2020，38（6）：41-45.

（欄目編輯? ? 陳? 潔）