摘 要 物理模型不僅能夠簡化問題，幫助學(xué)生理解問題，還可以訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。高中物理教學(xué)中的常見模型包括對象模型、過程模型、條件模型和綜合性模型。在核心素養(yǎng)背景下，高中物理教師要挖掘和利用物理模型的作用，創(chuàng)設(shè)適切情境，將復(fù)雜問題簡單化，簡單問題模型化，并搭配習(xí)題訓(xùn)練，重視對學(xué)生建模意識的培養(yǎng)，營造具有吸引力和趣味性的物理課堂。

關(guān)鍵詞 核心素養(yǎng)；物理模型；有效教學(xué)；物理思維

中圖分類號 G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 2095-5995（2024）10-0069-03

近年來，高考命題的變化顯示出對學(xué)生解決實(shí)際問題能力的更高要求，這一轉(zhuǎn)變凸顯了建模能力在現(xiàn)代教育中的重要性。面對實(shí)際問題時，學(xué)生常常因缺乏系統(tǒng)的建模能力而難以有效獲取和利用信息，從而無法建立準(zhǔn)確的模型來解決問題。因此，深入研究物理模型建構(gòu)策略及有效教學(xué)方法顯得尤為迫切和重要。通過系統(tǒng)分析和總結(jié)，可以幫助教育者和學(xué)生理解如何在實(shí)際問題中應(yīng)用物理模型，從而提升解決問題的能力。

一、高中物理教學(xué)中的幾種常見模型

（一）對象模型

對象模型是根據(jù)研究問題的特性進(jìn)行定義的。在這種模型中，通常只關(guān)注問題的主要因素，而忽略次要因素，通過對主要因素的抽象、概括和總結(jié)來建立模型。例如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、彈簧振子、黑體和理想變壓器等都屬于對象模型的范疇。學(xué)生在學(xué)習(xí)和應(yīng)用對象模型時，需要根據(jù)問題的特點(diǎn)明確主次要因素，培養(yǎng)分析問題本質(zhì)的能力，以及將物體特性抽象化的能力。

（二）過程模型

過程模型建立在物體運(yùn)動的基礎(chǔ)上，將研究問題的運(yùn)動過程簡化、理想化，并保留主要因素，忽略次要因素。例如自由落體運(yùn)動、彈性碰撞和簡諧運(yùn)動等都是常見的過程模型。教師在引導(dǎo)學(xué)生建立過程模型時，通常通過創(chuàng)設(shè)實(shí)際情境讓學(xué)生感受運(yùn)動過程的特點(diǎn)，然后通過猜想、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和科學(xué)推理來加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合。通過建構(gòu)過程模型，可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理和實(shí)驗(yàn)探究能力，提高他們綜合運(yùn)用模型解決問題的能力。

（三）條件模型

條件模型考慮研究對象及其環(huán)境、外部條件等因素，并對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦硐牖幚?，如勻?qiáng)磁場、光滑接觸面和自由膨脹等模型都屬于條件模型的范疇。例如，對于勻強(qiáng)磁場的理解，雖然在現(xiàn)實(shí)生活中并不存在絕對的勻強(qiáng)磁場，但通過理想化處理，如將長直螺線管內(nèi)部的磁場視為勻強(qiáng)磁場，可以有效地進(jìn)行物理分析和問題求解。通過條件模型的建構(gòu)，學(xué)生能夠形成對物質(zhì)和環(huán)境理想化處理的觀念，掌握研究物體的基本思路和方法。

（四）綜合性模型

綜合性模型將以上幾種模型整合，具有較高的復(fù)雜性和綜合性。例如木板—木塊模型、行星運(yùn)動模型以及帶電粒子在有界電場（磁場）中的運(yùn)動問題等都屬于綜合性模型的例子。在處理這類問題時，通常需要結(jié)合多種模型和解題策略，這不僅使問題的解決路徑更加清晰和系統(tǒng)化，還能夠提高學(xué)生解題的效率和問題解決能力。

二、物理模型建構(gòu)的三個要素

（一）情境是模型建構(gòu)的載體和展開基礎(chǔ)

模型建構(gòu)的過程始于具體的物理情境，通過這一情境建立模型，并對其進(jìn)行分析和評價，以實(shí)現(xiàn)對情境的深入理解。高中物理作為一門與日常生活緊密相關(guān)的學(xué)科，教師在模型建構(gòu)活動中必須注重將模型與學(xué)生的日常生活相結(jié)合。通過生活化的內(nèi)容，學(xué)生能夠體會到物理知識與生活的廣泛交叉，增強(qiáng)對物理知識的理解，感受其為人類生活帶來的美好。這種結(jié)合不僅促進(jìn)了學(xué)生思維的發(fā)展，也提高了他們的思維能力。

例如，在講解“牛頓第三定律”時，常規(guī)教學(xué)中利用彈簧測力計定量探究作用力與反作用力的關(guān)系，往往受到摩擦力和彈簧自身彈性限度等因素的影響，導(dǎo)致定量探究的局限性。尤其在碰撞類瞬時突變的相互作用力中，彈簧測力計無法實(shí)現(xiàn)定量測量，而利用力傳感器則可以有效解決這一問題。教師可以通過力傳感器定量探究鐵塊碰撞雞蛋時的相互作用力關(guān)系，使學(xué)生更直觀地理解物理現(xiàn)象。通過這些方法，教師能夠更好地引導(dǎo)學(xué)生將物理知識與實(shí)際生活相結(jié)合，提升他們的學(xué)習(xí)興趣和理解能力。

（二）問題是模型建構(gòu)展開的推進(jìn)器

問題情境是指在教學(xué)過程中，教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，創(chuàng)設(shè)具有啟發(fā)性和引導(dǎo)性的問題。在物理教學(xué)中，構(gòu)建問題情境能夠幫助學(xué)生將抽象的物理知識具體化、形象化，使他們更容易理解和掌握知識重點(diǎn)，促使學(xué)生主動思考、積極探索，從而提高學(xué)習(xí)效果。

在構(gòu)建問題情境的過程中，教師可以結(jié)合生活實(shí)例。例如，在學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動時，教師可以將過山車的原理融入教學(xué)，讓學(xué)生從生活的角度進(jìn)行知識探究；在講解“牛頓第三定律”時，教材中關(guān)于摩擦力和非接觸力的定量探究存在留白，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考：如何設(shè)計實(shí)驗(yàn)以定量探究相互作用的摩擦力和非接觸力的關(guān)系？此外，教師還可以利用物理學(xué)史來構(gòu)建問題情境。物理學(xué)史中蘊(yùn)含著豐富的物理思想和科學(xué)方法，教師可以利用這些素材來激發(fā)學(xué)生的思考。例如，在介紹牛頓的萬有引力定律時，可以講述牛頓是如何通過觀察蘋果落地等現(xiàn)象而發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的故事，并提出“如果你是牛頓，你會如何思考這個問題？”等引導(dǎo)性問題，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

（三）過程是模型建構(gòu)的經(jīng)歷和體驗(yàn)

在物理模型建構(gòu)過程中，學(xué)生通過體驗(yàn)和學(xué)習(xí)建模方法，增強(qiáng)建模意識，并提高解決問題的能力。這一過程包括兩個主要步驟：思維轉(zhuǎn)化和處理加工。思維轉(zhuǎn)化要求學(xué)生運(yùn)用物理知識，通過分析、判斷、簡化、抽象和檢驗(yàn)等思維方式，將情境化問題轉(zhuǎn)化為非情境化問題。［1］處理加工則涉及使用物理方法和數(shù)學(xué)手段進(jìn)行推導(dǎo)和演算，將非情境化問題轉(zhuǎn)化為解決方案。

例如，教師可以利用磁懸浮地球儀和電子秤的清零功能進(jìn)行非接觸力的實(shí)驗(yàn)。具體操作為：在斷電情況下，將磁懸浮地球儀的圓環(huán)放置在電子秤上并清零，然后將球體放在圓環(huán)上，測量并記錄球體的質(zhì)量。接著，通電使球體懸浮，觀察電子秤的示數(shù)，發(fā)現(xiàn)示數(shù)沒有變化。這個實(shí)驗(yàn)說明了非接觸力之間的關(guān)系是等大反向的。電子秤的示數(shù)反映了物體對電子秤的向下作用力。由于清零后，兩次示數(shù)反映了球體對圓環(huán)向下的作用力。第一次示數(shù)可以推斷出物體的重力大小，而第二次示數(shù)相等，說明球體對圓環(huán)的向下磁力大小等于重力。在懸浮狀態(tài)下，圓環(huán)對球體的向上磁力大小等于球體的重力。分析可知，圓環(huán)對球體的向上磁力等于球體對圓環(huán)的向下磁力，驗(yàn)證了相互作用的非接觸力之間的等大反向關(guān)系。

由此可見，物理模型建構(gòu)過程的重點(diǎn)在于將情境化的問題轉(zhuǎn)化為非情境化的問題的思維過程。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生利用身邊的實(shí)物，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，剖析情境背后的物理原理，挖掘其中蘊(yùn)含的物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

三、高中物理教學(xué)中的模型建構(gòu)策略

（一）創(chuàng)設(shè)適切情境，激活模型意識

創(chuàng)設(shè)適切的情境對于激活學(xué)生的模型意識至關(guān)重要。［2］通過具體的情境設(shè)計和引導(dǎo)，教師能夠幫助學(xué)生在實(shí)踐中理解抽象的物理概念，從而提升他們的學(xué)習(xí)效果和思維能力。這種教學(xué)方法不僅符合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，也為學(xué)生的物理學(xué)習(xí)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

例如，在“質(zhì)點(diǎn)”這一概念的教學(xué)中，許多學(xué)生對質(zhì)點(diǎn)的定義及其將物體視為質(zhì)點(diǎn)的條件理解并不透徹，難以建立與這一物理概念相對應(yīng)的模型。因此，教師應(yīng)當(dāng)優(yōu)化教學(xué)方式，創(chuàng)設(shè)如下情境：設(shè)想一輛小車經(jīng)過高架橋，要求學(xué)生計算小車完全經(jīng)過高架橋的總路程。通過提供數(shù)據(jù)，鼓勵學(xué)生繪制路程分析圖，教師可以引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到，在計算路程時，車輪的形狀不影響結(jié)果，主要因素（如小車的長度）才是關(guān)鍵。然后，教師可以通過數(shù)據(jù)定量分析深化理解。假設(shè)小車長度為15厘米，高架橋長度從90厘米逐漸增加到15萬厘米。通過計算，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)路程與橋長的比值趨于1，說明在某些情況下，小車長度可忽略，可將其視為一個點(diǎn)。

緊接著，教師可以引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型：在研究某一問題時，如果物體的大小和形狀可以忽略，那么我們就可以將物體視為一個點(diǎn)。需要強(qiáng)調(diào)的是，這里的“點(diǎn)”與數(shù)學(xué)上的點(diǎn)有所不同。在物理學(xué)中，點(diǎn)是用來代替物體的，并且具有質(zhì)量。我們將忽略物體的大小和形狀，但保留物體固有屬性——質(zhì)量的點(diǎn)稱為“質(zhì)點(diǎn)”。通過這樣的教學(xué)設(shè)計，教師不僅幫助學(xué)生建立了質(zhì)點(diǎn)這一模型，還有效地激活了他們的模型意識，促進(jìn)了他們對物理概念的深入理解。

（二）復(fù)雜問題簡單化，簡單問題模型化

在物理教學(xué)中，將復(fù)雜問題簡化為物理模型是關(guān)鍵。例如，在受力分析時，我們可以忽略物體的形狀和大小，將物體簡化為質(zhì)點(diǎn)，認(rèn)為所有力都集中在一點(diǎn)。同樣，盡管現(xiàn)實(shí)中很少有物體做真正的勻速直線運(yùn)動，但在特定條件下，我們可以假設(shè)物體的運(yùn)動為勻速直線運(yùn)動以簡化問題。

以“自由落體運(yùn)動”為例，學(xué)生構(gòu)建了自由落體模型后，教師可以提出一個實(shí)際問題：雨滴從高空云層下落的運(yùn)動特征是什么？是否屬于自由落體運(yùn)動？雨云層的高度通常在幾百米到幾千米之間。教師可以讓學(xué)生估算雨滴落地時的速度，并引導(dǎo)他們初步判斷雨滴的運(yùn)動并非自由落體，因?yàn)檫@是一個復(fù)雜情境問題。

接下來，教師引導(dǎo)學(xué)生將這一情境與自由落體模型聯(lián)系起來，探討不同之處，并補(bǔ)充空氣阻力的知識。教師介紹雨滴所受空氣阻力與下落速度的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生分析雨滴從開始下落到落地前的受力情況和運(yùn)動狀態(tài)，并鼓勵學(xué)生繪制速度—時間圖像。這一過程中，學(xué)生通過近似、對比等科學(xué)思維方法，將復(fù)雜的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為非情境化的問題，如“是否為自由落體運(yùn)動？”“雨滴的受力如何變化？”“在什么條件下雨滴做勻速直線運(yùn)動？”從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜問題的簡單化和簡單問題的模型化。這一教學(xué)過程有助于學(xué)生將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為理想化模型，提高他們解決物理問題的能力。［3］

（三）搭配習(xí)題訓(xùn)練，靈活運(yùn)用模型

物理模型建立的最終目的是利用這些模型解決實(shí)際問題。因此，教師在引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型后，應(yīng)為學(xué)生提供應(yīng)用這些模型的機(jī)會，以提升他們靈活運(yùn)用物理模型的能力，從而更高效地解決遇到的問題，進(jìn)而提高解題能力。［4］

例如，“子彈打木塊”模型的習(xí)題教學(xué)：

物理原型：子彈質(zhì)量為 m ，木塊質(zhì)量為 M，木塊長度為 L，木塊靜止放在光滑的水平面上，子彈以速度v0 水平射向木塊，在整個過程中木塊對子彈的阻力為恒力 F，若子彈未射出木塊，求共速時子彈射入木塊的深度d。

解決此問題有兩種不同的解題思路：一種是用公式計算法，另一種是利用 v-t 圖像法。通過對比發(fā)現(xiàn)，圖像法的優(yōu)勢非常明顯，不僅可以簡化計算過程，還能清晰展示碰撞過程中各個物理量之間的關(guān)系。所以教師應(yīng)重視圖像法在解決問題中的作用。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生在觀察圖像時對圖像與文字的關(guān)聯(lián)及其含義的理解，使學(xué)生在觀看動態(tài)圖時能夠聯(lián)想到瞬時狀態(tài)圖景，而在觀看靜態(tài)圖時能夠聯(lián)想到動態(tài)變化的過程。

教師可以對習(xí)題進(jìn)行多元化處理，例如一題多問、母題變式、同型歸綜等。同時，教師也可以引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中多問幾個“為什么”，并聯(lián)想與之相關(guān)的其他問題，以在思維發(fā)散的過程中鍛煉學(xué)生的思考能力和自主創(chuàng)設(shè)情境的能力。

（邊鳳偉，吉林省松原市實(shí)驗(yàn)高級中學(xué)，吉林 松原 138000）

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張春輝，逯曉琳.2023年全國甲卷物理第25題的評析與啟示［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2023（29）：57-60.

［2］ 熊藝.高中物理學(xué)科中創(chuàng)設(shè)情境培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力［J］.上海課程教學(xué)研究，2022（9）：11-15.

［3］ 李金秀，楊曉輝，劉瀚文.面向高中生物理模型建構(gòu)能力提升的教學(xué)探析［J］.赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2022（9）：110-114.

［4］ 王君.高中物理教學(xué)中物理模型的作用及構(gòu)建策略［J］.數(shù)理天地（高中版），2023（2）：8-10.

責(zé)任編輯：劉 源