浅谈高中物理教学中学生建模能力的培养

(江苏省常熟市教育局教研室，江苏 苏州 215500)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》中提出：物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面，其中“科学思维”中包含“基于事实构建物理模型的抽象概括过程”。在以往的教学中着重强调学生对于物理概念及规律的掌握与应用，导致学生在面对实际问题时无从下手。将实际问题通过分析与抽象，突出其重要的因素，忽略次要的因素，简化为便于处理的模型，这就是建模过程。建模能力在物理学习中起着至关重要的作用，主要体现在：

(1) 建构物理模型有助于学生学习科学思维方法。物理建模是一个严谨的科学思维过程，通过建模将物理模型从抽象转化为形象、将复杂变为简单，使原来只能定性了解的物理现象，可以用定量的办法来研究，这正是科学思维方法的体现。

(2) 建构物理模型有助于学生掌握科学的物理概念、规律。要建构正确的物理模型，必须对相应物理概念、规律的内涵非常清楚，这样才能从实际问题中抓住本质与核心。而要确定物理模型的适用条件与范围，则必须对物理概念和规律的外延把握得非常准确。可见，在建模的过程中学生对于物理概念及规律的内涵及外延有了更加深刻的理解。

(3) 建构物理模型有助于学生对于实际问题的处理与解决。物理学的应用归根结底就是解释自然和改造自然，最终学生面对的不是习题，而是各种各样的生活中的实际问题。合理建构物理模型可以大大简化实际遇到的问题，以便于运用相关的物理知识来处理，做到学以致用。

因此，高中物理教师应当在实际教学过程中加强对学生建模能力的培养。

1 物理模型的定义及其建构过程

所谓物理模型，就是为了探究物理事物的本质，通过对各种事实和数据的分析、综合、比较、分类等思维过程，对物理系统进行简化后得到有关物理系统的结构和性质的描述。按模型研究的对象分类，可将物理模型分为对象模型、状态模型、过程模型和环境模型。

建构物理模型通常经过三个过程：构建模型、验证模型和应用模型。而在高中阶段，由于学生的认知能力的限制，主要强调和培养的还是学生构建模型这个过程。

所谓建模就是从具体的物理情景出发，通过对情景的分析与抽象，最后建构模型，从而达到对情景的理解。这一过程包括三个步骤：

(1) 确定研究对象，针对所要研究的问题选择描述研究对象的物理量；

(2) 对研究对象进行图解，包括画出其受力图、运动过程示意图等；

(3) 确定研究对象的特点，构建适当的物理模型，亦可从以前熟悉的模型中选择模型。比如说要研究一辆行驶的汽车对地面的压力，应该先确定研究对象，将汽车抽象为质点，找出其状态参量(如速度、质量、加速度等)，再确定对象的状态(如匀速直线运动、匀加速运动、曲线运动等)，最后根据相应的过程对物体进行受力分析，运用对应的物理规律解决问题。

2 高中生建模的认知特点

要科学合理地培养高中生的建模能力，必须先了解高中生的知识基础及认知特点。对于高中生而言，其认知结构的完整体系已基本形成，各种认知能力也不断完善。思维更加趋于成熟，逻辑思维所占的比例相应增加，辩证思维和创造思维也有了很大的发展。高中学生认知活动的自觉性明显增强，由于理性思维趋于成熟和自我意识的发展，高中生有意识的记忆能力、想象能力迅速发展，思维的目的性、方向性也更加明确。

就物理学科而言，初中物理大多是定性解释一些物理现象，主要依靠的是形象思维，而大学的理论物理则是以微积分为语言来分析处理问题，思维层面上属于逻辑思维。高中物理处在一个由形象思维向逻辑思维转变的过渡阶段，以形象思维为主，逻辑思维为辅，以初等数学为工具来解决物理问题。而建模过程就是一个以形象思维为主的思维过程，结合逻辑思维，将抽象事物具体化。可见，根据高中生的认知特点，培养学生的建模能力是可行且必要的。

3 培养高中生物理建模能力的途径及方法

根据高中生的认知特点，对学生物理建模能力的培养主要体现在三个方面：

(1) 融合在物理概念、定理和定律等的学习中；

(2) 在相应的习题训练中提高学生的建模能力；

(3) 在物理实验中让学生体会建模的思想及方法。

要培养学生的建模能力可以借助很多的媒介，比如物理课本、课外辅导材料、视频、图片、实验器材、物理习题等。对于教师而言，课堂教学是提高学生建模能力的最主要途径，下面针对不同的教学内容进行探讨。

3.1 新课教学

新课教学的目的是让学生掌握相应的物理概念、规律和方法，物理学科的特点是源于生活，任何的物理概念和规律都是来源于对生活中事物与现象的抽象与概括。所以我们在讲授新的知识点的时候可以很好地利用这一点，运用图片，结合视频或演示实验来培养学生对实际问题进行分析与抽象、建构物理模型的能力。

比如在“带电粒子在匀强磁场中的运动”的教学中，教师可以先用洛伦兹力演示仪做一个实验，让学生观察现象，找出带电粒子的运动特点。为了深入研究这个现象，教师可以引导学生建构一个物理模型。问题中的研究对象是电子，在研究其运动轨迹及特点时，我们可以忽略带电粒子的形状与大小，即对象模型是带负电的点电荷，不考虑重力，对象所处的环境为匀强磁场，故仅受洛伦兹力的作用。最后，以一个与磁场垂直的初速度为状态参量来确定带电粒子的初始状态。在这个物理模型建构起来后，对于粒子的运动轨迹及特点的讨论就容易了很多。

在物理规律教学时必须注意物理规律的基本属性，即实践性、自洽性、精确性以及近似性。在概念、定律的学习过程中，都应通过与学生讨论，明确它是适用于什么样的物理模型，在什么样的条件下才有这样的模型，每一个模型建构的基础是什么，条件做了哪些理想化，具有什么特点。这样才能准确掌握模型的外延，为以后模型的灵活运用奠定基础。

在新课的教学过程中，不管是物理概念还是物理规律，教师都应当有意识地强调与示范建模的过程，让学生参与建模过程。经常在课堂中渗透建模的思想，可以让学生潜移默化地形成建模的良好习惯。

3.2 实验课教学

物理实验课可以说是学生建模最好的实践途径，物理实验的目的是为了探究、验证某个规律或者结论，而不管是实验的设计还是数据的处理与分析，都与建模密切联系。

以“验证牛顿第二定律”的实验为例，该实验目的是验证小车的质量、所受合外力、加速度三者的关系。要设计这个实验必须先经过一个建模的过程：研究对象就是小车，其状态是匀变速直线运动。根据其所处的环境，可以确定小车受到重力、支持力、绳的拉力、摩擦力四个力。为了测量合外力的大小，在平衡掉摩擦力的情况下，认为绳的拉力就是小车所受的合外力。不考虑加速度带来的影响，绳的拉力的大小就等于重物的重力，图1为这个过程的思维导图。

图1

根据建构的物理模型，我们就可以设计出该实验的方案：通过增减小车内的砝码来改变小车的质量，通过改变小桶内重物的质量来改变合外力的大小，而小车的加速度可以通过小车后的纸带测出。了解了整个建模过程之后，学生对于实验的误差来源也就非常清晰了。该实验的系统误差来源于建模过程中忽略的两个因素，即：摩擦力、因小桶及其中重物有加速度而对绳的拉力的影响，顺着这个思路进行误差分析就非常方便了。

物理实验的难点主要体现在实验的设计上，而传统的实验教学主要强调的是实验的操作及误差的分析，导致学生的实验设计能力较弱。要提高其实验设计能力首要做的就是提高对应的建模能力。

3.3 习题课教学

物理习题教学是学生巩固物理概念、规律的重要途径。解题是一个严密的思维过程：从题目给出的文字中，提取有效信息，展现出清晰的物理情景，然后排除次要因素，抽象出合适的物理模型，再根据物理模型所遵循的规律，进行判断、推理和计算，使问题得以解决。在这个过程中，物理模型的建构起到了关键的作用。教师在习题的讲解过程中应当强调怎样从题目的已知条件中寻找有用信息，按照建模的过程，建构正确的物理模型。

例如：“石头平衡艺术”，艺术家能够在不使用任何工具的情况下,仅靠重力就能将形状各异的石头叠在一起，如图2所示，在水平地面上将两个形状不规则的石块a、b叠放在一起，保持平衡。下列说法正确的是( )。

A. 石块b对a的弹力一定等于a受到的重力

B. 石块b对a的作用力一定竖直向上

C. 地面对石块b的支持力和b受到的重力是一对平衡力

D. 石块b受到水平地面向左的摩擦力

图2

图3

分析：题目给学生的是一个实物模型，要解决此题必须建构正确的物理模型。通过审题，可以先确定石块a为研究对象，建构的模型为一形状和大小可不计的小物块a，再确定石块b为研究对象，建构的模型为一置于水平面上的粗糙斜面b。小物块a和粗糙斜面b所处的环境为重力场，状态是静止，建构的物理模型如图3所示，在对应的模型建构起来之后，再进行受力分析，问题就可以解决了。

可见，根据题意建构合适的物理模型，锻炼了学生的思维。虽然这样可能会花不少时间，但只要在习题课中不断强化建模的训练，就可以使学生学会建构物理模型的方法，培养其建构物理模型的习惯，这对以后处理更加复杂的问题会很有帮助。

3.4 复习课教学

复习课的目的是帮助学生梳理和巩固整章内容的物理概念和规律，复习课所采用的常规形式就是按照从知识点带出习题、或者是从习题带出知识点的方式来进行的。其实，我们也可以采用情景教学模式来复习整章内容，这样不仅复习了相应知识点，而且也锻炼了学生建模的能力。

以复习“曲线运动”这章为例，我们可以创设这样一个情景：一辆汽车以恒定的速度通过一座桥，桥由两部分组成，桥的主体部分是拱形的，引桥是与地面成一定角度的斜面。在给出一些已知条件(如汽车的质量、速度、与桥面的动摩擦因数、主桥的半径、引桥的倾角等)之后，我们就可以讨论汽车对桥面的压力、汽车的牵引力、摩擦产生的内能等一系列问题。要解决这些问题，就要求学生先要建构合理的物理模型，再利用曲线运动、力及能量的相关知识来解决问题。通过这样的一个情景设定，不仅达到了学生对于相关物理概念、规律复习的目的，而且也提供给学生一次很好的建模实践的机会。

4 结语

提高学生的建模能力，可以使学生体验“形成概念、探索规律”的过程，让学生掌握探究物理问题的基本方法，培养学生分析和解决实际问题的能力，激发学生的好奇心和求知欲。要提高学生的建模能力，关键是教师能够在明了建模能力培养的重要性的前提下，在平时的教学活动中有意识地渗透建模的思想，尽可能多地给学生创造出建构物理模型的机会，让学生在实践中体会和掌握建模的方法。