基于经验事实的物理模型构建方法

许金梅

【摘要】随着新一轮课程改革的实施和推进，提升学生的物理核心素养成为了高中物理教学的重要目标。物理核心素养的内涵包括对科学思维能力的培养，其中就提出了对模型构建的要求。高中阶段的物理知识与物理模型联系十分紧密，教师在日常教学中，引导学生立足于经验事实，将实际问题抽象化、理想化、精简化、情景化，引导学生建立物理模型，有助于帮助学生抓住本质、明确思路，提高学生的物理问题处理能力，提高学生的物理核心素养。

【关键词】经验事实；物理模型；问题处理

随着新一轮课程改革的实施和推进，高中物理课堂不仅注重对学生知识的传授和教学，更加注重对学生物理核心素养的培育和提升。随着新一轮课程改革的实施和推进，物理核心素养提出了要基于经验事实构建物理模型的教学要求。广大物理教师在教学过程中，引导学生立足于经验事实，尝试把实际问题抽象化、理想化、精简化、情景化，整合成为可以举一反三利用解题的有效模型，进而提高学生物理问题处理能力，提高学生的物理核心素养。

一、抽象取代，建立理想模型

高中阶段的物理看似抽象，但实则和学生的生活实际联系十分紧密。在对物理问题展开探究时，为了便于问题的研究往往会在不影响研究结果的情况下，对复杂的物理实物进行抽象取代，建立物理实物模型解释物理概念。

例如，在物理教材的开篇——《运动学》的教学过程中，“質点”是学生所接触到的第一个理想化模型。为了让学生更好地理解“质点”的概念以及相关的运动公式，我对“质点”这一概念进行了三个层次的引入教学。首先，我向学生提供了运动描述的任务，让学生自主研究滚动的足球、冉冉升起的国旗等等，不管是足球向前滚动，还是国旗飘扬着上升，物体在运动时有着不断变化的运动状态，很难入手研究。然后，我打开手机，利用投影给学生展示手机中的GPS导航系统，在导航系统的图像中只用了一个“点”来描述人的位置。马上有学生意识到，在GPS中重要的是人走的方向，动作和身材都不重要可以忽略，所以仅仅依靠一个“点”便可以表示人的位置。回到足球与国旗的问题中，当我们研究足球向前、国旗上升的速度，受到的外力与自身的质量是问题研究的关键，可以同样将物体理想化为一个“有质量的点”展开研究。基于此，学生深刻地理解了“质点”这一理想化模型：用来代替物理的有质量的“点”，其条件是物体的大小和形状的影响是否能够忽略。

以学生生活经验的GPS导航系统来启发学生理解质点的意义及内涵，激活学生的建模意识，可以使学生对于物理实物模型有着更加深的理解和认知，对于以后学习光滑表面、单摆、匀强磁场、点电荷等知识做了铺垫。

二、理想简化，建立过程模型

在物理中“运动”相关的学习过程中，每一项物体的运动都牵扯着各种各样的运动或形变，运动的过程十分复杂。但是对于不同的知识点，研究的目的往往也不同，教师可以基于经验事实，引导学生对于运动过程进行理想简化，构建过程模型，更好地反映事物的本质的理想过程。

例如，在“抛体运动”的相关内容教学时，经常会遇到飞机投物、扔垃圾等平抛运动的问题。在分析平抛运动的过程中，为了化简复杂的运动过程，我指导学生将以飞机投物为例的平抛运动化简为竖直方向上的分运动——自由落体运动（v=gt，h=

gt2），以及水平方向的分运动——匀速直

线运动（s=vt），将复杂的平抛运动化简为竖直与水平方向的两个常见的分运动之后，学生可以正交分解法求出指定点的速度情况，从而使整个运动过程变得清晰。这一过程模型同样适用于其他复杂运动，学生基于平抛运动的过程模型，将复杂运动看做两个或多个已知分运动的合运动，有效地化简复杂运动的分析难度，实现分运动与合运动的有效转化。

教师将运动过程简单化之后，再引导学生进一步分析运动的发生过程，可以帮助学生更好地理解不同运动的变化形式，帮助学生将不同的运动与相应的过程模型匹配起来。

三、抽丝剥茧，建立问题模型

在高中阶段的物理题目中，复合场中复杂的受力情况往往是学生思维的难点，经常让学生找不到解题的头绪，难以入手。然而，换一种思考的角度，复合场是两个或多个基本场受力的叠加，只要明确题目的关键问题，基于基本场受力的经验事实将复合场等效处理，问题也便迎刃而解了。

例如，在“复合场中建立圆周运动”的问题教学中，由于学生已经学习过在基本重力场分析轻绳模型的圆周运动，最高点能取得的最小速度，对应着绳子的拉力为0，mg= ，尚易掌握。在复合场的教学中，我引导学生基于此前的分析经验，建立问题模型将重力场与电力场的受力情况合二为一，建立“等效重力场”，使整个运动与受力的情况瞬间“柳暗花明”，同样是在最高点，电场力与重力的合力成为了复合场中的“重力”，当最高点仍然取最小速度，当电场力方向向下，对应T绳=0，

mg+qE= 时，当电场力方向向上，T绳=0，

mg-qE= （假设电场力小与重力）。

由于物理模型是有限的，但组合的情景是多种多样的。教师在引导学生建立问题模型时，要引导学生多思考、多分析，准确把握题目中的解题关键信息点，合理地进行等效处理，实现知识的有效迁移。

四、情境检验，建立理论模型

在高中的物理教学与学习过程中，理论模型是较为特殊的一类物理模型，蕴含着物理知识起源于发展。当人们还不清楚事物的本质、结构、变化规律时，物理学家们依据实验经验与思维经验建立假说，形成理论模型，从而提出概念与规律。

例如，在“机械能守恒定律”的教学过程中，我引入“鱼饵自动投放器”的投饵装置进行教学。我展示了一些关于“鱼饵自动投放器”的投饵管装置的结构，一般是弹簧衔接竖直细导管，在导管上端接入一定半径的四分之一圆弧弯管。学生基于生活经验，大胆地猜测“鱼饵自动投放器”的能量转化原理为弹簧势能转化为机械能（动力势能和重力势能），成功建立了理论模型。然后，我引入2011年福建省高考理综第21题，指导学生将之前的理论模型带入题目的情景中进行检验，当质量为鱼饵离开弹簧后，弹性势能全部转化为鱼饵的机械能，当鱼饵到达导管口C时，圆周运动的向心力完全有重力来提供mg= ，弹簧压缩在0.5R时的弹性势能根据机械能守恒定律为Ep=mg（1.5R+R）+ mv2。

教师在引导学生建立物理模型时，必须要抓住经验事实，引导学生从实际情景中转化物理模型，利用实际情景检验物理模型，帮助学生形成理论思想，明确分析思路，有效地实现模型的构建和运用。

总而言之，高中阶段的物理知识与物理模型联系十分紧密，引导学生建立物理模型，有助于帮助学生抓住本质、明确思路。教师在日常教学中，引导学生立足于经验事实，将实际问题抽象化、理想化、精简化、情景化，可以有效地帮助学生建立模型，举一反三，提高学生的问题处理能力。

参考文献：

[1]黎东波.重整单元教学目标 落实物理核心素养——以“机械运动与物理模型”为例[J].科学大众（科学教育），2019（03）：40-41.

[2]张纯，唐晓春，冯瑶琼.“能量流动”物理模型的构建与应用[J].中学生物教学，2018（23）：14-15.