从2019年高考谈物理学科核心素养下的建模能力

马治广

摘 要：2019年全国Ⅰ卷理综物理试题计算量大，对学生综合能力要求高，其中要求建模意识及能力的试题灵活、复杂、难度大.物理建模对学生分析能力要求高，是物理研究必须具备的能力，它是研究一切物理问题的出发点和落脚点，是平时物理教师教学的重点.

关键词：核心素养;建模能力; 理想模型

文章编号：1008-4134（2019）19-0028中图分类号：G633.7文献标识码：B

物理学科核心素养，是指在接受物理教育过程中学生逐步形成的、适应学生终身发展和社会生活发展需要的必备品质和关键能力.品质指人的行为和作风所显示的思想、品性、认识等.研究物理学科核心素养，是落实立德树人的重要举措，也是当前教育改革发展趋势和提升我国教育国际竞争力的迫切需要.

1 分析研究需要模型的支撑

在高中物理教学过程中，随着物理知识的沉淀、思维品质的逐步形成，学科能力的提升，学生的情感、态度和价值观也逐步体现出来了.近些年高考试题更加注重对思维能力和品质的考察，强调学生综合运用所学知识，分析问题、解决问题的能力.

例如，2019年全国Ⅰ卷33题.[物理—选修3-3]某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体.初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界.现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同.此时，容器中空气的温度_____（填“高于”“低于”或“等于”）外界温度，容器中空气的密度_____（填“大于”“小于”或“等于”）外界空气的密度.

评析 试题立足实际生活“空气”， “可视为”体现了研究问题可以近似简化为物理理想模型的“理想气体”.通过对实际问题的研究观察分解，利用物理原理，抓住主要因素，忽略一些不重要的因素所创造出来的模型即理想物理模型.命题思想：（1）渗透了物理学科必备素质，在一定条件下，把复杂的实际研究对象简化和近似，抽象为最简单的足以表征主要特点性能的理想化模型来表示;（2）强化用模型探讨分析问题的能力，如图1所示.

根据模型情景分析知，要减小内部压强只能是增大体积，即W<0;绝热知Q=0，又由热力学第一定律：ΔU=Q+W 知 ΔU<0，所以得出容器中空气的温度低于外界温度;由气体压强的微观解释，影响气体压强的两个因素：温度和密度.容器内温度低，但压强与外界相同，那一定是容器中空气的密度大于外界空气的密度.依据题意创建物理模型，应用所学知识进行分析、推理得出结论，这是物理研究必备的素养品质.

2 函数图象需要物理模型映衬

建模实际上是把复杂繁琐的物理实际过程，通过建立模型展现、转化成容易观察、分析思考的简单物理情景，形成常见的、熟知的、有认知经验的物理模型，从而使问题形象化、具体化，使物理问题的处理更加简捷、准确和到位.同时，完成高中阶段的学习，学生应该初步具有现代物理的物质观、相互作用观、运动观和能量观，并且能应用其解释自然现象和解决一些生活中的实际问题.2019年高考全国Ⅰ卷试题以“必备知识、关键能力、学科素养为考查内容，以基础性、综合性、应用性、创新性为考察要求”，落实高考物理大纲的考核要求，强化能力立意，注重理论联系实际，强调学以致用.例如，2019年全国Ⅰ卷21题：在星球M上将一轻弹簧竖直固定在水平桌面上，把物体P轻放在弹簧上端，P由静止向下运动，物体的加速度a与弹簧的压缩量x间的关系如图2中实线所示.在另一星球N上用完全相同的弹簧，改用物体Q完成同样的过程，其a-x关系如图2中虚线所示，假设两星球均为质量均匀分布的球体.已知星球M的半径是星球N的3倍，则

A.M与N的密度相等

B.Q的质量是P的3倍

C.Q下落过程中的最大动能是P的4倍

D.Q下落过程中弹簧的最大压缩量是P的4倍

评析 “在星球M上”联系的模型“地球”，地球表面重力加速度，把这一“地球”模型延伸到“星球M”和“星球N”， 将文字翻译成物理模型如图2，

据牛顿第二定律：mg-kx= ma 即得a=g-kmx ， 联合图得kx0=mg， kx0=mpgp，g=3a，得：2kx0=mQgQ，gp=3a0，gQ=a0，得mpgpmQgQ=12，mQ=6mp，B選项错误.又因RM=3RN，得ρMRMρNRN=gPgQ=3，ρM=ρN，A选项正确.

最大动能时弹力等于重力，Ekmax=mgx-mg+02，得EKQmaxEKPmax=mQgQ2x0mpgpx0=14

，C选项正确.

由上图简谐运动对称性知Q、P下落过程中弹簧的最大压缩量分别是4x0和2x0，D选项错误.

物理学是一门“精密”的科学，要用很精确的数学工具（函数、图象）来表述它的内容.从物理学的发展史看，物理学的发展是离不开数学的.2019年《考试大纲》确定高考理工类物理科考试内容，高考要求考生掌握五种能力：理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力、实验能力.其中对应用数学处理物理问题的能力要求十分明确：即要求学生能根据具体问题列出物理量之间的关系式，进行推导和求解，并根据结果得出物理结论;必要时能运用几何图形、函数图象进行表达、分析和处理问题.理综Ⅰ卷21题，含有2个物体、2个星球和一个弹簧，考察了9个知识点，对象多过程多知识点多，而物理图象a-x能形象地表述物理规律，结合物理模型，直观地描述物理过程，鲜明地表示物理量之间的相互关系及变化趋势，增强对物理过程的理解，可以很好地对物理过程进行直观的定性分析.有关以图象与构建物理模型为背景的命题，成为近几年高考考查的热点.

3 建模能力在物理学发展史上是研究物理问题必备的综合能力

物理学家伽利略曾经做过两个著名的斜面实验. 小球从一个斜面上滚下然后滚上另一个斜面，如图4所示，小球可到达另一个斜面上比原来稍低一些的位置，伽利略再让斜面的倾角减小，小球的运动距离越来越远，如果斜面变为水平面且没有摩擦，小球为了上升到相同高度，将永远运动下去.从而得出了物体的运动不需要力来维持、力是改变物体运动状态的原因等重要结论.

在研究自由落体的时候，伽利略让小球从斜面上滚下，如图5所示，通过测量运动时间和滚下的距离得出结论：小球在斜面上做匀加速直线运动.伽利略再让斜面的倾角增加，得出了同样的结论.然后伽利略做出推论：斜面的倾角为90°时，小球的运动也是匀加速直线运动即自由落体运动是匀加速直线运动.建模能力是一种重要的综合能力，需要对物理现象及其本质和内在规律的探索，它依赖于考生对所学相关课程基础知识、基本技能的掌握程度，以及综合运用所学知识分析、解决实际问题的能力.客观世界中物体间的相互作用相当复杂，许多物理学家在分析和研究物理现象、物理过程时，忽略次要因素，抓住主要因素，通过简化、理想化和类比等方法创建模型，进行大量实验探讨、理论论证，形成了结论.

4 结束语

在实际的物理教学中，许多物理规律和定理都是

来源于将实际的研究对象或过程抽象简化为理想化模型，进行演绎、推理得出所涉及的物理量间的相互关系.教师加强对模型的设计思想及分析思路的教学，有助于培养学生对实际复杂问题的处理能力、抓主要因素忽略次要因素的能力.在平时教学的潜移默化中要注意增强学生建模意识，才能有效地提高学生思维品质，培养他们的创新能力.

参考文献：

[1]肖秋芳.应用数学处理物理问题能力培养的探究[J].中学理科园地，2017，13（05）：16-17.

[2]樊兰君.基于“物理学科核心素养”下的课堂教学思考[J].陕西教育（教学版），2017（21）：102-103.

（收稿日期：2019-06-18）