核心素养视角下物理模型的建构

(广东省肇庆市封开县江口中学,广东 肇庆 526500)

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、适应学生终身发展的和社会发展需要的必备品质和关键能力。研究物理学科核心素养，是落实立德树人的重要举措，也是适应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。模型建构是科学思维的要素之一，物理学中的模型建构要求在解决物理问题时遵循化繁为简的原则，突出主要因素，忽略次要因素，根据条件构建反映事物本质的理想模型。

1 回溯物理学史，建模让归纳、演绎更有活力

学生在物理模型构建的过程中，需要在大量实验的基础上进行归纳，得到物理定律，然后根据归纳的物理定律来演绎出新的结论。在物理学发展史上，许多物理学家在分析和研究物理现象和物理过程时，忽略次要因素，抓住主要因素，通过归纳的方法建构模型。

例如牛顿第一定律就是通过大量的实验，利用归纳法建立物理模型，发现定律。如图1所示，伽利略通过双斜面实验，让小球从一个斜面上滚下，然后滚上另一个斜面。小球可到达另一个斜面上和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。

图1

在教学中建构物理模型需要对物理现象及其本质进行探索，它建立在学生所习得的基础知识和基本技能、综合运用所学知识分析和解决实际问题的基础上，因此高中物理教学要多做经典实验，让学生学习科学家运用实验和科学思维揭示物理规律的方法。

2 分析问题需要模型的支撑

理想化模型是通过对要研究的物理现象加以简化，抓住关键因素将其理想化，运用理想化方法，建构出对应的物理模型。

构建物理模型时应用理想化可有多种方法，例如将气体变化过程进行理想化建立了理想气体等压过程，将其所处环境进行理想化，则有光滑和绝热过程等。

例1(2019年全国Ⅰ卷第33题):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：该试题立足实际生活中的“空气”,“可看为”表明对研究问题可以近似简化为理想模型——“理想气体”。通过对实际问题的研究，利用物理原理，抓住主要因素、忽略次要因素所构造出来的模型就是理想物理模型。其命题思想为：(1) 渗透了物理学科必备品质，在一定条件下，把复杂的实际对象简化和近似，抽象为最简单的足以表征主要特点性能的理想化模型。(2) 注重考查学生建构模型、分析问题的能力(如图2)。根据情景分析知，要减小内部压强只能是增大体积，即W<0；由容器和活塞绝热性能良好知气体经历的是绝热过程，Q=0；再由热力学第一定律：ΔU=Q+W，知ΔU<0，所以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为：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。

图2

该题是根据物理模型加上某些实际情景而编制，在教学中教师一定要注意培养学生建模的意识，训练学生掌握建模的方法，培养学生依据题意创建物理模型，应用所学知识分析、推理得出结论。

例2(2016年高考全国Ⅰ卷第17题)：利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通讯。目前，地球同步卫星的轨道半径约为地球半径的6.6倍。假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为( )。

A.1h B. 4h C.8h D.16h

图3

评析：该题不同以往平时所练习的同步卫星，因地球自转周期变小，卫星要与地球保持同步，则卫星的公转周期也应随之变小。要实现三颗卫星覆盖全球的目的，求得卫星的最小周期，需要由几何关系可建构出它们间的位置关系模型(如图3)。此题得分率较低，原因之一就是学生没有根据题意构建出物理模型，找不到思维的支撑点，无法形成正确的解题思路。

3 抽象的数学图像需要物理模型映衬、呈现和简化

运用抽象法构建物理模型是指从某一具体事物的某一个属性或特点来进行物理模型构建。而类比的方法即人们在物理研究中发现许多物理现象，彼此之间存在着许多相同或相似的物理属性，进而推测他们之间也存在着一些另外的物理属性，建立起相应的物理模型，通过对已知情况和未知情况的类比，推测两者模型间的相似，找出未知情况的物理特性。

图4

例3(2019年全国Ⅰ卷第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4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4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：与星球相联系的模型是地球，把地球模型延伸到“星球M”和“星球N”，根据题意构建的物理模型如图5所示。

图5

理综Ⅰ卷21题中含有2个物体、2个星球和1个弹簧，考查的对象多、过程多、知识点多。物理图像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，清晰地表示出物理量之间的相互关系及变化趋势，增强了学生对物理过程的理解，可以很好地对物理过程进行直观的定性分析。以图像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，许多物理规律和定理都是来源于实际，将实际的研究对象或问题简化抽象为理想化模型，进行推理，可得出所涉及的物理量间的相互关系，发现物理规律。教师在平时要加强模型建构的教学，培养学生抓住主要因素、忽略次要因素的意识，将许多复杂繁琐的物理情景，通过建立模型，转化成容易分析思考的简单物理情景，建构成常见的、熟知的、有认知经验的物理模型，从而使抽象的问题具体化，使问题的处理更加简捷、准确和到位。

4 结语

物理与实践结合非常紧密，在教学中教师必须重视学生物理模型构建与应用能力的培养，这不仅有助于增强学生的物理学习兴趣，有效提高学生的思维品质，培养他们的创新能力，还为他们将来从事各种工作打下坚实的基础。