“数据模型”在物理教学中的尝试

摘 要：“数据模型”是物理学研究中常用的一种方法和思路，“数据模型”包括数据表格、数据图象、函数式（文字表述）三要素， “数据模型”符合学生由浅入深、由表入里的认知规律.构建数据模型可以加深学生对物理概念的理解，让学生熟练掌握物理规律，通过“数据模型”教学，培养学生构建物理模型的意识和能力，提升科学思维的能力.

关键词：数据模型;核心素养;构建模型

文章编号：1008-4134（2020）01-0031 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：刘天罡（1981-），男，河南舞阳人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.

高中物理课程是在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展，引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力.通过高中物理课程的学习，学生要具有建构模型的意识和能力;能运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论[1].

“数据模型”是笔者在日常工作中为解决物理教学中遇到的一些难点问题尝试使用的一种方法，对学生理解基本概念，培养学生建立模型的意识和能力起到了良好的效果.数据模型包括数据表格、数据图象、函数式或文字表述，数据表格是通过一系列的数据显示其变化，数据图象是通过图象直观地呈现变化规律，函数式是通过数学的方法把零散的数据用函数的形式对物理规律凝练和总结，是对物理规律高度的定量概括.数据模型符合学生由浅入深的认知规律，利用数据模型可以把物理规律的动态变化进行具体的描述，把晦涩难懂的定性描述转化成定量的具体展示，把抽象的物理规律通过数据、图象、函数的方式由简到难，由表入里地直观呈现给学生.数据模型是运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对相关问题进行科学推理，找出规律，形成结论.

1 构建“数据模型”加深学生对物理概念的理解

物理概念基本都是文字式的描述，字数不多，高度概括，对事物的描述抽象，这种描述有很多的专业术语，刚接触时学生不易接受和理解.同时学生在学习过程中各物理概念之间是割裂的，不能把物理概念紧密地联系在一起，没有养成知识点之间横向比较和纵向对比的习惯，分辨不出各自之间的区别.要深入理解物理概念，首要的是要知道引入这个物理概念是要解决什么物理问题，在知道为什么要引入某个物理概念的基础之上，此时可以利用“数据模型”深入剖析物理概念的内涵和外延.

匀变速直线运动的定义是沿着一条直线，且加速度不变的运动.对于很多同学来说，刚学完加速度的内容，对于加速度的理解可能还不透彻，此时用简短的文字就给出匀变速直线运动的定义，学生理解上是有困难的，为了更好地理解什么是匀变速直线运动，我们可以利用数据模型突破这个难点，不仅可以加深对加速度的理解，同时还可以对更为复杂的运动进行研究和拓展.本文以匀加速直线运动和变加速直线运动为例，通过对比用数据模型让学生对匀加速直线运动和加速度概念有更深刻的理解.

1.1 匀加速直线运动 “数据模型”教学

数据分析：从表1中学生很容易知道速度的大小每秒钟增加2m/s，通过具体的数据学生可以深刻地理解什么叫均匀增加，结合图1直观地把数据变化呈现给学生，让学生了解均匀变化在图象当中的具体形式，明白图象中线性关系的含义，同时对匀加速直线运动中“匀”和“加速”所表达的含义有更清晰的认识.

1.2 变加速直线运动“数据模型”教学

数据分析：对比表1和表2学生很容易找到两者之间的差别，数据表2中的速度虽然也在不断增加，但不像数据表1中的数据是均匀增加，结合数据分析：第1秒速度增加了2 m/s，第2秒速度增加了3m/s，第3秒速度增加了4m/s，每秒速度增加的量越来越大，速度的大小不是均匀变化的，变化量是在逐渐增大.

以上的数据虽然不是建立在学生实验的基础之上的，但在教学过程中使用便于分析的数据，通过数据——图象——数据分析等一系列过程，不仅可以加深学生对物理概念的理解，还可以让学生掌握分析问题、解决物理问题的一般方法.

2 构建数据模型让学生熟练掌握物理规律的应用

物理规律是基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的理论体系，反映的是各物理概念之间的必然联系.所以物理规律的学习比物理概念的学习难度更高，挑战更大，这就需要教师通过分解学习过程，清晰地呈现物理规律中的变化过程，从而降低学生的学习难度.

高中阶段摩擦力分为静摩擦力和滑动摩擦力，静摩擦力的大小是动态变化的，会随着外力的增加而增加，学生很容易把静摩擦力和滑动摩擦力相混淆.通过“数据模型”的教学不仅可以让学生清楚地知道静摩擦力和滑动摩擦力的特点，而且能更好地区分静摩擦力和滑动摩擦力. 牛顿第二定律是实验定律，内容是物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比，与它的质量成反比，加速度的方向跟力的方向相同.学生对“物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比”这句话理解时有一定困难，在使用牛顿第二定律时不知道作用力是物体受到的那个力，同学们更多地认为作用力就是拉力或牵引力.之所以会产生这种错误的认识，是源于学生没有真正理解运动与力之间的数学关系，通过“数据模型”的教学方式可以向学生清晰地展示其中的变化规律和内在联系.

2.1 摩擦力“数据模型”教学

数据分析：结合教材中拉弹簧的实验，我们可以得到一组数据，从表3中我们可以清晰地看到物体所受的牵引力、摩擦力和运动之间的关系，当木块静止时所受到的摩擦力是静摩擦力，此时的摩擦力大小等于拉力，摩擦力的大小会随着外力的增大而增大，其中静摩擦力有最大值，当拉力大于最大静摩擦力时，物體开始运动，此时摩擦力变成滑动摩擦力，而且滑动摩擦力又小于最大静摩擦力，并且滑动摩擦力的大小不再发生变化.

2.2 牛顿第二定律“数据模型”教学

如图4所示，质量为1103kg的汽车静止在水平面上，汽车的牵引力逐渐增加，在水平的公路上沿直线行驶，所受阻力为2.5 103N.求：汽车前进时的加速度.

根据题目的文字描述，教师首先需要给学生建立直观的物理情景，把文字转化成生活中具体的场景，这就需要先对物体受力分析如图4所示，小车受水平向右的牵引力和水平向左的阻力，接下来为了让学生对运动和力的关系有一个清晰的认识，教师可以通过数据表格4把F、f和a的一一对应关系展示给学生，从表格4中的数据学生可以知道当F

数据模型是把数据记录、数据分析和数学建模综合的一种方法，是研究物理问题的一般程序，通过数据模型可以让学生熟练掌握物理规律的应用.

3 构建“数据模型”培养学生建立模型的意识和能力

物理的学习是通过物理概念、物理规律的学习，培养学生构建模型的意识和能力，学好物理的关键是要有发现问题、分析问题和解决问题的能力，而构建物理模型是分析问题和解决问题的重要手段.物理模型的构建离不开数学模型的建立，数据模型是数学模型的雏形，通过数据模型的应用可以培养学生构建模型的意识和能力.

平抛运动是相对于匀加速直线运动更为复杂的一种运动，之所以复杂在于，其大小和方向时刻都在发生变化，运动由之前的一维运动上升至二维运动，超出了学生以往的运动认知经验，学生在学习这部分内容的时候很吃力，会有很多疑问.尤其对于平抛运动是匀加速曲线运動很难理解，教师可以让学生通过“数据模型”尝试自己分析.

3.1 平抛运动“数据模型”的教学

3.2 数据分析

根据平抛运动的规律，教师可以把每一时刻的水平速度、竖直速度和合速度在表5中展现，结合图象6学生可以清晰地看到平抛运动单位时间内速度的变化量即是竖直方向的变化量，所以平抛运动是匀加速曲线运动.

4 结束语

人类在探索物理规律的过程中逐渐形成了物理学研究的基本方法.学生认识物理规律的过程也相当于一个探索与研究的过程.因此，物理规律的教学方法与物理学的研究方法大体上是一致的.物理规律是观察、实验、思维和数学推理相结合的产物，构建“数据模型”可以把数据收集、数据分析、规律总结密切结合在一起，从而培养学生分析问题、解决问题的能力，提升学生的科学思维.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2019-09-12）