物理建模教学的有效实施途径探究

李涛

《普通高中物理课程标准（2017版）》在物理核心素养的水平划分中，对高中学生通过物理课程学习要具有建模能力提出了明确要求，并细化为五个进阶水平：能说出一些简单的物理模型;能在熟悉的问题情境中应用常见的物理模型;能在熟悉的问题情境中根据需要选用恰当的模型解决简单物理问题;能将实际问题中的对象和过程转换成物理模型;能将较复杂的实际问题中的对象和过程转换成物理模型。基于此，结合当前一线高中物理教学的实际，我觉得在高中物理教学中，提升学生的建模能力，具有十分重要的意义。

一、物理模型的内涵

物理模型是根据研究的问题和内容，在一定条件下对研究客体的抽象，是从多维的具体图像中，抓住最具有本质特征的图像，建立一个易于研究、能从主要方面反映研究客体的新图像。科学家在做研究工作时，往往把研究对象抽象为理想模型，建模方法是科学研究的常用方法，模型思维是一种重要的科学思维，创设基于建模的科学学习环境，有利于学生建模思维的发展。学生科学思维的发展、物理观念的构建、科学探究能力的形成、未来出色的科研能力都需要学生在求学过程中进行思维的深度参与。建模思想及建模过程对学生的思维训练具有得天独厚的功能，它能让高中生在学习中体验物理学家的核心活动、核心工作、核心思想。因此，物理建模教学对学生一生的发展与成就有着重要育人作用。

二、缺少建模教学引发的问题

笔者曾经将一道“题设问题”（指教师将复杂的实际情境去掉，经过人为的简化、抽象加工后，通过给定物理量，人为设问，编写出来的问题）与一道“实际问题”（指现实情境中客观存在、尚未被抽象、简化、加工的真实问题），放在同一份考卷中选择一个班（52人）的学生解答，结果让人意外，如表1所示。

从对比中可以看出，学生对题设问题完成较好，这类问题对知识的掌握、解题套路的形成有其独到的作用，但面对实际问题时，学生已掌握好的知识、方法却不能有效应用，仅有这些知识，学生无法形成处理实际问题的能力，更不用说创新能力了。由此可见，解决实际问题，更能考查学生能力的真实性与客观性。为什么会出现以上问题？主要存在两方面原因。

1. 题设问题与实际问题所包含的信息量不同（如图1）。

2. 分析题设问题与分析实际问题所需要的心智特质不同（见下页图2）。

从图2可以看出，学生的做题过程仅仅完成了物理探究工作中的很少一部分。如果平时的教学，比较突出训练学生的题设问题，一旦遇到实际问题，学生由于缺少分析与综合、抽象与概括、比较与分类、逻辑推理等方面的训练，面对问题将无所适从，往往束手无策。

杨振宁教授针对一线物理教学，曾经一针见血地指出：“很多学生在物理学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的。绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源。一个人不与现象接触不一定不能做重要的工作，但是他容易误入形式主义的歧途;他对物理学的了解不会是切中要害的。”他从根本上回答了物理教学的本质和物理教学的源头问题。

三、建模教学的有效实施途径

传统教学中的题设问题教学，主观因素太多，从条件到设问均是人为设置的。这就导致物理知识原始情境的真实性发生了偏离，导致学生长期受到这种训练的内在认知心理和外在行为表现，与科学家、物理学家解决实际问题过程中的认知心理和外在行为表现相差甚远。

1. 建模教学的基本流程设计

物理建模过程是一项复杂的思维体验过程，有着明显的过程性和进阶性，建模需要建模知识积累、经验储备、思维的逻辑性等基础条件。因此，物理模型教学，不能仅仅把各类模型的定义教给学生，学生的建模能力需要在“经历、体验中”习得，在师生互动、生生互动中提升。建模教学的基本过程流程如图3所示。

2. 以流体模型构建为例

展示情境：如图4，某旅游景点有一喷泉，喷出的水柱将一玩具滑板车稳定地悬停在空中，试分析滑板车距离喷口的高度与哪些因素有关。

这是一个有趣的生活现象，现象中包含实际问题，问题中的物理量及现象所遵循的物理规律均隐藏在实际问题中，学生要成功解决问题需要完成三项工作：问题表述，物理建模，分析解决问题。在执行以上物理建模教学流程的过程中，教师除了要控制好点拨时机和讲解节奏外，还要设计好能促进学生思考的系列问题。例如：

A. 为什么滑板车能稳定地悬停在空中？引导学生对滑板车进行受力分析和运动状态分析。引导学生思考：水对滑板车的冲击力与滑板车的重力平衡，建立 F冲=■模型。

B. F冲是水对滑板的冲击产生，如果取冲击滑板车的水为研究对象，与以往选取的研究对象相比，有何特点？为了方便解决问题，应该如何处理？引导学生思考：研究对象——水是流体模型，不是学生熟悉的理想模型（质点），进一步引导学生科学思考这一问题——微元思想。设喷口的横截面积为s，水喷出的初速度为v0，则？驻t时间内，从喷口喷出的水的质量为？驻m， ？驻m= ？籽v0 ？驻ts，这一步是关键点，同时也是难点，要组织学生深度讨论，合作学习。

C. ？驻m的水，冲击滑板时的冲击速度v多大？引导学生建立方程：v2-v20=-2gh.

D. ？駐m的水冲击滑板遵循什么规律？引导学生建立方程：F冲？驻t=0-（-？驻mv）

E. 滑板车距离喷口的高度与那些因素有关？引导学生整理后得到：h=■-■.

F. 总结流体模型的规律：微元思想解决非理想模型研究对象问题。

物理建模需要学生稳定的内在思维素养和外在行为表现，学生内在思维素养具有隐性特征，无法直接诊断，教师可以采用“思维导图法”和“口述报告法”将隐性思维显性化，将学生的科学思维与技巧训练到位，物理建模的核心问题就得到了较好的解决。

物理建模教学需要师生付出更多的时间和精力，但其在知识容量的积累、知识巩固、熟练程度上的效率没有讲、练、考三位一体的做法好。因此，我们在教学中需要从常规教学和建模教学中找到平衡点。引入建模教学，让学生模拟物理学家探究的心智历程，把学生导入物理学家进行物理研究的原点和真实情景中，激发了学生的求知欲望和兴趣，提高了解决实际问题的能力和创新能力，使物理教学真正回到本质和源头上。

责任编辑 罗 峰