基于学习进阶的高中物理课堂建模能力培养实践——以“超重和失重”为例

广东省广州市增城区派潭中学 黄月勇

物理建模能力是对运用物理知识解决问题的认识，也是解决物理问题的策略。实际上，科学的基本活动就是探索和制定模型，建模对物理的发展起到了推动作用，因此，建模能力是高中生物理能力的一项核心能力。鉴于此，本文探讨了基于学习进阶的高中物理课堂建模能力培养实践，希望对大家有所帮助。

一、建模能力的内涵

在20 世纪八十年代，美国学者提出科学建模理论，受到人们的广泛关注。建模能力是指针对某个自然现象抽象得到主要特征，根据科学来构建概念模型，用科学语言来进行表征。物理建模能力是学生要具备的一项重要能力，但当前高中生却普遍存在着建模能力较弱的问题，有的人甚至觉得物理题拆开每一句话都知道是什么意思，但是合起来就很难懂，这其实体现出建模能力的不足。因此，高中物理教师要重视在日常教学中渗透建模思想和方法，发展个体建模能力。

二、建模教学的进阶

在建模过程中，学生要经历“问题情境→建构模型→分析模型→应用模型→评估模型→修正模型”这一系列的阶段，要对各个环节进行整合，这就要经历复杂心理和思维过程，从而形成有效的学习路径。借助于学习进阶理论，教师对建模进行整合，在课堂上引导学生探究某一主题，在学习的过程中展开依次进阶、逐级深化的思考。在学习进阶的统领下，学生认知更加符合逻辑，进而形成物理学科良好的教学逻辑，实现学生科学思维能力的进阶发展，得到正确模型，最终探究找到问题答案。

在我看来，建模教学的进阶模型呈现动态的特点：（1）学生先要面对问题情境，通过类比、猜想等方法来初步构建模型；（2）在初步模型基础上进行分析，根据题干材料来应用模型解决所遇到的问题；（3）在解决完遇到的问题后，学生要评估是否合适，是否还需再修正模型；（4）在问题情境背景下，学生把模型再进行对比来判断是否吻合，在此基础上进行优化，如果不吻合再重复上述建模过程。

三、科学建模的教学实践与反思

（一）创设问题情境

问题情境能够激发学生进行思考，使他们对知识展开体验，从而快速进入学习状态。

在本节课中，我创设了问题情境1：拿出一个重50g 的钩码，在上端系上一条宽5mm 的纸带，要求班级学生不使用任何工具来把纸带拉断。

有的学生拿起纸带快速上拉，有的则采取其他运动方式。

此处，教师引导他们进行思考：在纸带快速上拉时为何会断裂。

物理情境速度方向加速度方向体重计示数变化压力与重力关系静止下蹲开始阶段后面阶段起立开始阶段后面阶段

紧接着，我引出问题情境2：各小组拿出事先准备好的体重计，4 个人一组，体验并记录小组成员在“下蹲—起立”过程中体重计示数如何进行变化，把观察到的数据记录在表格之中。

在体重计上所显示的示数称为视重（所受压力的大小），人的实际重力为实重。在体验完后，学生总结得到超重（视重＞实重）与失重（视 重＜实重）的定义。

（二）建构物理模型

在初步了解问题情境后，学生要学会探索物理现象来揭示其中蕴含的规律，将其应用于生活实际之中，对知识产生探究乐趣，形成实践能力。此时，学生要从实验中的相关现象抽象出物理元素，进而建构物理模型，发展自身科学素养与综合能力。

在填写完上述表格后，学生在小组内进行讨论，初步概括得出失重、超重出现的原因。在经历小组交流后，学生初步建构物理模型，认为：物体具有向上加速度时产生超重现象，物体具有向下加速度时产生失重现象。在讨论过程中，学生初步建构起物理模型对知识展开研究，进行深度思考。

（三）分析物理模型

在提出假设和结论后，学生要认真分析物理模型，思考问题背后的物理本质，进行理论分析来深度思考。学生要进行分析，即为何在超重现象出现时会有向上的加速度？为何在具有向下加速度时会产生失重现象？

学生进行小组讨论，在完成后，教师邀请学生代表上台讲解，学生画出物体受力示意图，除受到重力外，还有垂直方向的加速度，当物体受到向下加速度时，得到合力FN=mg-ma。根据公式，我们发现当向下加速度大小a=g 时，支持力或压力为0，这是一种完全失重的特例。同理，可得物体向上时加速度分析的过程。学生在分析过程中难免会遇到这样或那样的错误，教师要结合他们的错误来进行针对性改进，有效提升学生思考的质量和效率。

（四）应用物理模型

物理来源于生活，应用于生活。在掌握和理解物理模型后，教师要引导学生思考和应用物理模型，在掌握模型的基础上来展开应用。

学生在引导下思考和回忆坐电梯的经历，电梯在向上走时会有什么感觉？用刚才学过的知识来尝试解答。

学生回忆坐电梯，分析得到以下结论：开始向上时，电梯和人从静止向上加速、再匀速、最后减速到0。加速度方向：先向上、中间匀速阶段速度为0、最后阶段向下。在整个电梯运动过程中，人一开始会感觉两只脚比较“沉”，到后面阶段会感觉到两只脚比较“轻”。

（五）评估建立模型

在学会知识应用后，教师引导学生思考刚开始的问题情境：为何纸带在迅速向上提升钩码时会断裂？是否能用其他方式来使纸带快速断掉？

学生运用超重模型来思考答案，发现当向上快速拉动纸带时加速度变大，纸带所受的拉力也会增大。向下做减速运动时，加速度方向向上，纸带所受的拉力增大。在小组讨论完成后，有的学生应用向下拉动纸带，在某个时刻突然停止，纸带发生断裂。在问题引导下，学生应用刚刚建立的模型，有效理解和掌握了物理模型。

（六）修正物理模型

在理解了超重、失重的定义后，有学生会提出这样的疑问，即出现超重、失重状态时，物体运动方向是否一定垂直呢？为了解答这一疑惑，也为了使他们加深对本节课知识点的理解，我设计了以下情境：

购物超市都有自动运送人的扶梯，如果没有人的话会处于静止状态，当一个质量为m 的人刚站上去时，斜梯以加速度a 向上运动，如果斜梯与水平面的夹角为θ，那么，尝试计算人对扶梯的压力是多少？

学生画出人的受力情况图，结合图来计算人对扶梯的压力大小，即FN=mg +masinθ，进而得到力大于人受到的重力。结合超重的概念，人在上述问题情境中依然处于超重状态，这就需要来纠正模型。在独立思考和小组讨论后，学生发现物体处于超重状态时加速度方向可以垂直或斜向上，物体处于失重状态时加速度方向可以垂直或斜向下。针对学生质疑的情况，教师提出问题情境引导他们进一步深入探究，能够有效发展探究能力，促进个体水平的提升。

基于学习进阶的高中物理课堂建模能力培养教学实践很好地体现了建模教学的整个过程，对概念的构建、物理规律的应用、生活问题的解决都有着很重要的指导意义。在教学过程中，教师要注重物理模型的建构，使学生在建构、应用等探究环节来内化、优化模型，从而形成独具特色的高中物理教学方法，促进学生建模能力的发展，促使每个人在学习中都有所收获，提升课堂学习的专业能力。