指向“模型构建”要素的物理教学路径分析

俞柯斌

摘 要：模型构建要素是科学思维素养的重要组成，教学中教师不仅仅要关注物理知识的传授，更要注重学生物理建模能力的培养。文章通过对对象、过程、条件模型构建案例的分析，提升学生的物理建模能力。同时教师应善于利用教材中的模型素材，在习题课教学中強化建模教学，并注意物理模型教学的广度与深度。

关键词：核心素养；建模；物理教学

中图分类号：G633.7   文献标识码：A   文章编号：1673-8918（2023）11-0149-04

《普通高中物理课程标准（2020年版）》提出高中物理核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。其中“科学思维”素养主要包括模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，同时课程标准也将各个核心素养划分成五个水平。可见，“模型构建”要素是科学思维素养的重要组成，这意味着教师在实际教学中，不仅仅要关注物理知识的传授，还要注重学生物理建模能力的培养。

下面以2022年1月浙江选考第7个选择题为例来看看浙江选考试题中对“模型构建”要素的考查。

【案例1】 （2022年1月浙江选考第7题）如图所示，水平放置的电子秤上有一磁性玩具，玩具由哑铃状物件P和左端有玻璃挡板的凹形底座Q构成，其重量分别为GP和GQ。用手使P的左端与玻璃挡板靠近时，感受到P对手有靠向玻璃挡板的力，P与挡板接触后放开手，P处于“磁悬浮”状态（即P和Q的其余部分均不接触），P与Q间的磁力大小为F。下列说法正确的是（  ）

A. Q对P的磁力大小等于GP

B. P对Q的磁力方向竖直向下

C. Q对电子秤的压力大小等于GQ+F

D. 电子秤对Q的支持力大小等于GP+GQ

试题分析：大部分学生平时没有看过哑铃状物件的真实结构，以至于他们没有办法建立一个受力分析的模型，平时学的共点力的平衡等知识就无法应用。

题干中讲到用手使P的左端与玻璃挡板靠近时，感受到P对手有靠向玻璃挡板的力，所以放开手后，挡板对哑铃状物件P有水平向右的弹力，它还受重力，所以磁力应该是斜的。

近年来，浙江选考试题越来越注重实际情境和物理建模，所以我们平时的物理教学也应该要指向核心素养，尤其是要关注物理建模。

一、 核心素养与物理模型

物理模型是人们对物理研究对象及其过程的抽象概括，是人们认识物理问题所形成的心理图示的外在表达，是重要的物理方法。物理模型可以分为对象模型、过程模型、条件模型。质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、匀强电场、理想变压器等都是对象模型，匀速直线运动、匀变速直线运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐运动、弹性碰撞、等温过程、绝热过程等是过程模型，光滑、不计空气阻力、不可伸长、轻绳等是条件模型。

有了以上几个物理模型之后，通过分析、判断简化、抽象和相应的物理知识之后学生就可以把情境化的试题转换为非情境化的试题，这个过程就是物理建模。但是实际情况呢，我在高二学考班复习匀变速直线运动讲解一个例题时让学生建模，图4左边这位同学的建模是教师希望看到的建模，而右边这位同学的建模就与教师心中的建模有很大距离。有的同学很聪明，数学运算能力很强，但是阅读理解能力和情境分析能力很弱，那么在当前的物理选考下，很难取得很高的物理赋分，但是建模的能力是可以培养的。

二、 核心素养下物理模型的构建

（一）物理对象模型构建案例

【案例2】 （2022年1月选考第13题）如图所示，将一通电螺线管竖直放置，螺线管内部形成方向竖直向上、磁感应强度大小B=kt的匀强磁场，在内部用绝缘轻绳悬挂一与螺线管共轴的金属薄圆管，其电阻率为ρ、高度为h、半径为r、厚度为d（dr），则（  ）

A. 从上向下看，圆管中的感应电流为逆时针方向

B. 圆管的感应电动势大小为kπr2h

C. 圆管的热功率大小为πdhk2r32ρ

D. 轻绳对圆管的拉力随时间减小

试题分析：学生清楚本题是用法拉第电磁感应定律、电阻定律去解题，但是就是无法入手，其实他们就是没有把金属薄圆管等效为多个相同的金属圆环并联，在利用法拉第电磁感应定律计算电动势时磁场的有效面积是πr2，在利用电阻定律计算圆管的电阻时，圆环的长度是2πr，圆环的横截面积是dh。最后根据楞次定律，圆管中的感应电流是顺时针方向的，根据磁场的方向，就可以判断出安培力是水平方向的，所以轻绳对圆管的拉力保持不变。

（二）物理过程模型构建案例

【案例3】 （2021年1月选考第9题）某一滑雪运动员从滑道滑出并在空中翻转时经过多次曝光得到的照片如图所示，每次曝光的时间间隔相等。若运动员的重心轨迹与同速度不计阻力的斜抛小球轨迹重合，A、B、C、D表示重心位置，且A和D处于同一水平高度。下列说法正确的是（  ）

A. 相邻位置运动员重心的速度变化相同

B. 运动员在A、D位置时重心的速度相同

C. 运动员从A到B和从C到D的时间相同

D. 运动员重心位置的最高点位于B和C中间

试题分析：学生根据选考试卷提供的照片，感觉好像运动员重心的最高点在B和C的中间。这个题目的解题关键是题干里的“运动员的运动轨迹与同速度不计阻力的斜抛小球轨迹重合”，学生如果能够根据这句话建立斜抛运动过程模型，通过数间隔的方式可知C点才是重心的最高点，而斜抛运动的性质是匀变速曲线运动，自然而然相等时间间隔内重心速度变化的大小和方向均相同。

（三）物理条件模型构建案例

【案例4】 （2011年浙江理综第14题）如图所示，甲、乙两人在冰面上“拔河”。两人中间位置处有一分界线，约定先使对方过分界线者为赢。若绳子质量不计，冰面可看成光滑，則下列说法正确的是（  ）

A. 甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是一对平衡力

B. 甲对绳的拉力与乙对绳的拉力是作用力与反作用力

C. 若甲的质量比乙大，则甲能赢得“拔河”比赛的胜利

D. 若乙收绳的速度比甲快，则乙能赢得“拔河”比赛的胜利

试题分析：甲乙两人在冰面上拔河，这就是一个实际问题，两人拔河的时候，如果不考虑人弯曲、倾倒，就可以把人当作质点处理，由于绳子质量不计，这就是一个条件模型。根据牛顿第二定律，可知甲、乙两人对绳子的力相等，再根据牛顿第三定律可得绳子对甲、乙两人的拉力大小相同，所以题目就转化成质量不同的两个质点在相同大小的力的作用下，经过相等时间，谁的位移大？这就把一个实际问题转为一个物理问题，很容易就知道质量大的位移小。

三、 物理模型建构的思考

（一）善于利用教材中的模型素材

在讲解“横波的传播模型”时，教材上有如图7所示的做一做栏目，我们可以引导学生完成以下2个步骤：首先台上同学站成一排，台下同学只观察台上同学头部的运动，除1号同学外，其余同学只靠周围同学的带动而蹲站。让1号同学连续蹲站，先观察各同学头部的起振方向与1号同学头部起振方向的关系，再观察各同学头部振动方向与波传播方向的关系。然后让6号同学连续蹲站，其余同学只靠周围同学的带动而蹲站。观察左右两边各同学头部振动方向与波传播方向的关系。通过这个活动，学生可以体会到波的形成需要质点间的相互作用，体会到其他质点是在振源带动下的受迫振动，体会到各质点起振方向和振源起振方向的关系，体会到波的传播方向和质点振动方向之间的关系，同时我们还可以观察波的双向传播等，让同学们在头脑中初步形成横波的传播模型。

【案例5】 （2021年6月浙江选考第16题）肥皂膜的干涉条纹如图所示，条纹间距上面宽、下面窄。下列说法正确的是（  ）

A. 过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形

B. 肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹

C. 肥皂膜从形成到破裂，条纹的宽度和间距不会发生变化

D. 将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动90°，条纹也会跟着转动90°

试题分析：在我们教材上出现过肥皂膜的图片，有的同学闭上眼睛就想到了教材上的这张图，这张图上的肥皂液膜很像梯形。A选项的解题关键是题干里的“条纹间距上面宽，下面窄”这句话，这句话讲了干涉条纹的特征，我们就从这句话来判断梯形的模型是否正确。所以学生首先要建立一个梯形的模型，如果肥皂膜是梯形的话，肥皂膜的厚度每变化波长的一半就出现一条条纹，条纹间距应该是相等的，现在题干里条纹间隔不相等，所以肥皂膜肯定不是梯形。这个题目需要学生先建模，再进行分析论证。

（二）习题课教学中强化建模教学

习题课是高中物理教学中常见的课型，习题课中建模能力的培养会直接影响学生解题的速度和能力，影响学生的物理成绩。所以，我们要在习题课中强化物理建模教学。

我在讲解《动量定理在电磁感应中的应用》习题课中，通过对4次选考试题的分析，让学生在脑子里初步形成应用动量定理解决电磁感应问题的基本模型。

（三）注意物理模型的广度与深度

在进行建模教学时，要充分考虑学生的学情，注意模型的广度与深度，并对模型做适当变式，从而引导学生准确、透彻地掌握模型的本质和使用条件。

总之，核心素养的培育不是一蹴而就，物理建模对学生来讲确实有一定难度，但是它是解决实际问题的前半段，如果我们能够建好模，剩下的就是利用物理规律进行求解。正因为建模很难，所以我们要让学生多建模。那么如何让学生学会建模？省教研员梁旭老师曾在论文中提出过九个字：“建中学，比中学，评中学”。建中学，建模不是听老师讲，而是要学生自己来建。比中学，大家都来画这个模型，然后投影出来给大家看，谁画得好，谁画得对，比一比，这样才能触动学生。评中学，比了之后要评价，看看谁好，理由是什么，为什么他不好，原因是什么，我们要真实地去评，真实地去比，这样才能逐步提高学生的建模能力，逐步提高课堂教学的效率。

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（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：78-80.

［2］宋磊磊.高三物理一轮复习中提高学生建模能力的研究与实践［D］.武汉：华中师范大学，2019.