淺析初中物理建模思想培養(yǎng)的著力點

關(guān)鍵詞：初中物理;建模思想;著力點

作者簡介：劉滿云（1970.5—），女，湖南省長沙市岳麓區(qū)湘儀學校，高級教師，校長，長沙市物理學會副理事長。

《義務(wù)教育物理課程標準（2011年版）》的提出，旨在提高學生的科學素養(yǎng)，即通過初中物理教學，學生學習適應終身發(fā)展的物理知識，培養(yǎng)良好的思維習慣，能夠在分析問題和解決問題時嘗試運用這些知識和思維方法。物理教學往往對物理概念和規(guī)律采用建模的方式進行構(gòu)建和探究，要求學生沖破現(xiàn)實與經(jīng)驗的局限，學會抓住事物的主要因素與本質(zhì)特征，忽略事物的次要因素，從而科學地解決問題。從某種意義上說，物理學的發(fā)展過程是一個不斷建立模型、運用模型和修正模型的過程，所以物理教學本身就是對物理模型的教學，它對學生的思維培養(yǎng)有著得天獨厚的學科優(yōu)勢。

由于高中教材中有大量需要建模才能深入理解的教學內(nèi)容，概念模型方面如質(zhì)點、彈簧振子、單擺、點電荷等;條件模型方面如力學中的光滑面，電磁學中的勻強電場、勻強磁場，研究帶電粒子在電場中運動時對重力作用的忽略，熱學中的絕熱容器;狀態(tài)和過程模型方面如力學中的勻速直線運動、自由落體運動、簡諧振動、彈性碰撞等;其他模型還有電學中的穩(wěn)恒電流、熱學中的等溫變化，等等。對這些內(nèi)容的學習和研究，如果沒有建模的意識和方法簡直寸步難行。因此對于高中物理教學，大家都認為培養(yǎng)學生的建模思想是必然選擇。但對于初中物理，大多數(shù)教師認為沒有必要強調(diào)建模，一是因為初中教材中沒有需要專門對學生進行建模思維訓練的大量教學內(nèi)容和素材;二是教師認為初中學生的認知發(fā)展水平更多地具有“具象”的特點，不適合進行建模思想的培養(yǎng)和訓練。

任何能力的形成都是循序漸進而非一蹴而就的。教師在初中物理教學實踐中對建模思想的培養(yǎng)和訓練的忽視，造成很多學生到了高中根本不適應建模思維的要求。因此，在初中物理教學中，重視建模思想的培養(yǎng)有著十分重要的意義。教師應具備建模思維培養(yǎng)的意識，善于挖掘、積累和利用素材，為學生的后續(xù)學習打下良好基礎(chǔ)。

心理學的研究和實踐表明，十四五歲的學生處于以具象思維為主要形式，并逐漸向抽象邏輯思維為主要形式過渡的階段。這個階段的學生很大程度上仍然是將直接經(jīng)驗與感性經(jīng)驗相聯(lián)系，思維仍然具有具體形象性，直到進入初三，才開始逐漸步入抽象邏輯思維占主導地位的階段。在青年初期，學生開始試圖對經(jīng)驗材料進行理論概括，此時正是學生由初三向高中過渡的階段。因此，結(jié)合學生認知發(fā)展水平對其進行建模思想的教育，是初中物理教師對學生實施建模思想培養(yǎng)的前提，它提醒教師不能任意“拔高、超前、加難”。

一、初中物理學習內(nèi)容的模型建構(gòu)

初中物理的學習內(nèi)容看似紛繁復雜，實則具有很強的系統(tǒng)性特征，只要掌握了各個知識點之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，就能找到其中的規(guī)律。在物理學習中，學生需要著重掌握和理解各個重要的物理概念，掌握基礎(chǔ)的物理規(guī)律，完成實驗任務(wù)，教師以此三者為核心進行模型建構(gòu)，能促進學生對初中物理學習內(nèi)容的整體把握。

（一）概念教學中的建模

在進行概念教學時，物理概念的建構(gòu)過程就是物理模型的建構(gòu)過程。梳理人教版八年級上、下冊和九年級全一冊這三本教材后，筆者發(fā)現(xiàn)，屬于理想模型概念的有光線、磁感線、力的示意圖、原子核式結(jié)構(gòu)模型等;屬于借助數(shù)學工具構(gòu)建出來的概念有速度、密度、比熱容、壓強、功率、電功率、機械效率等;屬于借助圖像加深理解的概念有路程與時間的關(guān)系圖線、重力與質(zhì)量的關(guān)系圖線、晶體熔化圖線、伏安特性曲線等。每一類概念都對應著不同的建模思想和方法。以理想模型為例，由于物理現(xiàn)象或過程非常抽象，為使其變得直觀形象，需運用理想模型加以呈現(xiàn)。如在研究光現(xiàn)象時，引入光線概念，即用帶箭頭的直線代表光的傳播特點與傳播方向。實際上光源所發(fā)出的光，并非帶箭頭的直線，而引入“光線”這一模型，能夠直觀形象地描述光傳播的特點，有助于光現(xiàn)象的研究。又如，物體間力的作用看不見、摸不著，用一根帶箭頭的線段來表示力，這也是一種模型;輕質(zhì)杠桿，忽略杠桿本身的重力也是一種模型;研究肉眼觀察不到的原子結(jié)構(gòu)時，建立原子核式結(jié)構(gòu)模型;在研究磁場時用磁感線描述磁場，等等。這些模型的建立，使很多物理現(xiàn)象變得更直觀，更易于學生理解和接受。

（二）規(guī)律教學中的建模

運用合適的物理模型將復雜的問題轉(zhuǎn)化為純物理問題，這就是物理規(guī)律的建模。初中物理規(guī)律教學的建模素材很多，理想實驗模型以著名的牛頓第一定律為代表，這是建模教學必不可少的內(nèi)容，不必贅述。很多人認為其他規(guī)律教學談不上建模思想，其實，仔細分析后會發(fā)現(xiàn)，其中大有寶藏可供挖掘。例如，杠桿平衡條件在生活中的應用是初中物理建模思想的又一重要內(nèi)容，它最能體現(xiàn)建模思想中的“物理抽象”思維，即突出主要的、本質(zhì)的特征，忽略次要的、非本質(zhì)的因素。在利用杠桿平衡條件解決實際問題時，第一步就是要將實際問題中的杠桿模型建立起來，要找到問題情境中的杠桿所在;第二步要找出杠桿的“五要素”，這樣才有可能解決后面的問題。

【例1】（2011年長沙市中考物理題）在長沙市地鐵二號線建設(shè)工地上，有一塔吊正在準備起吊一個底面積為0.8 ㎡、質(zhì)量為2400 kg的圓柱形重物;如圖所示，A為塔吊的配重，OB為塔吊的起重臂，C為能在起重臂上移動的載重小車，載重小車下掛有滑輪組，OB=25 m。當載重小車在B點時，能安全起吊重物的最大質(zhì)量是1200 kg。現(xiàn)在載重小車從距離O點10 m的載重臂上，準備起吊該圓柱形重物（不計掛鉤、滑輪組和鋼絲繩重及摩擦。g取10 N/kg）問：

（1）起吊前，該重物對地面的壓強為多大？

（2）起吊后，當重物勻速上升時，載重小車下每段鋼絲繩的拉力為多大？

（3）如果將重物勻速提升20 m，則拉力做功多少？

（4）塔吊將重物從起吊點提升20 m后，載重小車最多能向B點方向再平移多少米，才能保證安全工作？

這是一道中考題，當年很多考生能意識到要通過建立杠桿模型來解決問題，但在進行杠桿模型構(gòu)建時，不能很好地分析三條鋼繩的拉力對杠桿平衡所起的作用，認為已知條件中缺少三條鋼繩的拉力大小及力臂大小，根本無從下筆。有的考生即使寫出了答案，也是碰運氣，根本不明白三條鋼繩的拉力對杠桿的平衡作用是無關(guān)因素、次要因素，可以忽略不計，還是對杠桿的轉(zhuǎn)動效果可以互相抵消。

再如下面的例2：

【例2】俯臥撐是一項常見的健身項目。如圖是小明同學做俯臥撐時的示意圖，他的身體可視為杠桿，A點為重心，重力為500 N。若重力的力臂L1=2.1 cm，地面對手支持力的力臂L2=3.0 cm，求地面對雙手支持力的大小。

很多同學在解答該問題時，都能順利找到該杠桿模型的支點在腳尖部位。筆者在教學過程中為了訓練學生的建模能力，通常會將題目進行現(xiàn)場改編。當學生順利得出地面對手的支持力后，筆者將條件改變，要求學生求出地面對腳尖的支持力。那些只會依葫蘆畫瓢、缺乏邏輯思維的學生一下子傻眼了，不知從何下手;而那些已經(jīng)熟悉針對實際問題建立杠桿模型并形成解決問題的基本思路和方法的學生，則順利找到了新的支點。

運用杠桿模型解決生活中的實際問題的例子比比皆是。初中物理規(guī)律教學中還有回聲測距的勻速直線運動模型構(gòu)建、等效電路圖的模型構(gòu)建、利用受力分析的方法建立平衡方程解決力學問題等，都需要教師在教學過程中不斷強化模型構(gòu)建思想，讓學生形成“分析生活情境、物理事實、物理問題—建立物理模型—運用物理模型、結(jié)合數(shù)學工具—解決物理問題”的思維方法和解決策略。

（三）實驗教學中的建模

中學物理探究類、測量類實驗居多，在實驗過程中需要學生提出問題、做出假設(shè)、設(shè)計實驗、進行數(shù)據(jù)分析與處理等，這些環(huán)節(jié)都屬于典型的建立模型過程。這個過程需要教師提出有價值的問題，盡量降低無關(guān)因素的干擾，設(shè)計科學的實驗步驟和方法以及用數(shù)學工具處理實驗數(shù)據(jù)。

在實際教學中，實驗的意義和價值沒有發(fā)揮出來，因為對于很多學生而言，他們對這些實驗根本不感興趣，看熱鬧的現(xiàn)象是比較普遍的。

所以，能否提出有價值的問題是決定該實驗是“真實驗”還是“假實驗”，探究是“真探究”還是“假探究”的關(guān)鍵。比如在“探究平面鏡成像規(guī)律”的實驗中，筆者曾經(jīng)設(shè)計過一個導入問題：

【例3】在深為10 m的湖面上方，有一只小鳥在空中飛翔，小鳥離湖面20 m，請問：小鳥在湖中的像位于（ ? ?）

A.湖面上 ? ? ? ?B.距湖底10 m處

C.湖中任意處 ? ?D.湖面下20 m處

這個問題一提出來，效果非常好，學生討論得很熱烈，甚至分為幾派爭論。此時，筆者說：“欲知詳情，請同學們進行實驗探究。”那些平時對實驗不感興趣的學生也躍躍欲試。

通過實驗數(shù)據(jù)尋找規(guī)律、構(gòu)建新的物理概念的典型是“比熱容”的實驗。實驗先通過數(shù)據(jù)分析比較沙子和水的吸熱能力，再建構(gòu)一個全新的概念“比熱容”，是利用比值這一數(shù)學工具建立新概念的“物理—數(shù)學—物理”建模過程。

二、初中物理學習方法的模型建構(gòu)

“授人以魚，不如授人以漁”，教學的要義在于教給學生學習知識的方法。科學的學習方法是學生學好一門課程的核心要素，是學生最本質(zhì)、最關(guān)鍵的學習內(nèi)容。初中物理教學，要從學習方法層面來構(gòu)建模型，讓學生掌握自主學習知識的方法。

（一）利用類比的思想學習物理知識

利用乘積或比值的方法構(gòu)建物理概念，是物理學家們常用的方法，也是對數(shù)學工具的應用，更是建模思想的體現(xiàn)。教師在進行相關(guān)內(nèi)容的教學時，可以利用類比的思想。如對于速度、密度、壓強、比熱容用比值定義的物理量，教師可以讓學生探究它們的共性與區(qū)別;還可以做聲波與水波的類比、電壓與水壓的類比、光的反射與聲波的反射類比、乒乓球的反彈現(xiàn)象類比等。

（二）對研究方法的歸類

初中生剛開始學習的物理現(xiàn)象是聲現(xiàn)象，緊接著是光現(xiàn)象，再到物態(tài)變化的熱現(xiàn)象。在這個過程中，教師應該引導學生的具象思維向抽象思維過渡，能主動將所學知識進行邏輯思維加工，梳理出知識脈絡(luò)及研究方法。例如，學生可以對照聲現(xiàn)象的研究步驟（聲音的產(chǎn)生—聲音的特點—聲音的應用）來研究光現(xiàn)象（光的產(chǎn)生—光的傳播特點—光的應用）。學生在教師的引導下進行對比，逐漸將這樣的研究步驟內(nèi)化于心，從而潛移默化地形成一種學習能力和方法。

（三）對習題教學的建模

習題建模與新知識學習過程中的建模不同，它需要教師從一類題目中提取共同點編制成一道基本的題目，讓學生在這種基本題目的訓練中獲得對這一類題目的共同理解;它需要教師對初中物理中的傳統(tǒng)題型和熱門題型進行分析與整合，提取其中的共同點，然后在解決問題的過程中，幫助學生形成基本的思路，從而在學生的思維中形成一套基本的模型。它最終的目的是讓學生在新的題目情境中找到已經(jīng)建立的模型，然后進行拓展延伸，從而實現(xiàn)新問題的解決。這對初三學生的迎考復習具有重要的意義，值得初中物理教師鉆研，以造福學生，提高學生的應試能力。

總之，由于客觀事物具有多樣性和復雜性，在研究過程中教師用正確的物理模型簡化研究條件，描述抽象的物理問題，形成同類物理問題的解決方法，既是常用的科學研究手段，也有助于學生認識和掌握物理的本質(zhì)。物理模型在中學物理教學中具有不可替代的作用和重要的價值，物理建模教育是一種長期的教育，研究初中物理建模思想的培養(yǎng)大有可為。

[參考文獻]

中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

莊媛，顧夢婷，呂華平.初中物理模型建構(gòu)教學的意義及作用——以“物體的浮與沉”為例[J].中學物理教學參考，2020，49（23）：7-9.

徐杰.基于類比建模讓“猜想”之苗在物理情境中生根發(fā)芽——以蘇科版初中物理“電功”教學為例[J].物理教學探討，2020，38（05）：26-27.

劉思宏.基于初中原始物理問題的物理建模能力培養(yǎng)研究[D].上海：上海師范大學，2019.

沈峰.在物理建模中培育學生的核心素養(yǎng)——以初中物理電流模型的建立為例[J].數(shù)理化解題研究，2018（35）：71-72.

楊慶輝，邱奕照.物理建模能力在初中物理課堂教學中的有效培養(yǎng)[J].中學物理，2018，36（18）：20-22.

姜麗敏.淺析“物理建模”在初中地理教學中的運用[J].中學物理教學參考，2015，44（08）：19.

王煒雯.從建模觀點分析初中物理教科書中“運動和力”的建模歷程及其意涵[D].杭州：杭州師范大學，2018.