高中物理學(xué)習(xí)培養(yǎng)建模思想的幾點(diǎn)思考

鄒譯達(dá)

我們高中生都說物理難學(xué)！為什么？筆者在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)，目前的物理題往往有具體的情境，我們首先要突破的困難是“建模”，“物理模型”是在物理研究中對(duì)相關(guān)狀態(tài)或過程進(jìn)行概念化的表征方式.一旦學(xué)會(huì)了構(gòu)建物理模型，那么很多物理問題其實(shí)就不難了，建模是一項(xiàng)重要的科研能力，也是一種典型的物理思想.高中物理學(xué)習(xí)的過程中，如何培養(yǎng)建模思想和提升建模的能力呢？筆者認(rèn)為可以從以下幾點(diǎn)著手.

1 自主提升建模思想的理論支撐

學(xué)習(xí)是復(fù)雜的，是具有藝術(shù)性的科學(xué)活動(dòng)，那么對(duì)于高中物理學(xué)習(xí)培養(yǎng)建模思想有著怎樣的教育理論支撐呢？筆者認(rèn)為建模并非一蹴而就，具有過程性和階段性，筆者認(rèn)為皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論可以作為培養(yǎng)、提升建模思想的理論支撐.

皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論認(rèn)為兒童的認(rèn)知發(fā)展具有四個(gè)不同的階段，分別是感知運(yùn)動(dòng)階段、前運(yùn)算階段、具體運(yùn)算階段、形式運(yùn)算思維階段.這四個(gè)階段有這樣四個(gè)特征：第一，每一個(gè)階段都有獨(dú)特的認(rèn)知圖式，在不同的年齡階段呈現(xiàn)出階段性.第二，這四個(gè)階段出現(xiàn)的先后順序是恒定不變的，都是由前一個(gè)發(fā)展階段進(jìn)入到下一個(gè)發(fā)展階段，逐漸達(dá)到最高水平.但是每個(gè)兒童的發(fā)展快慢卻是有差異的，同年齡段之間的聯(lián)系并不是固定不變的.由于受先天智力、后天的社會(huì)環(huán)境、所受文化程度等的不同而有著個(gè)體的差異.第三，每一個(gè)階段的發(fā)展都是在前一個(gè)階段的發(fā)展基礎(chǔ)之上形成的.第四，每個(gè)階段的發(fā)展與前一階段有交叉重疊，在準(zhǔn)備期內(nèi)，同前一階段保持密切的聯(lián)系.

皮亞杰還深刻闡明了影響兒童心理發(fā)展的四個(gè)基本因素.最基本的因素是個(gè)體的成熟.成熟為心理的發(fā)展提供了可能性.其次是個(gè)體的練習(xí)和經(jīng)驗(yàn).通過個(gè)體的反復(fù)動(dòng)作練習(xí)、習(xí)得經(jīng)驗(yàn)，促使其認(rèn)知不斷發(fā)展.然后是社會(huì)經(jīng)驗(yàn).主要指社會(huì)文化經(jīng)驗(yàn)和人際交互作用.最后是平衡過程.

回顧我們物理建模的過程，與這個(gè)四個(gè)階段非常符合，需要我們?cè)诓粩嗟鼐毩?xí)、分析和反思的過程中才能將建模的經(jīng)驗(yàn)用于解決實(shí)際問題中來，并在不斷平衡的過程中內(nèi)化為自己的知識(shí).

2 具體的實(shí)踐策略分析

2.1 重視過程體驗(yàn)在建模學(xué)習(xí)中的作用

建構(gòu)物理模型的過程是將感性信息升華為理性認(rèn)知的重要過程，屬于一種科學(xué)抽象的處理手段.我們學(xué)習(xí)物理模型的構(gòu)建過程時(shí)，可以沿著前人的探索思路重新感悟知識(shí)的形成和完善過程，并從中發(fā)現(xiàn)、領(lǐng)會(huì)和掌握物理模型的構(gòu)建方法.如果以傳統(tǒng)意義上的題海戰(zhàn)術(shù)來讓我們學(xué)習(xí)并熟悉物理模型，其短、平、快的特點(diǎn)表面看來節(jié)省了學(xué)生的精力和時(shí)間，但是嚴(yán)重壓縮了我們學(xué)生的認(rèn)知過程，讓我們沒有充分感悟，直接導(dǎo)致我們對(duì)模型的認(rèn)知相當(dāng)膚淺.結(jié)果是我們根本無法把握模型的實(shí)質(zhì)，只能靠生搬硬套來解決相關(guān)問題.

例1 如圖1所示的鐵芯上繞有兩組線圈，匝數(shù)分別為n1=800、n2=200，若在上側(cè)線圈的兩端加上u=51sin314t V的交變電壓，并將交流電壓表接在下線圈兩端，則電表示數(shù)可能為

A.9.0 V B.2.0 V

C.144.0 V D.12.7 V

處理上述問題時(shí)，很多學(xué)生選擇了9.0 V，其原因是生搬硬套“理想變壓器”這一模型的結(jié)論，沒有認(rèn)真比對(duì)試題模型與理想模型間的差別，而其根源就在于我們?cè)谛抡n學(xué)習(xí)的過程中忽略建模思想的有序培養(yǎng).因此這就提醒我們，學(xué)習(xí)過程應(yīng)該讓合作探究，全面參與建模過程，而不是僅僅等待教師嚼碎了灌輸，我們學(xué)生應(yīng)該在自我領(lǐng)悟中感受模型的構(gòu)建.

以理想電壓表模型的構(gòu)建為例，我們通過以下步驟幾個(gè)步驟進(jìn)行探索并建立模型：（1）結(jié)合可拆變壓器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先選用匝數(shù)比恰當(dāng)?shù)脑本€圈和電壓輸入，讓副線圈所接燈泡正常發(fā)光，然后嘗試著拿走變壓器上的橫條鐵芯，對(duì)比鐵芯閉合和非閉合狀態(tài)下燈泡的明暗情形，再針對(duì)現(xiàn)象的思考和討論中感悟鐵芯閉合的作用；（2）將輸入電壓調(diào)成2 V，先以100匝和200匝的原副線圈來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，小燈泡正常發(fā)光，再將副線圈調(diào)整為800匝，燈泡卻熄滅了.這一現(xiàn)象超出大家的想象，有所預(yù)習(xí)的學(xué)生都清楚匝數(shù)越大，副線圈的電壓越大，燈泡應(yīng)該更亮，為何結(jié)果相反呢？我建議大家用電壓表對(duì)燈泡兩端的電壓進(jìn)行測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)讀數(shù)很小，但是斷開燈泡，直接測(cè)量副線圈兩端電壓，示數(shù)卻很大，基本接近匝數(shù)比，經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)，再聯(lián)系有關(guān)閉合電路的歐姆定律，線圈內(nèi)阻的影響基本浮出水面；（3）我們可以直接用手觸摸已經(jīng)工作一段時(shí)間的鐵芯，大家會(huì)感受到鐵芯在工作過程中熱量的生成，然后在相互討論用彼此絕緣的硅鋼片疊起來組成鐵芯的優(yōu)點(diǎn).通過上述過程，學(xué)生就能把握住理想變壓器建模過程的基本要點(diǎn)，只有在此基礎(chǔ)上探索相關(guān)特點(diǎn)，才能從本質(zhì)上理解模型的內(nèi)涵.

2.2 重視原始問題在建模學(xué)習(xí)中的作用

當(dāng)前的高中物理STSE是核心素養(yǎng)之一，所以我們遇到的很多物理習(xí)題都源自于原始物理問題，所謂原始物理問題，就是指那些從自然界或生活生產(chǎn)中直接提取而未經(jīng)過加工提煉的物理問題.它是對(duì)客觀實(shí)在直接而樸素的反映，其對(duì)現(xiàn)象的描述未做任何科學(xué)化的整理，更沒有像物理習(xí)題一般將已知量和所求量直接羅列出來.而當(dāng)前教學(xué)中所采用的物理習(xí)題，屬于抽象式物理問題，是教師在對(duì)原始物理問題進(jìn)行了提煉、簡(jiǎn)化和抽象而來的產(chǎn)物.也正是由于我們學(xué)生面對(duì)的大都是這類精加工處理的物理問題，跳過了由原始物理問題到抽象物理問題的建模過程，使得我們?cè)诮⒛Ｐ头矫娉霈F(xiàn)嚴(yán)重缺失，最終我們的學(xué)習(xí)只能被限制在套用模型的層面.由此可見，建模過程是將原始物理問題發(fā)展為抽象物理問題不可或缺的步驟，就我們的物理學(xué)習(xí)而言，這一過程不容逾越.所以，實(shí)際的物理學(xué)習(xí)過程中，要關(guān)注原始物理問題，教師給我們提供原始物理問題不是為了為難我們，這些問題都很有趣，大大改善了單一化習(xí)題訓(xùn)練模式，我們要對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行提煉和處理，才能有效提升模型構(gòu)建能力和理解能力.

例2 如圖2所示的雜技演員正在進(jìn)行表演，請(qǐng)結(jié)合圖形估算這個(gè)演員拋出一枚雞蛋的過程中，所做功的數(shù)值最接近

A.0.3 J B.3 J

C.30 J D.30 J

本題與一般的物理習(xí)題有著明顯的差別：題目中沒有給定問題解決所需要的物理量數(shù)值，沒有直接的模型說明，更沒有明確考核的規(guī)律和方法，因此本題是一個(gè)典型的原始物理問題.相關(guān)問題的解決需要如下過程：首先明確對(duì)應(yīng)的事實(shí)和現(xiàn)象是怎樣的一個(gè)問題，從而在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化，進(jìn)而抽象出物理模型，最后在提煉和加工的過程對(duì)有關(guān)物理量的信息進(jìn)行發(fā)掘，進(jìn)而使之轉(zhuǎn)化為大家所熟悉的抽象物理問題.本題作為一道估算題，將雞蛋的運(yùn)動(dòng)形式視作豎直上拋運(yùn)動(dòng)或斜拋運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)果并無較大影響，至于上拋過程中雞蛋各部分的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)也屬于該問題 中的次要因素，因此在忽略次要因素的基礎(chǔ)上，可以提取出模型：豎直上拋的質(zhì)點(diǎn).再結(jié)合生活實(shí)際，將雞蛋的質(zhì)量（0.05 kg）以及雞蛋上升高度約為人體身高的三分之一（0.6 m）代入模型，能很快鎖定答案.但是如果將問題改成：一枚質(zhì)量為0.05 kg的雞蛋，豎直上升的最大高度為0.6 m，求解人拋起雞蛋過程中的做功，這樣的題目就顯得單薄而膚淺了.正因?yàn)樵囶}沒有直接給出經(jīng)過加工處理的已知和模型，因此才給試題蓋上了神秘的面紗，大家需要充分發(fā)揮自己的抽象思維，對(duì)相關(guān)條件進(jìn)行挖掘，才能有效解題，這充分體現(xiàn)了高考命題能力立意的基本思想.

總之，解決問題的過程是不斷構(gòu)建物理模型并應(yīng)用物理模型提取解決問題方法的過程，我們?cè)谂囵B(yǎng)自我建模能力時(shí)，應(yīng)該深入研究最基礎(chǔ)、最典型物理知識(shí)、物理問題及研究方法，在解決問題的過程思考、感悟物理模型，體驗(yàn)“形成概念，探究規(guī)律”的過程，唯有如此，才能深入掌握探究物理問題的基本方法，使解決物理實(shí)際問題的能力得到有效提高.