高中物理建模能力培養的現狀及其對策

■甘肅省永登縣第二中學 何謀仁

隨著課程改革的不斷深入，與STS 聯系的物理問題在教材和高考試題中逐漸顯現出來，培養學生的物理建模能力勢在必行。然而，在目前的實際物理教學中，學生物理建模能力的培養仍停留在教材表述和物理習題歸納的層面上，本文將對高中物理建模能力的培養踐行論述。

一、物理建模能力培養的現狀分析

（一）利用教材表述陳述物理模型

現階段物理教材對物理模型建立主要是停留在表述階段，如：“質點”是高中物理教材中非常重要的物理模型之一，書中說“在某些情況下，真的可以不考慮物體的大小和形狀。這時，我們突出‘物體具有質量’這一要素，把它簡化為一個有質量的點，稱為質點。于是，對實際物體運動的描述，就轉化成對質點運動的描述。”教科版《高中物理必修1》是這樣說的：“經驗告訴我們，在解決汽車從甲地行駛到乙地這類問題時，可以不考慮車輪的轉動情況。這樣，我們就可以把整個汽車當成一個‘點’來考慮。也就是說，在研究一個物體的運動時，如果被研究物體的形狀、大小在所討論的問題中可以忽略，就可把整個物體簡化為一個有質量的點，這個用來代替物體有質量的點稱為質點，對照兩個版本的描述，我們不難看出，教材對質點這一物理模型的建立都傾向于陳述式的表達。

（二）利用物理習題傳授物理模型

物理習題的求解過程不可避免要用到物理模型，為了繞開這一障礙，很多教師都是通過表述和描述“傳授”物理模型，如在講解彈簧類問題時，告訴學生“我們研究的彈簧都是輕質彈簧”；遇到與繩子和桿子有關的習題時又說“我們研究的繩子和桿都是輕質的繩和桿”，至于為什么，教師不講，當然學生也就錯過了建立物理模型的時機，只是死“套模”。

二、運用原始物理問題培養學生的建模能力

案列1：原始物理問題：在校運會上，高二的鉛球冠軍李勇同學的成績是10.20m，試估算鉛球被推出的過程中李勇同學對鉛球所做的功。

解決此原始物理問題，教師需要先要引導學生會建立物理模型。本題的研究對象為鉛球，首先將鉛球抽象為物理模型“質點”，接下來忽略空氣阻力，建立一個真空環境模型，最后，鉛球出手后的運動可視為斜拋運動模型。有了物理模型，還要估計利用同學的身高和查閱鉛球的質量，如：利用同學的身高估計為h=1.70m，查閱鉛球質量約為m=5kg，鉛球水平飛行的距離為s=10.20m，這樣，一個完整的斜拋運動的物理模型建立起來了，最后，根據斜拋運動的相關規律以及功能原理，代入對應物理量數值即可算出。

案例2：原始物理問題：描述一列火車從蘭州西到重慶北的運動情況。

我們知道，定量描述火車的運動，必須構建出火車的位移、速度和加速度與時間的函數變化關系來。數學研究的對象為點、線和面，而我們物理的研究對象是火車，這里就出現了一個矛盾，數學“不認識”我們的火車，這就客觀上要求我們必須將“火車”這一物理研究對象要轉化成數學能夠認識的對象“點”，即“質點”，這就是質點這一物理模型產生的根源。從蘭州西到重慶北環境路線十分復雜，這就需要我們對火車行駛的路徑要進行分段處理，如：我們可以近似地將從榆中站到渭源站這一段的路徑看作直線，轉彎處是曲線，我們可以近似將其做圓弧來處理，如果這樣劃分過于粗略，我們還可以將這一段繼續劃分成若干段，其中有直線、圓弧，直到結果基本符合事實為止，這就是環境條件模型，是將實際復雜的曲線軌跡轉化為若干段簡單的直線和圓弧的集合體，在這一原始問題中，直線運動和圓弧運動就是物理模型。