基于經驗事實的物理模型構建方法

許金梅

【摘要】隨著新一輪課程改革的實施和推進，提升學生的物理核心素養成為了高中物理教學的重要目標。物理核心素養的內涵包括對科學思維能力的培養，其中就提出了對模型構建的要求。高中階段的物理知識與物理模型聯系十分緊密，教師在日常教學中，引導學生立足于經驗事實，將實際問題抽象化、理想化、精簡化、情景化，引導學生建立物理模型，有助于幫助學生抓住本質、明確思路，提高學生的物理問題處理能力，提高學生的物理核心素養。

【關鍵詞】經驗事實；物理模型；問題處理

隨著新一輪課程改革的實施和推進，高中物理課堂不僅注重對學生知識的傳授和教學，更加注重對學生物理核心素養的培育和提升。隨著新一輪課程改革的實施和推進，物理核心素養提出了要基于經驗事實構建物理模型的教學要求。廣大物理教師在教學過程中，引導學生立足于經驗事實，嘗試把實際問題抽象化、理想化、精簡化、情景化，整合成為可以舉一反三利用解題的有效模型，進而提高學生物理問題處理能力，提高學生的物理核心素養。

一、抽象取代，建立理想模型

高中階段的物理看似抽象，但實則和學生的生活實際聯系十分緊密。在對物理問題展開探究時，為了便于問題的研究往往會在不影響研究結果的情況下，對復雜的物理實物進行抽象取代，建立物理實物模型解釋物理概念。

例如，在物理教材的開篇——《運動學》的教學過程中，“質點”是學生所接觸到的第一個理想化模型。為了讓學生更好地理解“質點”的概念以及相關的運動公式，我對“質點”這一概念進行了三個層次的引入教學。首先，我向學生提供了運動描述的任務，讓學生自主研究滾動的足球、冉冉升起的國旗等等，不管是足球向前滾動，還是國旗飄揚著上升，物體在運動時有著不斷變化的運動狀態，很難入手研究。然后，我打開手機，利用投影給學生展示手機中的GPS導航系統，在導航系統的圖像中只用了一個“點”來描述人的位置。馬上有學生意識到，在GPS中重要的是人走的方向，動作和身材都不重要可以忽略，所以僅僅依靠一個“點”便可以表示人的位置。回到足球與國旗的問題中，當我們研究足球向前、國旗上升的速度，受到的外力與自身的質量是問題研究的關鍵，可以同樣將物體理想化為一個“有質量的點”展開研究?；诖耍瑢W生深刻地理解了“質點”這一理想化模型：用來代替物理的有質量的“點”，其條件是物體的大小和形狀的影響是否能夠忽略。

以學生生活經驗的GPS導航系統來啟發學生理解質點的意義及內涵，激活學生的建模意識，可以使學生對于物理實物模型有著更加深的理解和認知，對于以后學習光滑表面、單擺、勻強磁場、點電荷等知識做了鋪墊。

二、理想簡化，建立過程模型

在物理中“運動”相關的學習過程中，每一項物體的運動都牽扯著各種各樣的運動或形變，運動的過程十分復雜。但是對于不同的知識點，研究的目的往往也不同，教師可以基于經驗事實，引導學生對于運動過程進行理想簡化，構建過程模型，更好地反映事物的本質的理想過程。

例如，在“拋體運動”的相關內容教學時，經常會遇到飛機投物、扔垃圾等平拋運動的問題。在分析平拋運動的過程中，為了化簡復雜的運動過程，我指導學生將以飛機投物為例的平拋運動化簡為豎直方向上的分運動——自由落體運動（v=gt，h=

gt2），以及水平方向的分運動——勻速直

線運動（s=vt），將復雜的平拋運動化簡為豎直與水平方向的兩個常見的分運動之后，學生可以正交分解法求出指定點的速度情況，從而使整個運動過程變得清晰。這一過程模型同樣適用于其他復雜運動，學生基于平拋運動的過程模型，將復雜運動看做兩個或多個已知分運動的合運動，有效地化簡復雜運動的分析難度，實現分運動與合運動的有效轉化。

教師將運動過程簡單化之后，再引導學生進一步分析運動的發生過程，可以幫助學生更好地理解不同運動的變化形式，幫助學生將不同的運動與相應的過程模型匹配起來。

三、抽絲剝繭，建立問題模型

在高中階段的物理題目中，復合場中復雜的受力情況往往是學生思維的難點，經常讓學生找不到解題的頭緒，難以入手。然而，換一種思考的角度，復合場是兩個或多個基本場受力的疊加，只要明確題目的關鍵問題，基于基本場受力的經驗事實將復合場等效處理，問題也便迎刃而解了。

例如，在“復合場中建立圓周運動”的問題教學中，由于學生已經學習過在基本重力場分析輕繩模型的圓周運動，最高點能取得的最小速度，對應著繩子的拉力為0，mg= ，尚易掌握。在復合場的教學中，我引導學生基于此前的分析經驗，建立問題模型將重力場與電力場的受力情況合二為一，建立“等效重力場”，使整個運動與受力的情況瞬間“柳暗花明”，同樣是在最高點，電場力與重力的合力成為了復合場中的“重力”，當最高點仍然取最小速度，當電場力方向向下，對應T繩=0，

mg+qE= 時，當電場力方向向上，T繩=0，

mg-qE= （假設電場力小與重力）。

由于物理模型是有限的，但組合的情景是多種多樣的。教師在引導學生建立問題模型時，要引導學生多思考、多分析，準確把握題目中的解題關鍵信息點，合理地進行等效處理，實現知識的有效遷移。

四、情境檢驗，建立理論模型

在高中的物理教學與學習過程中，理論模型是較為特殊的一類物理模型，蘊含著物理知識起源于發展。當人們還不清楚事物的本質、結構、變化規律時，物理學家們依據實驗經驗與思維經驗建立假說，形成理論模型，從而提出概念與規律。

例如，在“機械能守恒定律”的教學過程中，我引入“魚餌自動投放器”的投餌裝置進行教學。我展示了一些關于“魚餌自動投放器”的投餌管裝置的結構，一般是彈簧銜接豎直細導管，在導管上端接入一定半徑的四分之一圓弧彎管。學生基于生活經驗，大膽地猜測“魚餌自動投放器”的能量轉化原理為彈簧勢能轉化為機械能（動力勢能和重力勢能），成功建立了理論模型。然后，我引入2011年福建省高考理綜第21題，指導學生將之前的理論模型帶入題目的情景中進行檢驗，當質量為魚餌離開彈簧后，彈性勢能全部轉化為魚餌的機械能，當魚餌到達導管口C時，圓周運動的向心力完全有重力來提供mg= ，彈簧壓縮在0.5R時的彈性勢能根據機械能守恒定律為Ep=mg（1.5R+R）+ mv2。

教師在引導學生建立物理模型時，必須要抓住經驗事實，引導學生從實際情景中轉化物理模型，利用實際情景檢驗物理模型，幫助學生形成理論思想，明確分析思路，有效地實現模型的構建和運用。

總而言之，高中階段的物理知識與物理模型聯系十分緊密，引導學生建立物理模型，有助于幫助學生抓住本質、明確思路。教師在日常教學中，引導學生立足于經驗事實，將實際問題抽象化、理想化、精簡化、情景化，可以有效地幫助學生建立模型，舉一反三，提高學生的問題處理能力。

參考文獻：

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