淺談大數據支持下的高中物理建模能力的培養與實踐

王文英

【內容摘要】從高中物理學科的核心素養要求出發，論述了高中物理建模的意義、基本方法和基本策略，最后通過大數據的采集、分析及反饋，淺談建模能力的培養策略的具體實踐創新應用。

【關鍵詞】大數據支持? 建模能力? 培養與實踐

一、時代要求和高中物理建模的意義

德國物理學家勞爾說“重要的不是獲得知識，而是發展思維能力。教育無非是一切已學過的東西都遺忘掉的時候，所剩下的東西”，即是培養人的“核心素養”，這才是我們的教育真正的價值。

2017版課程標準從學科核心素養的角度提出課程目標，科學思維是物理學科的關鍵核心素養之一，它是對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互聯系的認識方式，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新，模型建構是要求學生學會從物理學的視角發現問題和分析問題，解決問題。建模教學是亞利桑那州立大學理論物理學家David Hestenes創立的一種教學模式，“建模和用模就是物理思維。若想發展物理思維能力，就必須發展用模和建模能力”。物理學的研究對象是物理模型，物理學的思維方法是建模思維，物理學的發展史就是一部物理建模的歷史，物理學離不開物理模型和物理建模。物理就是建模，學習物理就是學習物理建模。

二、建構物理模型的基本方法

首先我們要明確什么是物理模型，其次要明確物理模型有哪些，再次要明確建模是怎么發生的。

物理模型是脫胎于事物原型的高度抽象和概括。物理建模中常用一些非語言的符號進行問題表征或思維路徑的呈現，例如數學公式、圖形圖像等，所以具備這些非語言的符號表達能力對物理建模能力的生成與發展影響更大，因此需要提高非語言的符號表達能力，以促進模型思維的發展，例如通過圖形或符號將頭腦中物體的運動具體化，或者把物體的具體運動轉化為圖形或符號，要求學生從實際錯綜復雜的物理現象和過程中通過分析、綜合、比較、分類等思維過程，找出其內在規律，然后用數學符號或公式、圖形圖像或圖表等表示出來，再經過一系列的運算處理，然后得出結果。因此，“建模”就是將實際間題抽象、簡化為模型，然后用數學符號或公式、圖形圖像或圖表加以表征的過程，最終達到解決問題的目的。

因此建構物理模型的基本方法有抽象、概括、假設、類比、想象分析綜合和推理論證等。

三、建構物理模型的基本策略

1.選擇合適模型

一個合適的物理模型是一把解題的金鑰匙，每一個具體物理問題所描述的物理現象或過程，都對應著一定的物理模型，建構合適模型的關鍵是對物理狀態和過程的分析，認真審題，通過對研究對象的受力情況、狀態特征以及運動變化過程的分析，結合物理規律，才能選擇出一個合適的模型。

2.建構物理模型

從形象思維為切入口，把物理語言轉變為圖形，使抽象問題形象化，借助于想象建立物理模型，無論是物理圖示或物理圖像，他們的形象功能是不言自明的，想象是一種高級的形象思維活動，是在頭腦中把新舊知識和科學概念進行加工和重新組合，建立新形象的過程，想象是智慧的翅膀，圖形和想象的通力配合及綜合運用是建模的一個關鍵點，它可以使物理模型建立最佳。

物理建模的另一關鍵點是構建數學模型，把復雜的物理語言轉化成數學基礎語言，能夠使物理變得形象化和簡單化。

3.大數據的采集、分析及反饋——建模循環

反饋原理告訴我們，任何系統只有通過反饋信息，才可能得到有效的控制，即一個教學信息控制系統把信息輸送出去，又把其作用結果（反饋信息）反送回控制系統的輸入端，控制系統根據反饋信息的量進行比較、糾正和調整它發出的控制信息的量，從而實現控制作用，達到預期目的。反饋通常采用診斷式的形成性測驗的方式，因此我們就要對測驗的結果進行采集和分析，然后反饋給教師和學生，再進行教學的矯正，通過建模的循環教學，最終達成培養學生科學思維，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的核心素養。

四、建構物理模型的實踐創新

例：如圖甲所示，兩根足夠長，電阻不計的平行金屬導軌相距1m，導軌平面與水平面的夾角為37°，下端接有阻值為1.5Ω的電阻R。虛線MN下側有與導軌平面垂直、磁感應強度大小為0.4T的勻強磁場。現將金屬棒ab從MN 上方某處垂直導軌由靜止釋放，金屬棒運動過程中始終與導軌保持良好接觸，已知金屬棒接入電路的有效阻值為0.5Ω，金屬棒運動的速度??時間圖像如圖乙所示，取sin37°=0.6，cos37°=0.8，g=10m/s2，下列判斷正確的是（? ）

A.金屬棒的質量為0.2kg

B.0～5s內系統產生的熱量為20J

C.0～5s內通過電阻R的電荷量為5C

D.金屬棒勻速運動時，ab兩端的電壓為1V

本題滿分4分，正確答案是AC，對全年級進行了真實全面的大數據的采集，難度0.18，區分度0.69，年級平均得分0.74，實際得分率18.48%，根據大數據統計學生解答結果和考后對學生發放了試卷分析問卷調查，要求學生對自己的錯誤解答進行分析，然后教師結合數據對錯因進行分析。

本題文字表述物理過程比較簡單，最重要的是兩張圖，如何把兩張圖轉化為具體的物理情景，從物理情景中找到解題有關的物理狀態和過程，再分析分析研究對象的相關參量，辨明哪些已知、哪些未知，選擇解題所需用的物理規律，尋找不同過程之間物理量聯系這些都是本題的難點。我們可以按下圖邏輯關鍵分析這道題：

選擇A的同學比例較多，但由于概念不清，考試技能較弱，導致沒有得分;選擇答案B一個重要的原因是審題不清，理解錯了“0～5s內系統產生的熱量”的意思，0～5s內系統產生的熱量不僅僅是焦耳熱，還包含整個過程中摩擦力產生的熱量，而焦耳熱正好是20J，這就是很多學生選B的原因;選擇答案D的原因是錯誤的理解了“ab兩端的電壓”，ab金屬棒本身是一個電源，因此是路端電壓，這個切割磁場產生的動生電動勢物理模型沒有建立好，通過大數據的采集、分析和反饋，讓我們的建模教學更加有的放矢，今后我們要加強引導學生從情景化信息中建立物理模型的循環訓練，有了大數據的支持下，讓我們的高中物理建模能力的培養更加有效，這就是我們的實踐創新。

我們通過科學的建模教學和有效的檢測，然后通過大數據的有效的采集和科學的分析，再矯正我們的建模教學，通過不斷建模循環，達到學生建模能力的培養，最終實現“科學思維”關鍵能力的提升。

【參考文獻】

[1] 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準（2017年版）[M]. 北京：人民教育出版社，2018.

[2] 人民教育出版社、課程教材研究所、物理課程教材開發中心. 普通高中課程標準實驗教科書物理.

[3] 朱小青. 對高中物理教學中培養學生科學思維素養的反思[J]. 中學物理教學參考，2018（6）.

[4] 吳明珠. 科學模型本質剖析：認識論面向初探[J]. 科學教育月刊，2008（3）.

【本文系江西省教育科學“十三五”規劃2019年度課題“大數據支持下的高中物理精準教學研究”研究成果，課題編號：19ZXYB002。】

（作者單位：江西省南昌市第三中學）