淺以“人船模型”為例，談科學思維的培養

楊麗紅

摘 要：在高中物理模型的教學過程中，需要合理的設置問題，培養學生建構模型、科學推理、科學論證的思維能力。本文中以人船模型為例，以學生科學思維發展水平為導向設置變式訓練，逐層培養學生的科學思維。

關鍵詞：科學思維;人船模型;變式訓練

在《普通高中物理課程標準（2017）》中提到的物理學科核心素養涵蓋了物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四個維度，其中提到的科學思維被分為五個水平[1]，每個水平的要求在逐層提高。因此，在物理模型的教學中，需要經過模型分析構建，由淺入深，設置變式訓練，循序漸進，引導學生掌握其特點、規律和實質，進而培養學生的科學思維。

動量守恒定律是高中物理的重要內容，“人船模型”是守恒定律應用問題中典型的物理模型。下面以人船模型為例結合科學思維建立、培養，具體分析如下：

一、原型呈現

如下圖1所示，質量為m1、長度為L的船停在靜水中，質量m2的人靜止在船頭，當人從船頭走到船尾的過程中，求船對地的位移（不計水對船的阻力）。

分析：以人和船組成的系統作為研究對象，在人從船頭走到船尾的過程中，由于不計水對船的阻力，系統在x方向上合外力為0，所以在x方向上系統動量守恒。以人運動的方向為正方向，系統的初總動量為0，由動量守恒定律得：

m1v船-m2v人=0

由等式可知，當人向前加速運動時，船同時向后也做加速運動;當人向前勻速運動時，船同時向后也做勻速運動;當人向前減速運動時，船同時向后也做減速運動;當人停止運動時，船也同時也停止運動。設整個運動過程中人對地的平均速度為，船對地的平均速度為，則有：

m1-m2=0

而對地位移：，即有：m1v船-m2v人=0;

畫出此過程的運動情景圖如圖2：

由圖可知：x人+x船=L，聯立以上，解得x船。

該模型研究對象是人船兩物組成的系統，由于系統在x方向上合外力為0的情況下，所以x方向上動量守恒。此模型涵蓋了物理觀念中的水平1、2、3，能從物理學的角度觀察、描述和解釋自然生活現象，有物理與實際相結合的意識，并用物理知識解決實際問題[1]。該系統在相互作用下各自運動，在x方向上動量始終守恒，體現了科學思維素養中的水平1、2，也就是能對常見的物理現象能夠結合物理知識進行簡單分析，進一步能對簡單的物理現象結合物理學知識進行分析推理并獲得相關結論[1]。

二、設置模型變式訓練，建立科學思維

（一）訓練一

如圖3底邊長為b、質量為M的斜劈靜止于光滑水平面上，有一個質量為m的滑塊從斜劈頂部靜止釋放滑到底部時，求斜劈的位移。

分析：以斜劈和滑塊組成的系統為研究對象，滑塊由斜劈頂部無初速度滑到底部的運動過程中，系統水平方向動量守恒，兩者在水平方向上對地的位移滿足“人船模型”的位移關系。設斜劈移動s，則由水平動量守恒得：

解得：

題中系統在相互作用下各自運動，系統的初動量為0，運動過程中系統x方向上不受外力，系統在x上動量守恒，即可視為“人船模型”，應用該模型中兩物的位移關系則可快速得解。把斜面上物體運動的問題和人船模型的特點對照分析，把問題歸類到熟悉的物理模型中，這屬于科學思維素養水平2、3層次的培養，即能從不同的角度思考問題，對簡單的物理現象進行分析、推理，用已有的實用證據模型結合分析并得到結論[1]。

（二）訓練二

一質量為m1的載人氣球開始靜止在離地為H的空中，質量為m2的人要沿氣球繩梯緩慢滑至地面，求繩梯的最小長度。（不計空氣阻力、軟繩梯質量。）

分析：以氣球與人組成的系統為研究對象，系統在y方向上不受外力，系統在相互作用下各自運動，在整個運動中y方向上動量守恒。可類比x方向動量守恒的人船模型。設細繩的最小長度為l，以人的對地運動方向為正方向，當人向下滑至地面時，向下運動的距離為H，同時氣球向上移動，氣球對地上升的高度應為（l-H），如圖4所示，由動量守恒定律得：

解得：

題中人與氣球的系統在相互作用下各自運動，運動過程中系統任始終都不受外力，系統在y上動量守恒。屬于豎直方向、系統總動量始終為零的“人船模型”，有人向下運動，同時氣球向上運動、人加速球加速，人減速球減速、人停球停等與“人船模型”一致的有關速度、位移關系的結論。這屬于科學思維素養水平3層次的培養，即在熟悉的問題情境中選用恰當模型來解決簡單的物理問題，用模型結論來分析常見的問題，進一步通過推理獲得結論、解釋結論[1]。

（三）訓練三

如圖5，質量m的小球通過長L的輕質細桿與滑塊上的光滑軸O連接，質量M的滑塊套在光滑的水平軌道上，小球和輕桿可在豎直平面內繞O軸自由轉動，開始輕桿處于水平狀態。給小球m一個豎直向上的初速度，試求小球起始位置與小球擊中滑塊右側軌道位置點間的距離。

分析：將小球和滑塊視為系統，靠著系統間相互作用小球繞著滑塊擺，運動過程中x方向上合外力為零，x方向上的動量守恒，系統初動量為0，因此小球和輕桿在豎直平面內繞O軸轉動到右側與軌道接觸的過程，是涉及圓周運動的“人船模型”，以小球與滑塊組成的系統為研究對象，以小球速度在x方向分量為正方向，設小球在此過程中對地的水平位移為x1，滑塊對地的位移為x2，畫出此過程的運動情景圖如圖6，由動量守恒定律得：

解得：

本題涉及滑塊的平移和小球的轉動，以曲線運動情景呈現，看似復雜的問題，但水平方向仍滿足“人船模型”特征，實際上是動量守恒定律的深層理解和應用。對一個復雜的過程，抓住系統在中某個方向上滿足條件，仍可運用動量守恒求解，不受運動過程細節的影響，屬于科學思維素養水平4，即能將實際問題中的對象和過程轉換成基本物理模型，對綜合性物理問題進行分析和推理，獲得結論并作出解釋[1]。

結束語

以上所討論的“人船模型”結合科學思維的逐層培養涉及到的認識問題、分析問題、推理和歸納問題的思路和方法具有普遍意義。因此，在高中物理的教學實際中應注意：1.在模型教學過程中培養學生將生活情境抽象為理想物理模型的能力，以及分析模型、歸納模型特征結論的能力;2.在模型的變式訓練中加深學生對模型的認識和理解，能從復雜的物理情景中分析問題，認識問題的本質并應用模型結論;3.不斷總結提升，結合教學情況創造性地開展教學與評價工作，促進學生的感悟與運用。

參考文獻

[1]教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.1.