指向“模型構建”要素的物理教學路徑分析

俞柯斌

摘 要：模型構建要素是科學思維素養的重要組成，教學中教師不僅僅要關注物理知識的傳授，更要注重學生物理建模能力的培養。文章通過對對象、過程、條件模型構建案例的分析，提升學生的物理建模能力。同時教師應善于利用教材中的模型素材，在習題課教學中強化建模教學，并注意物理模型教學的廣度與深度。

關鍵詞：核心素養；建模；物理教學

中圖分類號：G633.7? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1673-8918（2023）11-0149-04

《普通高中物理課程標準（2020年版）》提出高中物理核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。其中“科學思維”素養主要包括模型構建、科學推理、科學論證、質疑創新等要素，同時課程標準也將各個核心素養劃分成五個水平。可見，“模型構建”要素是科學思維素養的重要組成，這意味著教師在實際教學中，不僅僅要關注物理知識的傳授，還要注重學生物理建模能力的培養。

下面以2022年1月浙江選考第7個選擇題為例來看看浙江選考試題中對“模型構建”要素的考查。

【案例1】 （2022年1月浙江選考第7題）如圖所示，水平放置的電子秤上有一磁性玩具，玩具由啞鈴狀物件P和左端有玻璃擋板的凹形底座Q構成，其重量分別為GP和GQ。用手使P的左端與玻璃擋板靠近時，感受到P對手有靠向玻璃擋板的力，P與擋板接觸后放開手，P處于“磁懸浮”狀態（即P和Q的其余部分均不接觸），P與Q間的磁力大小為F。下列說法正確的是（? ）

A. Q對P的磁力大小等于GP

B. P對Q的磁力方向豎直向下

C. Q對電子秤的壓力大小等于GQ+F

D. 電子秤對Q的支持力大小等于GP+GQ

試題分析：大部分學生平時沒有看過啞鈴狀物件的真實結構，以至于他們沒有辦法建立一個受力分析的模型，平時學的共點力的平衡等知識就無法應用。

題干中講到用手使P的左端與玻璃擋板靠近時，感受到P對手有靠向玻璃擋板的力，所以放開手后，擋板對啞鈴狀物件P有水平向右的彈力，它還受重力，所以磁力應該是斜的。

近年來，浙江選考試題越來越注重實際情境和物理建模，所以我們平時的物理教學也應該要指向核心素養，尤其是要關注物理建模。

一、 核心素養與物理模型

物理模型是人們對物理研究對象及其過程的抽象概括，是人們認識物理問題所形成的心理圖示的外在表達，是重要的物理方法。物理模型可以分為對象模型、過程模型、條件模型。質點、彈簧振子、單擺、理想氣體、點電荷、勻強電場、理想變壓器等都是對象模型，勻速直線運動、勻變速直線運動、平拋運動、勻速圓周運動、簡諧運動、彈性碰撞、等溫過程、絕熱過程等是過程模型，光滑、不計空氣阻力、不可伸長、輕繩等是條件模型。

有了以上幾個物理模型之后，通過分析、判斷簡化、抽象和相應的物理知識之后學生就可以把情境化的試題轉換為非情境化的試題，這個過程就是物理建模。但是實際情況呢，我在高二學考班復習勻變速直線運動講解一個例題時讓學生建模，圖4左邊這位同學的建模是教師希望看到的建模，而右邊這位同學的建模就與教師心中的建模有很大距離。有的同學很聰明，數學運算能力很強，但是閱讀理解能力和情境分析能力很弱，那么在當前的物理選考下，很難取得很高的物理賦分，但是建模的能力是可以培養的。

二、 核心素養下物理模型的構建

（一）物理對象模型構建案例

【案例2】 （2022年1月選考第13題）如圖所示，將一通電螺線管豎直放置，螺線管內部形成方向豎直向上、磁感應強度大小B=kt的勻強磁場，在內部用絕緣輕繩懸掛一與螺線管共軸的金屬薄圓管，其電阻率為ρ、高度為h、半徑為r、厚度為d（dr），則（? ）

A. 從上向下看，圓管中的感應電流為逆時針方向

B. 圓管的感應電動勢大小為kπr2h

C. 圓管的熱功率大小為πdhk2r32ρ

D. 輕繩對圓管的拉力隨時間減小

試題分析：學生清楚本題是用法拉第電磁感應定律、電阻定律去解題，但是就是無法入手，其實他們就是沒有把金屬薄圓管等效為多個相同的金屬圓環并聯，在利用法拉第電磁感應定律計算電動勢時磁場的有效面積是πr2，在利用電阻定律計算圓管的電阻時，圓環的長度是2πr，圓環的橫截面積是dh。最后根據楞次定律，圓管中的感應電流是順時針方向的，根據磁場的方向，就可以判斷出安培力是水平方向的，所以輕繩對圓管的拉力保持不變。

（二）物理過程模型構建案例

【案例3】 （2021年1月選考第9題）某一滑雪運動員從滑道滑出并在空中翻轉時經過多次曝光得到的照片如圖所示，每次曝光的時間間隔相等。若運動員的重心軌跡與同速度不計阻力的斜拋小球軌跡重合，A、B、C、D表示重心位置，且A和D處于同一水平高度。下列說法正確的是（? ）

A. 相鄰位置運動員重心的速度變化相同

B. 運動員在A、D位置時重心的速度相同

C. 運動員從A到B和從C到D的時間相同

D. 運動員重心位置的最高點位于B和C中間

試題分析：學生根據選考試卷提供的照片，感覺好像運動員重心的最高點在B和C的中間。這個題目的解題關鍵是題干里的“運動員的運動軌跡與同速度不計阻力的斜拋小球軌跡重合”，學生如果能夠根據這句話建立斜拋運動過程模型，通過數間隔的方式可知C點才是重心的最高點，而斜拋運動的性質是勻變速曲線運動，自然而然相等時間間隔內重心速度變化的大小和方向均相同。

（三）物理條件模型構建案例

【案例4】 （2011年浙江理綜第14題）如圖所示，甲、乙兩人在冰面上“拔河”。兩人中間位置處有一分界線，約定先使對方過分界線者為贏。若繩子質量不計，冰面可看成光滑，則下列說法正確的是（? ）

A. 甲對繩的拉力與繩對甲的拉力是一對平衡力

B. 甲對繩的拉力與乙對繩的拉力是作用力與反作用力

C. 若甲的質量比乙大，則甲能贏得“拔河”比賽的勝利

D. 若乙收繩的速度比甲快，則乙能贏得“拔河”比賽的勝利

試題分析：甲乙兩人在冰面上拔河，這就是一個實際問題，兩人拔河的時候，如果不考慮人彎曲、傾倒，就可以把人當作質點處理，由于繩子質量不計，這就是一個條件模型。根據牛頓第二定律，可知甲、乙兩人對繩子的力相等，再根據牛頓第三定律可得繩子對甲、乙兩人的拉力大小相同，所以題目就轉化成質量不同的兩個質點在相同大小的力的作用下，經過相等時間，誰的位移大？這就把一個實際問題轉為一個物理問題，很容易就知道質量大的位移小。

三、 物理模型建構的思考

（一）善于利用教材中的模型素材

在講解“橫波的傳播模型”時，教材上有如圖7所示的做一做欄目，我們可以引導學生完成以下2個步驟：首先臺上同學站成一排，臺下同學只觀察臺上同學頭部的運動，除1號同學外，其余同學只靠周圍同學的帶動而蹲站。讓1號同學連續蹲站，先觀察各同學頭部的起振方向與1號同學頭部起振方向的關系，再觀察各同學頭部振動方向與波傳播方向的關系。然后讓6號同學連續蹲站，其余同學只靠周圍同學的帶動而蹲站。觀察左右兩邊各同學頭部振動方向與波傳播方向的關系。通過這個活動，學生可以體會到波的形成需要質點間的相互作用，體會到其他質點是在振源帶動下的受迫振動，體會到各質點起振方向和振源起振方向的關系，體會到波的傳播方向和質點振動方向之間的關系，同時我們還可以觀察波的雙向傳播等，讓同學們在頭腦中初步形成橫波的傳播模型。

【案例5】 （2021年6月浙江選考第16題）肥皂膜的干涉條紋如圖所示，條紋間距上面寬、下面窄。下列說法正確的是（? ）

A. 過肥皂膜最高和最低點的截面一定不是梯形

B. 肥皂膜上的條紋是前后表面反射光形成的干涉條紋

C. 肥皂膜從形成到破裂，條紋的寬度和間距不會發生變化

D. 將肥皂膜外金屬環左側的把柄向上轉動90°，條紋也會跟著轉動90°

試題分析：在我們教材上出現過肥皂膜的圖片，有的同學閉上眼睛就想到了教材上的這張圖，這張圖上的肥皂液膜很像梯形。A選項的解題關鍵是題干里的“條紋間距上面寬，下面窄”這句話，這句話講了干涉條紋的特征，我們就從這句話來判斷梯形的模型是否正確。所以學生首先要建立一個梯形的模型，如果肥皂膜是梯形的話，肥皂膜的厚度每變化波長的一半就出現一條條紋，條紋間距應該是相等的，現在題干里條紋間隔不相等，所以肥皂膜肯定不是梯形。這個題目需要學生先建模，再進行分析論證。

（二）習題課教學中強化建模教學

習題課是高中物理教學中常見的課型，習題課中建模能力的培養會直接影響學生解題的速度和能力，影響學生的物理成績。所以，我們要在習題課中強化物理建模教學。

我在講解《動量定理在電磁感應中的應用》習題課中，通過對4次選考試題的分析，讓學生在腦子里初步形成應用動量定理解決電磁感應問題的基本模型。

（三）注意物理模型的廣度與深度

在進行建模教學時，要充分考慮學生的學情，注意模型的廣度與深度，并對模型做適當變式，從而引導學生準確、透徹地掌握模型的本質和使用條件。

總之，核心素養的培育不是一蹴而就，物理建模對學生來講確實有一定難度，但是它是解決實際問題的前半段，如果我們能夠建好模，剩下的就是利用物理規律進行求解。正因為建模很難，所以我們要讓學生多建模。那么如何讓學生學會建模？省教研員梁旭老師曾在論文中提出過九個字：“建中學，比中學，評中學”。建中學，建模不是聽老師講，而是要學生自己來建。比中學，大家都來畫這個模型，然后投影出來給大家看，誰畫得好，誰畫得對，比一比，這樣才能觸動學生。評中學，比了之后要評價，看看誰好，理由是什么，為什么他不好，原因是什么，我們要真實地去評，真實地去比，這樣才能逐步提高學生的建模能力，逐步提高課堂教學的效率。

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2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：78-80.

［2］宋磊磊.高三物理一輪復習中提高學生建模能力的研究與實踐［D］.武漢：華中師范大學，2019.