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前言 物理模型是物理学科的特征，《高中物理课程标准（2017版）》明确提出的物理学科核心素养中就包涵“模型建构”这一要素。关于物理模型教学，号主有多年的思考研究，也发表了若干篇论文，近期将连续分享，敬请同仁批评斧正，也欢迎大家引用、转载。转载请注明出处，引用格式如下： 江秀梅，刘大明. 物理建模与物理解模教学探究——以“轻物”模型教学为 例【J】.课程教学研究，2018（09）：76—80 一、物理模型概述 ( 一) 物理模型的内涵 物理模型是反映原物 ( 物体或事物) 某方面本质特征的理想物质 ( 过程) 或假设结构，是对实际问题进行科学地抽象化处理结果，运用了忽略次要因素，突出主要因素的简化方法，有利于对实际问题的分析和研究。物理模型始于原物 ( 对原物的结构特征、运动状态观察、分析和抽 象) 而有别于原物，最终又归宿于原物 ( 基本与原物的某方面的结构特征、运动状态相吻合) ，有利于对原物的认识和研究。物理模型有广义和狭义之分，广义的物理模型对应于某种理论，包含基本概念、基本规律在内的系统性的科学知识体系; 狭义的物理模型是反映特定问题的理想化模型。狭义的物理模型又分为对象模型、条件模型和过程模型。［3］ ( 二) 物理模型的思维特点 物理模型最核心的思维方法是，忽略次要因素突出主要因素的简化方法。对原物的认识和研究是十分复杂的，具有众多的因素，哪些因素是主要因素，哪些因素又是次要因素呢? 这取决于所要研究的问题。研究问题不同，这些众多因素的地位也就不同，某个因素在这个问题中原本为主要因素，但在另一个问题中可能变为次要因素。反之亦然。可见，物理模型不是原情境的全部，是为了顺利研究某个特定问题而纯化了的理想模型。根据所研究的问题确定各因素地位时，往往还要使用直接法、抽象法、类比法、理想法和等效替代法等思维方法。［4］ ( 三) 物理模型的意义 物理模型是现象与理论的中介，以解决问题为目的，以发展物理概念，演绎推理形成物理理论为归宿，是物理学家开展科学研究的普遍性思维方法，是科学知识发展的重要驱动力。物理模型的价值对于物理学家而言是十分明确的，但物理学家的模型与学生理解的模型是不一样的，通过模型的建构教学可以帮助学生聚焦问题、建构知识，在学科的范畴下进行问题解决。［5］在中学阶段，开展物理模型建构教学也具有重要的教育教学价值。或许正是基于此，模型建构定位为高中物理核心素养中的一个重要要素。 作为高中物理核心素养之一的科学思维，包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等要素，其中模型建构是最核心的要素，因为在模型建构的过程中需要科学推理和科学论证等要素的参与，建构模型后还需要针对实际问题进行反馈性批判，又需要质疑创新要素的参与。虽然反对学科核心素养和中国学生发展核心素养简单对应，但从某种比较意义上而言，物理学科核心素养无疑在培养科学精神方面的素养最为密切和重要。 综上所述，物理模型教学在培养物理学科核心素养和中国学生发展核心素养方面具有重要的作用，中学物理教师应当高度重视物理模型教学，这也是物理教师的使命。 二、物理模型的建构 ( 一) 物理建模定义 物理模型的建构，简称为物理建模。所谓物理建模，就是为了解决实际问题，从原物中提取主要因素、忽略次要因素，对原物进行简单化、纯粹化和理想化，最终构建一个代替原物的理想物质 ( 过程) 或假设结构的过程。 ( 二) 物理建模思维程序 物理建模过程是一个有规律可循的思维过程，它是以实物原型为研究对象，以实际问题为研究内容的科学探究过程。可用图 1 思维模型来说明这一过程。 四、轻物模型教学案例 ( 一) 教学内容分析 轻物模型是高中物理试题中经常出现的理想化模型，如轻杆、轻绳、轻弹簧、轻板 ( 质量忽略不计的小车) 等。很遗憾，教材并没有介绍此类模型，导致不少教师对这一模型缺乏深入研究，存在理解有偏差、讲授不到位等现象。在讲解习题时，表现出重记忆、轻理解的强势灌输现象。其根本原因是，教师模型意识淡薄、建模和解模能力很薄弱。轻物模型如此常见，教师应当借此机会，通过对轻物模型的深度教学，深入理解轻物模型的动力学规律，促进师生物理建模和解模能力的提高。 ( 二) 教学过程简述 1． 亲身实验，形成初步形象 把教学用细绳、弹簧、杆发给学生，让学生用手托举，问问学生的感受: 绝大多数学生用词会含糊，回答说: “轻。”再引导学生，你们说的 “轻”是指什么小呢? 有些学生会说，重力小，有学生会说质量小。 设计意图: 形成模型的初步的具体的形象，启动学生思维 ( 结论对错，无关紧要) 。 2． 以绳为例，体验建模过程 准备器材: 柔软的细绳 ( 质量小) 和金属链条 ( 质量大) 各一条，拉力传感器两个，小物块一个。 定性探究: 要求学生拿着两端拉直，双手高度相同和不同两种情境下感受双手拉力的大小。 拉绳时，两种情境下，双手拉力大小都相等; 拉金属链条时，等高情境双手拉力大小相等，不等高情境双手拉力大小不等，高处拉力大，低处拉力小。引导学生分析导致结论差异的原因: 有学生会说质量一大一小不同，有学生会说重力一大一小不同。再问: 以上两个原因有本质区别吗? 在什么样的情境下可能区分两者的差异? 设计意图: 建立 “两端拉力” 的目标形象， 启动定量探究愿望，确立探究方向。定量探究: 两端都挂上拉力传感器，一端拴接物块，另一端用手拉着，使得物块在水平面上匀速运动和加速运动。拉绳时，两种运动情境两个拉力传感器拉力总是相等; 拉金属链条时，匀速运动情境，两个拉力传感器拉力相等，加速运 动情境，手侧端拉力传感器示数大于物块端拉力传感器的示数。引导学生分析，两端拉力传感器大小相同与否跟什么因素有关? 加速度不同时， 导致拉力传感器大小是否总相同的因素是什么? 最终结论是，柔软绳两端拉力总相同的原因是其质量很小，可以忽略不计; 质量不可忽略时，两端拉力在变速运动时，拉力大小不相等。 师生互动: 无论在什么运动情境下，绳两端的拉力大小总相等或者其微小差异可以忽略，这样的绳称之为轻绳。这里的 “轻”是指什么小且小到可以忽略? 答: 质量小到可以忽略。我们把质量可以忽略的物体，称之为轻质物体模型，简称轻物模型。例如，轻弹簧、轻杆、轻木板等， 都是理想化的轻物模型。 设计意图: 引导学生经历轻物模型的建构思维过程，帮助学生体验物理建模过程，提高建模意识和能力。 3． 理论分析，提高解模能力 轻绳两端拉力大小为什么总相等? 轻物模型具有什么共同特点? 质量可以忽略，还会导致其他物理量可以忽略吗? 轻绳、轻弹簧、轻杆还有各自独特的特点吗? 分析产生这些独特特点的原因。 设计意图: 进一步拓展实例，提高学生物理解模能力。 4． 运用举例，提高用模能力 |
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