对高中物理教学中学生建模能力的培养

江苏省无锡市宜兴市丁蜀高级中学   周国峰

【内容摘要】在新课程教育理念下，学校教育重在强调对学生进行以“能力与方法”为核心的“三维目标”综合素养的积极培养。作为基础教育中的一门基础学科，高中物理的传统教育方法已不能满足教育改革与发展过程中的实质性需要。正因为如此，在新课标理念和核心素养观下，高中物理课程强调了培养学生建模能力的重要性。教师在传授知识的同时还要向他们渗透如何“建模”，引导其形成建模思维，优化处理物理问题。笔者结合自身工作实践，简单地介绍高中物理教学过程中的几种常见模型，分析培养学生建模能力的价值和意义，并且探讨一些具体的培养策略，以期让学生掌握正确的建模方法，更好、更快地学习知识和解决问题。期望获取来自同行的商榷和指正。

【关键词】高中物理；建模能力培养；模型教学价值；策略性构建

作为一门基础性学科，高中物理学科涉及的知识内容多而复杂、丰富宽泛。对于学生而言，那些比较抽象的学科概念、物理公式等内如，不仅是不容忽视的学习重点，同时还是无可规避的学习难点，可谓是“挑战与考验并存”。学生在课堂上遇到不懂的问题时很容易跟不上进度，而教师仅以单纯的口授式教学也很难在短时间内让学生理解。久而久之，就会形成“恶性循环”现象，学生不懂的问题就会越来越多。实践表明，建立物理模型可以在形象的物理情境中呈现出原本较为复杂的问题，便于学生抓住问题的规律和本质，从而达到“简化问题、易于学习”的教学目的。所以说，培养学生建模能力是非常重要的。在高中物理教学过程中，如何有效培养学生的建模能力呢？

一、简述高中物理教学中的几种常见模型

概括来说，高中物理学科中的常见模型主要有如下几种：第一种是“对象模型”。这是一种比较理想化的物理模型。因为真实情况往往是比较复杂的，所以我们在运用物理知识分析和研究实际问题时，通常会用忽略空气、风的阻力等次要条件的抽象模型或者理想状态模型来代替原本的实物。第二种是“过程模型”。该种模型的作用，主要是了解物体的变化过程以及归纳变化的规律。在建模时需要将物体在真实状态下发生的变化设想为理想状态下的变化，如理想状态下气体的等压变化、物体的自由落体运动等。第三种是“条件模型”。该模型需要理想化研究物体的主要条件，如通过忽略绳子的质量、物块表面的摩擦力等来让问题变得简单化。第四种是“理想实验模型”。在物理实验过程的最后，实验活动难免会受到各种因素的影响和限制，该类模型能够通过理想化那些限制条件让实验变得更加合理化。

二、在高中物理教学中培养学生建模能力的价值性

正如前文所说，在高中物理教学过程中，培养学生的建模能力既十分必要又非常重要。其主要价值集中地体现在如下两个方面：一方面在于构建物理模型，能够使原本复杂的物理问题变得相对简单化，有助于学生在学习过程中更好地抓住问题的本质。高中物理学科的抽象性很强，教材中的物理问题对于学生而言理解难度较大。教师单纯的口授讲解方式以及课本上枯燥的文字现象，也无法让学生想象到问题中所描述的相应现象。而学生听不懂，不仅会打击他们的学习信心和学习动机，同时也直接地导致教师无法顺利推进后续的教学。在这种情况下，如果教师不顾学生情况而继续讲解新的内容，那么很容易引起学生的厌学甚至畏惧心理。与之相应的是，积极有效地构建物理模型，不仅有利于把“问题根源”比较清晰地展示在学生眼前，而且有助于学生准确地把握物理原理，较好地吸收和内化物理知识，调动他们的学习兴趣和主观能动性。另一方面，培养学生的建模意识和建模能力，有助于他们形成良好的思维习惯和思维模式，提升问题解决的实际能力。不仅如此，在逐步地具备建模能力后，学生在解决问题时也就不必利用自己有限的经验去随意地猜测和推断，而是先将问题简化，忽略次要条件，结合具体情况理想化实际问题，将其转变为理想的物理情景，这样就能较快较好地获得相应的结果。一言以蔽之，培养建模能力可以提升学生的思维能力，帮助他们运用物理知识解决生活中的物理问题，将知识融会贯通，提升物理综合素质与核心素养。

三、对高中物理教学中学生建模能力培养策略的构建

“教无定法，确有章法。”在高中物理教学过程中，笔者历经一段时期的探究与反思，初步取得了一些成功做法和实践经验。现就培养学生建模能力的策略性构建这个角度，作出如下一些简要性阐述。

（一）通过研究与简化问题，注重培养学生建模能力

物理学科之所以难教难学，就是因为它具有很强的抽象性。学生在看到复杂的物理问题时，往往难以通过问题在脑海中建立相应的物理图景。有鉴于此，在高中物理教学过程中，教师首先须要做的根本点就在于引导学习思路，帮助学生简化问题，从而为最后的解决问题打下基础、激发活力。具体而言，教师引导学生建模，利用物理模型来直观化、形象化地呈现原本抽象的物理问题。而许多教师在教授一些规律性知识时，为了片面地追求教学效率，他们没有为学生作出细致性讲解，导致学生只能通过“死记硬背”来进行应付，实际上并未真正地理解和吸收知识。在这种情况下做题，学生就会很容易出错，他们只记忆结果，却并不能够了解学科知识的真正形成过程。既然他们的知识结构并不完整，那么，所教与所学效果自然是不够理想的。

以《分子动理论》为例。该章的一个重要教学目标，就在于让学生理解“分子间的作用力”。如果教师只是照本宣科地告诉学生：“邻近分子间同时存在相互作用的引力和斥力。”“分子间的引力和斥力都跟分子间的距离有关系。”并且要求机械性记忆，那么学生的学习就只能是停留在表层，记忆力也是并不深刻的。而且一旦学习了其他与之相关或者相似的概念，同样会很容易发生混淆。有鉴于此，教师可以提出“轻弹簧”模型，拿出一个两端分别连着一个小球的轻弹簧，让学生将小球看做相邻的分子，而弹簧的弹力就是二者的作用力。通过形象地展示并放大微观现象，帮助学生简化问题，让他们在认真观察模型的基础上，通过小组活动形式讨论分子间作用力的特点，归纳并总结规律，可较好地实现深度学习目标，并能提升学生探究能力。

（二）通过链接生活性元素，注重培养学生建模能力

“物理的外延与生活的外延是基本相等的。”这一流传甚远的信条式论断，意在强调物理的“生活性”特质。换言之，无论从知识起源和发展过程而言，还是从学科形成和服务功能来说，物理与社会生活之间始终是一种“深度融通、相辅相成”的紧密关系。然而，对于学生而言物理模型比较陌生，尤其在刚刚升入高中之时，即使学生想要建立模型，也不知道要用什么图景来呈现物理问题。正因为如此，在高中物理教学过程中，教师要抓住物理与生活的联系，挖掘生活有用素材，并与生活中的物理现象相结合，以此培养学生的建模能力。这种从生活中选取模型的方法，还能让学生切实感知生活是物理的来源，了解物理在生活中的种种用途，激发他们的学习兴趣和学习动机。如此而为，让学生在熟悉的社会环境和生活氛围中建立物理模型，引导解决物理问题，收获知识和提升能力，这种教学效果是显而易见的。

以《能量守恒定律》内容教学为例。为了让学生切实理解并把握——“能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。”教师可以让学生尝试地寻找并实举出反例，看看是否能推翻这一物理定律。学生很喜欢这种活动环节，他们不用扬鞭自奋蹄，纷纷跃跃欲试，每人想要做能一个“推翻历史”的人。有的学生提出搭乘电梯时，自己没有出力，但是也达到高处了，能量增加了。教师对此不必急于否定，而是鼓励其他学生就这一问题来思考并发表自己的见解，试着说服对方；或者看看谁的“支持者”更多一些。有的学生认为该观点错误，因为电梯在上升时虽然重力势能增加了，但这是由于电使马达工作，所以是电能转化而成的重力势能，者完全符合“能量守恒定律”。通过让学生举出生活例子来构建能量转化模型，有利于在喜闻乐思中帮助他们轻松地理解这一定律。

    （三）从科学思维方法入手，注重培养学生建模能力

“科学思维”是进行物理研究所必需具备的一项思想意识和行为能力，而且它与建模能力之间有着很大的关联。这是因为，大部分物理模型都是因科学思维而产生的，而人们在运用科学思维来研究问题的时候，往往需要通过构建物理模型来实际分析问题。所以说，在高中物理教学过程中，为了更好地培养学生建模能力，教师要引导他们渗透模型中的科学思想，让其掌握科学思维方法，这样才能在遇到物理问题后尽快思考并分析建模，以相应的物理模型来辅助解决问题。

例如，物理研究中经常会用到的一种思维方法，那就是“理想化处理”。因此也产生了许多相应的模型，在运用该思维方法时，研究者为了让主要因素对研究对象的影响更加合理化，往往会将次要因素忽略，使对象处于理想化状态。如在许多实验中，那细腻光滑的平面、质量可以忽略不计的轻绳、忽略了物体大小和形状的质点或质心、假设物体在运动中变形很小或忽略不计的刚体、运动中没有空气阻力的自由落体运动、不考虑阻尼振动的简谐运动等。物理学科中理想化处理的例子很多，这些都是运用理想化思维研究问题而得到的。教师要引导学生体会模型的构建过程，从而掌握构建方法，理解物理的本质。

综上所述，物理学科由于抽象性较强，有史以来一直都是高中教育中的难点现象。而许多学生因为思维能力较差，难以理解较为复杂的物理知识和问题。针对这种情况，教师可以引导学生构建物理模型，降低学习难度，同时还可运用物理模型解决问题，培养学生的知识运用能力与问题解决能力。具体而言，教师可以通过研究与简化问题、与生活中的物理现象相结合、教授科学思维方法三种途径，有效培养学生的建模能力，增强其学习动机，进而提升学生的物理核心素养。

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