邵雪艷

摘要：力學(xué)是高中物理知識體系中的重要模塊，并且與其他模塊相比，更易與實(shí)際情境關(guān)聯(lián)起來，也就更適合培養(yǎng)和考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力。概念教學(xué)中，要凸顯理想化模型的建構(gòu)；習(xí)題訓(xùn)練時(shí)，要強(qiáng)調(diào)對真實(shí)情境中非理想問題的模型建構(gòu)。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu)；力學(xué)；高中物理

新一輪課改最為重要的方向之一，就是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。而作為物理核心素養(yǎng)之一的“科學(xué)思維”，“主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素”。模型建構(gòu)在高中階段體現(xiàn)在提取問題中包含的物理要素，并能夠用模型去解釋問題中涉及的物理過程，能夠建立起對在真實(shí)情境中的非理想問題建構(gòu)模型的意識并提高相應(yīng)的能力。高中物理力學(xué)模塊知識，與其他模塊知識相比，更易與實(shí)際情境關(guān)聯(lián)起來，也就更適合培養(yǎng)和考查學(xué)生的模型建構(gòu)能力。因此，在高中物理力學(xué)教學(xué)中，要尤其關(guān)注“模型建構(gòu)”。本文從概念教學(xué)和習(xí)題訓(xùn)練兩方面分享筆者的思考。

一、概念教學(xué)中，要凸顯理想化模型建構(gòu)

物理概念是客觀事物的共同屬性和本質(zhì)特征在頭腦中的反映，是事物的抽象，是觀察、實(shí)驗(yàn)和思維相結(jié)合的產(chǎn)物。目前，高中力學(xué)中很多概念的學(xué)習(xí)都需要建立物理模型，但是學(xué)生仍然對物理模型認(rèn)知模糊甚至錯(cuò)誤。這是因?yàn)樵诮虒W(xué)時(shí)教師沒有明確模型建構(gòu)的目的以及模型建構(gòu)的過程，只重視了概念（模型）得出的教學(xué)結(jié)果。因此，在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)突出問題中物理要素的提取過程，凸顯理想化模型建構(gòu)，幫助學(xué)生了解建立物理模型的目的和關(guān)鍵，從而進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生掌握模型建構(gòu)的相關(guān)方法。

例如，人教版高中物理必修第一冊第一章第一節(jié)《質(zhì)點(diǎn)參考系》中，“質(zhì)點(diǎn)”就是一個(gè)理想化的物理模型。這一節(jié)內(nèi)容看上去比較簡單，往往也不會涉及定量計(jì)算，所以教師一般只要求學(xué)生記住質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)只有質(zhì)量而無形狀的點(diǎn)，是一個(gè)理想化的物理模型，而很少帶領(lǐng)學(xué)生去經(jīng)歷建立“質(zhì)點(diǎn)”這個(gè)理想化模型的過程，這導(dǎo)致在之后的問題解決中學(xué)生常常會陷入混亂。實(shí)際上，“質(zhì)點(diǎn)”模型不僅是高中生接觸的第一個(gè)物理模型，更是之后力學(xué)乃至其他模塊知識的基礎(chǔ)——之后的彈簧振子、單擺、點(diǎn)電荷等都屬于理想化模型。如果能夠?qū)⒗硐牖Ｐ偷慕⑦^程細(xì)化、凸顯，就能讓學(xué)生在之后的學(xué)習(xí)中將有關(guān)知識由點(diǎn)結(jié)合成面，納入系統(tǒng)化的知識體系。

“質(zhì)點(diǎn)”理想化模型主要用于實(shí)際問題的簡化處理，所以教師可以先通過豐富的情境讓學(xué)生感受在沒有質(zhì)點(diǎn)模型的情況下描述運(yùn)動的繁難。教師先展示一系列的圖片、動態(tài)影像：釋放一片羽毛使之下落，遙控?zé)o人機(jī)飛行，發(fā)射火箭升空……并讓學(xué)生描述這些運(yùn)動過程。學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，這些運(yùn)動看似簡單平常，但描述起來并不容易：在下落過程中，羽毛可能還在旋轉(zhuǎn)，羽毛上的小絨毛還在晃動；在無人機(jī)飛行過程中，螺旋槳在不停轉(zhuǎn)動；火箭在升空時(shí)，還有燃料在不停向下噴出……此時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生得出難以描述的原因在于：我們不清楚所要研究的問題是什么，所以只能煩瑣地面面俱到。進(jìn)而認(rèn)識到：如果明確了問題，就可以抓住主要因素，將描述大大簡化。學(xué)生體會到了簡化的必要性，引入“質(zhì)點(diǎn)”理想化模型就水到渠成。接著，教師明確定義并強(qiáng)調(diào)建模的過程：“在某些情況下，為了凸顯主要因素來簡化問題，可以忽略物體的形狀和大小，將其簡化成一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)，這樣就能將描述物體的復(fù)雜運(yùn)動簡化成為描述質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。根據(jù)問題的要求和特征，抓主要因素，舍次要因素，得到一種理想化模型，這是一種常用的科學(xué)研究方法?！苯又處熥寣W(xué)生應(yīng)用質(zhì)點(diǎn)模型再次討論分析上述問題，幫助學(xué)生將理想化模型內(nèi)化為處理問題的手段。而在之后學(xué)到其他理想化模型的時(shí)候，學(xué)生可以類比“質(zhì)點(diǎn)”理想化模型的建立過程來學(xué)習(xí)。

二、習(xí)題訓(xùn)練時(shí)，要強(qiáng)調(diào)對真實(shí)情境中非理想問題的模型建構(gòu)

學(xué)生在面對生活中真實(shí)、復(fù)雜的問題情境時(shí)，難以在短時(shí)間內(nèi)提取主要因素，也就不知道如何建立以及建立怎樣的物理模型來解決問題。這主要還是因?yàn)樵谌粘５膶W(xué)習(xí)中，遇到的很多問題都是理想物理問題，抽象成物理模型這一步已經(jīng)被完成了。解決原始物理問題或者非理想物理問題，需要在真實(shí)情境中恰當(dāng)選取研究對象，建立合適的物理模型，將原始的、非理想化的物理問題轉(zhuǎn)化為抽象的、理想化的物理問題，再運(yùn)用物理規(guī)律以及數(shù)學(xué)方法等來解決。因此，原始物理問題的解決可以全方面地鍛煉學(xué)生的模型建構(gòu)能力，教師可以精心挑選或設(shè)計(jì)一些原始物理問題，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)化地進(jìn)行物理模型的建構(gòu)。

生活中很多學(xué)生認(rèn)為的常識都與力學(xué)知識有關(guān)，如：滾動搬運(yùn)桶裝水要比滑動搬運(yùn)更省力，利用滑輪、推車等工具搬運(yùn)物體要比直接搬運(yùn)更為快速簡便……這些常見的現(xiàn)象背后就包含著很多力學(xué)知識，類似的原始物理問題或真實(shí)情境物理問題可以幫助學(xué)生系統(tǒng)化地經(jīng)歷模型建構(gòu)過程，突破抽象思維和分析綜合的難點(diǎn)。

以一個(gè)簡單的真實(shí)情境問題為例：

一名學(xué)生在一個(gè)斜靠在墻角的梯子上向上爬，邊爬邊擔(dān)心梯子會滑動起來。他感覺爬得越高，梯子下端就越容易滑動。那么，究竟他所處的位置高還是低，下端更容易滑動呢？

首先，要抓住這個(gè)問題中最關(guān)鍵的主干知識。很明顯，這里涉及的是一個(gè)力學(xué)平衡問題。接著，就要嘗試建構(gòu)出一個(gè)簡單的物理模型。先將該情境中的最基本元素抽象出來，作圖表示研究對象，方便后續(xù)分析。初步考慮，這里涉及的基本元素是學(xué)生、梯子、地面、墻壁，作出圖1。

接下來，逐步充實(shí)、豐滿這個(gè)物理模型?？梢詫⒇Q直墻面視為光滑面，將梯子視為一個(gè)沒有質(zhì)量的輕桿，將研究對象取為學(xué)生和梯子這個(gè)整體，先簡單考慮學(xué)生是緩慢登梯的，整個(gè)系統(tǒng)沒有加速度。該系統(tǒng)受到重力、地面向上的支持力、地面向右的靜摩擦力、墻壁水平向左的彈力這四個(gè)力的作用，因?yàn)橄到y(tǒng)沒有加速度，故整體受力平衡。設(shè)這四力共點(diǎn)于系統(tǒng)重心（即學(xué)生重心）O，當(dāng)學(xué)生慢慢向上爬梯子時(shí)，隨著學(xué)生重心O向上、向右移動，地面對系統(tǒng)的合力與水平面的夾角變小。做受力分析（如圖2所示）可知，若系統(tǒng)仍要保持平衡，則梯子與地面之間所需要的靜摩擦力變大，故學(xué)生越往上爬，系統(tǒng)越容易滑動。實(shí)際上，如果將地面視為光滑面（墻面不光滑），亦可得到同樣的結(jié)論。

教師可以順勢引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探索：該生位于梯子最高點(diǎn)時(shí)是梯子最易滑動的狀態(tài)，那么在同樣的位置，梯子與水平地面的夾角是如何影響滑動的？

教師引導(dǎo)學(xué)生分析討論在建構(gòu)上述物理模型時(shí)，抓住了哪些主要因素、次要因素，還可以對模型進(jìn)行怎樣的充實(shí)與探索。學(xué)生可能會總結(jié)得到cot θ=μ。這是理想模型下的結(jié)論。而實(shí)際情況是，梯子是有質(zhì)量的，人在登梯的過程中很難做到每時(shí)每刻都平衡，人的登梯姿勢也會影響重心的位置；另外，梯子除了與水平地面有摩擦，與豎直墻面也有摩擦……在初步研究時(shí)，為了使問題理想化、簡單化，我們忽略了一些相對次要的因素，合理建構(gòu)了問題研究的物理模型，我們還可以在不斷深入思考的過程中，拓展這個(gè)物理模型。這不僅可以驗(yàn)證所建構(gòu)物理模型的科學(xué)性，還可以一步步去優(yōu)化、修正模型，讓其鮮活起來。

學(xué)生在解決諸如此類的真實(shí)情境問題時(shí)，不斷地經(jīng)歷建模的動態(tài)生成過程，扎扎實(shí)實(shí)地構(gòu)建起了模型建構(gòu)所需要的系統(tǒng)知識。

教無定法，貴在得法。模型建構(gòu)涉及的方法非常多樣，在利用模型建構(gòu)解決問題時(shí)沒有一個(gè)定式思路。而在日常教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生不斷地探索、有效地利用每一種方法，在總結(jié)中不斷積累，一定可以潛移默化地起到積極的影響，讓學(xué)生不僅面對問題時(shí)能有模型建構(gòu)的意識，而且能在系統(tǒng)化地科學(xué)思考后靈活建構(gòu)模型解決問題。