蔡金龍

【摘要】本文深入探討構(gòu)建高中物理模型的思維過程及相關(guān)教學策略，包括激發(fā)興趣、建立問題情境、啟發(fā)性提問、合作學習等.通過激發(fā)學生對物理學習的興趣，將物理概念嵌入實際問題情境中，啟發(fā)性提問的方式引導(dǎo)學生思考問題的本質(zhì)，以及通過小組合作學習促進思維碰撞和分享，旨在促進學生深入理解物理概念，培養(yǎng)科學思維、應(yīng)用數(shù)學工具以及實踐科學方法的能力.

【關(guān)鍵詞】高中物理；模型思想；教學實踐

在高中物理教育中，培養(yǎng)學生綜合運用物理概念解決實際問題的能力至關(guān)重要.構(gòu)建物理模型是一種理想的學習方法，不僅能夠深入理解抽象的物理概念，還能培養(yǎng)科學思維和解決問題的能力.本文將從激發(fā)興趣、建立問題情境、啟發(fā)性提問、合作學習等方面，探討如何引導(dǎo)學生在模型構(gòu)建的過程中融會貫通，全面提升他們的學科核心素養(yǎng).

1 構(gòu)建高中物理模型的思維過程的概述

構(gòu)建高中物理模型的思維過程可以分為幾個關(guān)鍵步驟.在這個過程中，可以利用已有的知識和理論，通過邏輯推理和實驗設(shè)計來建立一個能夠解釋觀察到的現(xiàn)象或問題的模型.確定研究的具體問題或現(xiàn)象.這可能是一個已知的問題，也可能是一個學生想要深入了解的現(xiàn)象.回顧和鞏固與問題相關(guān)的基礎(chǔ)物理知識.了解已有的理論和模型，以及它們在類似情境中的應(yīng)用.確定構(gòu)建模型的主要目標和預(yù)期結(jié)果，這可以幫助更明確地定義模型的特定方面.列舉將在模型中采用的基本假設(shè).這些假設(shè)應(yīng)該是合理的，并在后續(xù)的實驗和觀察中進行驗證.確定與問題相關(guān)的所有變量和參數(shù)，并定義它們的符號、單位和測量方法.這將有助于建立模型的數(shù)學表達式.

利用物理規(guī)律和數(shù)學工具，建立描述系統(tǒng)行為的數(shù)學模型.這可能涉及編寫方程、制定規(guī)則或建立模擬.設(shè)計實驗來驗證或證偽你的模型.合理的實驗可以提供實際數(shù)據(jù)，用于與模型的預(yù)測進行比較.分析實驗數(shù)據(jù)，與模型的預(yù)測進行比較.這可能涉及擬合曲線、計算誤差或進行統(tǒng)計分析.根據(jù)實驗結(jié)果，修正和改進模型.這可能包括調(diào)整參數(shù)、修改假設(shè)或重新設(shè)計實驗.驗證修正后的模型是否能夠準確地解釋現(xiàn)象，并考慮將模型應(yīng)用到其他相關(guān)問題中.將你的模型和研究結(jié)果以清晰、可理解的方式展示給他人.這可以通過撰寫報告、制作演示文稿或進行口頭展示來實現(xiàn).通過這個過程，能夠逐步建立一個符合實際情況的高中物理模型，從而更好地理解和解釋各種物理現(xiàn)象.這個過程也體現(xiàn)了科學探究的方法和邏輯思維.

2 構(gòu)建高中物理模型的思維過程的意義

2.1 理解物理概念

通過構(gòu)建物理模型，學生不再僅僅停留在書本知識的表面，而是將抽象的物理概念與實際情境相結(jié)合，使得這些概念在學生心中變得具體而有深度.舉例而言，考慮一個簡單的物理模型，如一個小車在斜坡上滑動.學生需要理解重力、彈力、摩擦力等多個物理概念，以及牛頓的運動定律、動能定理或能量守恒定律，并將它們整合到一個模型中.這樣的學習過程促使學生思考這些概念之間的相互關(guān)系，強化了他們對基礎(chǔ)物理原理的理解.此外，構(gòu)建物理模型也能夠使學生更好地理解物理學的實驗基礎(chǔ).實踐中遇到的問題和挑戰(zhàn)迫使學生深入思考，在解決實際問題的過程中加深對物理概念的理解.這樣的深入理解不僅僅停留在知識的表面，還延伸到知識的實際應(yīng)用和物理學的更深層次.

2.2 培養(yǎng)科學思維

模型構(gòu)建過程是一個充滿挑戰(zhàn)性的科學思維鍛煉過程.邏輯推理、實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析都需要學生發(fā)揮出色的科學思維能力.在構(gòu)建物理模型時，學生需要提出問題并形成假設(shè)，然后通過實驗驗證或推導(dǎo)來證實或否定這些假設(shè).這培養(yǎng)了學生對科學方法的理解和應(yīng)用能力.科學思維也包括對問題的分析和解決能力.在模型構(gòu)建過程中，學生可能會遇到困難和挑戰(zhàn)，需要動態(tài)調(diào)整他們的思路.這種靈活性和創(chuàng)造性的思維是科學家在解決實際問題時所需的，也是構(gòu)建模型過程中培養(yǎng)的關(guān)鍵能力.

2.3 應(yīng)用數(shù)學工具

物理模型的構(gòu)建常常依賴于數(shù)學工具，這種融合為學生提供了一個跨學科的學習機會，將數(shù)學的抽象性與物理現(xiàn)象的實際性相結(jié)合.通過使用代數(shù)方程、幾何圖形或三角函數(shù)等數(shù)學工具，學生得以更深刻地理解數(shù)學在解決實際問題中的重要性.舉例而言，考慮建立一個簡單的彈簧振子簡諧運動模型. 彈簧振子簡諧運動可以通過振動方程進行描述.學生在這一過程中學會將物理學的概念與數(shù)學工具相結(jié)合，通過振動方程清晰地呈現(xiàn)振動的規(guī)律.這不僅使學生了解振動的物理本質(zhì)，還培養(yǎng)了他們在運用數(shù)學語言中的能力.

通過數(shù)學的運用，學生能夠更系統(tǒng)地分析物理現(xiàn)象，并將其轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)學表達式.這種整合不僅拓展了學生的思維邊界，而且提高了他們在解決實際問題時的綜合能力.在構(gòu)建物理模型的過程中，學生逐漸理解到數(shù)學不僅僅是一種抽象的工具，更是解密自然規(guī)律的關(guān)鍵.此外，將數(shù)學工具與物理學知識結(jié)合還有助于學生形成更為完整的科學觀念.他們能夠看到數(shù)學在解釋自然現(xiàn)象中的強大作用，也能夠更全面地理解物理學理論的實際應(yīng)用.這樣的學習經(jīng)驗使得學生不再把數(shù)學和物理學看作是孤立的學科，而是一對相輔相成的工具，可以共同用于理解和解決實際問題.

2.4 實踐科學方法

學習構(gòu)建物理模型是實踐科學方法的一個絕佳途徑.從問題提出到制定假設(shè)，再到實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)收集，再到推理和模型修正，這一過程貼近科學家真實的研究方式.學生通過參與這個過程，不僅理論水平得到提升，同時也培養(yǎng)了實踐科學方法的技能.這種實踐性的學習能夠使學生更好地理解科學研究的本質(zhì).他們學會觀察、實驗、分析數(shù)據(jù)，以及不斷修正模型以適應(yīng)新的證據(jù).這樣的學習經(jīng)驗有助于將科學方法內(nèi)化為一種思考和解決問題的常規(guī)方式.在這個過程中，學生還會體驗到科學研究中的不確定性和調(diào)整.這培養(yǎng)了學生在面對未知情境時的適應(yīng)能力和堅韌性，這些品質(zhì)在未來的學術(shù)研究和職業(yè)生涯中都尤為重要.

3 構(gòu)建高中物理模型的思維過程的教學策略

3.1 激發(fā)興趣

在介紹物理模型構(gòu)建之前，通過生動有趣的例子或?qū)嶒灱ぐl(fā)學生對物理學的興趣.展示物理現(xiàn)象的奇妙之處，讓學生看到構(gòu)建模型的挑戰(zhàn)和樂趣.

例如 ?在介紹物理模型構(gòu)建之前，可以通過生動有趣的例子或?qū)嶒灱ぐl(fā)學生對物理學的興趣.考慮高中物理課本中有關(guān)“位置變化快慢的描述——速度”的內(nèi)容，以下是一個引人入勝的例子：“滑稽的速度競賽”.設(shè)想一個滑稽而有趣的情景，讓學生在思考速度的概念時能夠享受其中.情境設(shè)定：在一個微小的玩具城市里，有兩位小玩具人物，分別是“快速小車”和“悠閑小步行者”.這兩位小玩具人物將參加一場奇特的速度競賽.學生的任務(wù)是觀察這兩位小玩具人物的運動，通過觀察和測量，回答以下問題：“快速小車”和“悠閑小步行者”誰更快？他們的速度有多快，我們?nèi)绾蚊枋鏊麄兊倪\動速度？為了回答這些問題，學生可以設(shè)計一些簡單的實驗，比如用尺子測量小車和步行者在規(guī)定時間內(nèi)移動的距離，然后計算他們的平均速度.引導(dǎo)提問：為什么我們需要知道他們的速度？這個實驗的結(jié)果與我們?nèi)粘Ｉ钪杏^察到的速度有何關(guān)聯(lián)？在不同的場景下，我們會如何描述物體的速度？通過這個生動有趣的例子，學生既能理解速度的概念，又能體會到在解決實際問題時，測量和描述速度的重要性.這樣的激發(fā)興趣方式使學生在學習物理學的同時享受到挑戰(zhàn)和樂趣，為后續(xù)介紹物理模型構(gòu)建打下基礎(chǔ).

3.2 建立問題情境

將物理概念嵌入到實際問題情境中.通過提出引人入勝的問題，激發(fā)學生對問題解決的欲望，并將他們引導(dǎo)到物理模型的構(gòu)建中.

例如 在物理學的學習中，通過將物理概念嵌入實際問題情境中，可以激發(fā)學生對問題解決的興趣.在學習高中物理中“牛頓第二定律”的內(nèi)容，以下是一個引人入勝的問題情境：在一個富有挑戰(zhàn)性的小車比賽中，學生們被要求設(shè)計一輛小車，使其能夠在一段平直的賽道上以最短的時間內(nèi)達到最遠的距離.小車將面臨不同的表面摩擦力和坡度，而學生的任務(wù)是找到一種最佳設(shè)計，以最大化小車在各種條件下的運動性能.學生需要確定小車的最佳質(zhì)量，以確保在施加相同力的情況下獲得最佳加速度.如何選擇最適合小車的輪胎材料，以減小與地面的摩擦力，提高行駛效率？如果賽道有一段上坡路段，學生應(yīng)該如何調(diào)整小車的設(shè)計，以克服重力對其運動的影響？引導(dǎo)提問：牛頓第二定律告訴我們什么？在這個小車比賽中，如何使用這個定律來解決問題？小車的質(zhì)量如何影響它的運動？如果我們想讓小車加速得更快，應(yīng)該怎么調(diào)整質(zhì)量？輪胎材料的選擇如何影響小車在不同表面上的運動？如何最大程度地減小摩擦力？通過這個問題情境，學生將被引導(dǎo)思考如何運用“牛頓第二定律”的物理概念來解決實際問題，從而深入理解概念的應(yīng)用和實際情境中的挑戰(zhàn).這樣的問題情境能夠激發(fā)學生對物理學習的主動性和求知欲望.

3.3 啟發(fā)性提問

使用啟發(fā)性的提問方法，引導(dǎo)學生思考問題的本質(zhì)、可能的解決方案以及相關(guān)的物理原理.這有助于培養(yǎng)學生的批判性思維和問題解決能力.

例如 在學習高中物理中的“圓周運動”時，通過啟發(fā)性提問，可以引導(dǎo)學生思考問題的本質(zhì)、可能的解決方案以及相關(guān)的物理原理.啟發(fā)性提問：如果你正在體驗一個令人興奮的旋轉(zhuǎn)游樂設(shè)施，感覺到一種向外推力的力量，你認為這個力量是如何產(chǎn)生的？它與圓周運動中的哪些物理原理相關(guān)？假設(shè)你坐在旋轉(zhuǎn)木馬上，靠近中心旋轉(zhuǎn).你和坐在較遠處的同學相比，感受到的離心力是否相同？為什么？在設(shè)計一個圓周運動的娛樂設(shè)施時，為了確保乘客的安全和舒適，有哪些物理原理需要考慮？你會如何優(yōu)化設(shè)計？教學示例：想象你正在設(shè)計一個新型的旋轉(zhuǎn)游樂設(shè)施，名為“星際漩渦”，它能夠提供極致的旋轉(zhuǎn)體驗.你需要考慮乘客體驗的舒適度和安全性.啟發(fā)性引導(dǎo)：這個向外推力實際上是離心力，它與圓周運動的離心力有關(guān).當物體沿著圓周運動時，離心力會讓它遠離旋轉(zhuǎn)中心.靠近中心旋轉(zhuǎn)的乘客感受到的離心力較小，而較遠處的乘客感受到的離心力較大.這是因為離心力與距離旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比.在設(shè)計中，需要考慮離心力對乘客的影響，以及如何通過合適的坐姿和安全裝置來減輕離心力帶來的不適.此外，還需要考慮材料強度、旋轉(zhuǎn)速度等因素，以確保設(shè)施的安全性和可持續(xù)性.通過這個啟發(fā)性提問的例子，學生不僅能夠理解圓周運動的相關(guān)物理原理，還能將這些概念應(yīng)用到實際的問題設(shè)計中，培養(yǎng)批判性思維和問題解決的能力.

3.4 合作學習

鼓勵學生進行小組合作學習，讓他們共同參與模型的構(gòu)建過程.合作學習可以促進思想的碰撞和分享，提高團隊合作和溝通的能力.

例如 在學習高中物理課本中的“機械能守恒定律”時，通過小組合作學習，可以促進學生思維的碰撞和分享，提高團隊合作和溝通的能力.以下是一個合作學習的例子，結(jié)合“機械能守恒定律”的內(nèi)容“設(shè)計摩天輪”.情境設(shè)定：學生被分成小組，每個小組的任務(wù)是設(shè)計一座摩天輪，使得摩天輪的能量在運動中能夠遵循機械能守恒定律.他們需要考慮摩天輪的高度、速度、乘客質(zhì)量等因素，以在摩天輪運動中實現(xiàn)機械能守恒.小組成員討論《機械能守恒定律》的基本原理，明確在摩天輪設(shè)計中需要考慮的關(guān)鍵因素.小組共同設(shè)計摩天輪的結(jié)構(gòu)，確定摩天輪的半徑、高度、乘客的位置等參數(shù).他們需要確保在摩天輪運動中機械能守恒.利用數(shù)學工具，小組成員建立一個數(shù)學模型，描述摩天輪上乘客的機械能變化.這可能涉及勢能、動能等方面的計算.小組成員可以通過實驗驗證他們設(shè)計的摩天輪是否符合機械能守恒定律.他們可以使用簡單的工具和測量設(shè)備來收集數(shù)據(jù)，進行模型的實際測試.小組成員共同分析實驗結(jié)果，討論是否達到了機械能守恒.如果有偏差，他們需要共同思考可能的原因，并對設(shè)計進行調(diào)整.在整個過程中，小組成員需要充分溝通、分享思路和觀點，確保每個人都能理解并參與到摩天輪的設(shè)計和實驗中.團隊中的每個人負責不同的方面，共同協(xié)作完成任務(wù).通過這個合作學習的例子，學生不僅能夠理解機械能守恒定律的理論概念，還能將這些概念應(yīng)用到實際問題中，培養(yǎng)團隊合作和問題解決的綜合能力.

4 結(jié)語

通過構(gòu)建高中物理模型，學生不僅能夠深入理解物理概念，還能培養(yǎng)科學思維、應(yīng)用數(shù)學工具以及實踐科學方法的能力.激發(fā)興趣、建立問題情境、啟發(fā)性提問、合作學習等教學策略相互交織，為學生提供了更全面、生動、實踐性的學習體驗.這樣的教學方法有助于提升學生的學科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學生跨學科的綜合能力，為他們未來的學術(shù)和職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ).

參考文獻：

[1]朱義基.高中物理模型教學與思維能力培養(yǎng)[J].文理導(dǎo)航（中旬），2022（07）：94-96.

[2]張定而.基于培養(yǎng)科學思維素養(yǎng)的初中物理模型建構(gòu)策略[J].數(shù)理化解題研究，2023（14）：80-82.

[3]陸軍.注重學習過程 聚焦科學思維——高中物理教學中發(fā)展科學思維的實踐探索[J].物理教學，2021，43（08）：16-19.

[4]胡超越.基于學科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中物理教學策略研究——以模型建構(gòu)能力為例[D].南昌：江西師范大學，2021.

[5]汪明.指向高階思維的物理課堂深度學習模型[J].物理教學，2021，43（01）：20-25.