摘 要：在高中物理教學(xué)中，建構(gòu)物理模型是解決物理問題的重要科學(xué)思維方式。這一過程包括創(chuàng)造與生活緊密相關(guān)的真實情境、將生活情境轉(zhuǎn)化為物理情境、物理模型的建構(gòu)以及模型的應(yīng)用。通過實施這些策略，教師不僅能有效地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，同時也能顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；模型建構(gòu)；情境

1 科學(xué)思維與模型建構(gòu)的內(nèi)涵

1.1 科學(xué)思維的內(nèi)涵

科學(xué)思維是一種獨特的思考方式，指運用科學(xué)方法來細致觀察自然現(xiàn)象，通過嚴謹實驗、深入推理和準確判斷等方法來揭示事物的本質(zhì)和規(guī)律。在這個過程中，科學(xué)家進行科學(xué)研究的基本方法包括觀察、實驗、歸納、演繹、類比、假設(shè)、驗證等環(huán)節(jié)。在物理學(xué)科核心素養(yǎng)中，科學(xué)思維是一種獨特且重要的認識方式，它從物理學(xué)的專業(yè)視角出發(fā)，對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及事物間的相互關(guān)系進行深入的認識和理解。這個過程是通過分析綜合、推理論證等方法，基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，也是科學(xué)領(lǐng)域中具體運用這些方法的體現(xiàn)。此外，科學(xué)思維強調(diào)在事實證據(jù)的基礎(chǔ)上，通過科學(xué)推理對各種觀點和結(jié)論進行嚴格的質(zhì)疑和批判，并進行檢驗和修正。這種思維方式能夠激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性的見解，進一步提升學(xué)生的認知能力。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當積極引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)的視角觀察問題，按照科學(xué)的邏輯思考問題，并采取具體且有效的方法來解決問題。

1.2 模型建構(gòu)的內(nèi)涵

模型建構(gòu)是指基于經(jīng)驗事實通過抽象、概括和簡化，將現(xiàn)實生活中的復(fù)雜現(xiàn)象和問題轉(zhuǎn)化為易于理解的模型，以便進行深入研究和探討。建構(gòu)物理模型是解決物理問題的一種科學(xué)思維方式，它有助于深入揭示事物的本質(zhì)規(guī)律。在建構(gòu)物理模型的過程中，我們需要將外部條件中可能對研究對象產(chǎn)生干擾的次要因素排除在外，以突出其本質(zhì)特征或最主要方面。此外，我們還可以通過將物理過程純粹化、理想化來建構(gòu)物理模型?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中對模型建構(gòu)水平劃分了五個等級

（見圖1）^［1］，這為教師評估學(xué)生在模型建構(gòu)方面的能力和水平提供了依據(jù)。

2 高中物理教學(xué)中模型建構(gòu)的必要性

2.1 《中國高考評價體系說明》和《課程標準》的要求

《中國高考評價體系說明》要求高考要圍繞學(xué)科主干內(nèi)容，加強對基本概念、基本思想方法的考查。通過設(shè)置真實的問題情境，考查學(xué)生靈活運用所學(xué)知識分析解決問題的能力，使學(xué)生擺脫“死記硬背”“機械刷題”“題海戰(zhàn)術(shù)”，引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變。^［2］《課程標準》在教學(xué)建議中指出，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力是重要的教學(xué)目標之一，建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方法。^［3］隨著學(xué)生思維的發(fā)展，他們自然會從“題海戰(zhàn)術(shù)”的“解題”過程中走出來，能夠運用所學(xué)知識解決實際問題。

2.2 高中物理教學(xué)的迫切需要

高中物理涉及力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等多個領(lǐng)域，知識體系龐大復(fù)雜，需要學(xué)生具備較強的綜合分析能力。而將理論知識應(yīng)用于實際問題的解決，還需要學(xué)生具備較強的實踐能力和應(yīng)用能力。由于高三教學(xué)基本都是復(fù)習(xí)課的形式，教學(xué)內(nèi)容屬于舊知識，很多復(fù)習(xí)課成了知識點羅列式的簡單重復(fù)；學(xué)生對于所學(xué)知識的遷移能力不夠高，面對試題中復(fù)雜的情境往往感到困惑，無法準確識別熟悉的知識點，也就是說，他們未能將實際情境與物理知識進行有效的關(guān)聯(lián)。為了培養(yǎng)學(xué)生的物理分析能力，教師需要引導(dǎo)他們參與物理模型的建構(gòu)過程，并幫助他們掌握模型建構(gòu)的思維方法。這樣才能幫助學(xué)生更好地運用物理知識解決問題。

3 發(fā)展科學(xué)思維的高中物理模型建構(gòu)教學(xué)路徑

科學(xué)思維不像物理知識那樣可以直接讀取獲得，科學(xué)思維的培養(yǎng)需要大腦按照一定的方法對知識進行加工。模型建構(gòu)是非常重要的方法，包含分析、抽象、概括、推理以及論證等思維方法。在高中物理教學(xué)中，如何利用模型建構(gòu)來提高學(xué)生的科學(xué)思維能力是一個重要的問題。筆者在教學(xué)實踐中，摸索出以下教學(xué)策略，其實施流程如圖2所示。該教學(xué)策略旨在發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維以提高學(xué)習(xí)效率。

3.1 創(chuàng)設(shè)貼近生活的真實情境

教師在設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時，應(yīng)努力創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實生活緊密相關(guān)的真實情境，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在復(fù)習(xí)動量守恒定律及其應(yīng)用時，碰撞模型是常被探討的一個重點。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師可以巧妙地建構(gòu)一個生動的真實情境：首先，演示一小彈性球自由下落并與地面碰撞后反彈的過程；隨后，將小彈性球疊放在較大的彈性球上，從相同高度一同釋放，觀察兩者的碰撞及反彈情況。

演示結(jié)束后，教師可適時拋出引人深思的問題：“為什么當小球疊放在大球上，兩者一同撞擊地面后，小球的反彈高度會比單獨下落時更高呢？”此問題旨在激發(fā)學(xué)生的好奇心，點燃他們探索物理奧秘的熱情。

3.2 生活情境轉(zhuǎn)化為物理情境

在建構(gòu)物理模型的過程中，我們需要將真實的生活情境轉(zhuǎn)化為解決物理問題的具體情境。教師可以播放提前錄好的慢鏡頭下兩個疊放球下落的視頻，幫助學(xué)生形成直觀的視覺印象。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生畫出兩球下落過程的示意圖（見圖3）。通過這個過程，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)大球與地面碰撞反彈后，兩球也發(fā)生了碰撞。這使他們能夠聯(lián)想高中物理中的碰撞問題，從而順利地將問題中的實際情境轉(zhuǎn)化為兩球碰撞的情境。

3.3 物理模型建構(gòu)

在物理學(xué)習(xí)中，模型建構(gòu)是一種重要的方法，學(xué)生可以通過觀察和分析問題情境，運用所學(xué)的知識來建構(gòu)物理模型。建構(gòu)物理模型的步驟通常包括三個階段：一是科學(xué)抽象階段，將問題簡化為基本的物理要素；二是模型形成階段，根據(jù)物理規(guī)律和理論建構(gòu)物理模型；三是模型確認階段，通過實驗驗證和理論分析，確保模型的準確性和可靠性。

在科學(xué)抽象階段，學(xué)生需要運用思維對物理情境進行深度加工，準確提煉出研究對象的本質(zhì)特征。他們需要敏銳地識別出情境中的關(guān)鍵要素以及這些要素之間的相互關(guān)系，同時忽略次要因素，從而將注意力集中于核心問題上。

在模型形成階段，學(xué)生需要將頭腦中已有的相關(guān)物理模型與物理對象的本質(zhì)特征進行比對，從而建構(gòu)出合適的模型。這個過程需要學(xué)生對所學(xué)知識進行整合和應(yīng)用，以便將問題與已知的物理模型相匹配。

在模型確認階段，學(xué)生需要依據(jù)所建構(gòu)的物理模型，尋找解決問題的相關(guān)物理規(guī)律和路徑，并嘗試運用這些規(guī)律和路徑解決問題。他們需要驗證模型的準確性，并確定它是否能夠有效地解釋和預(yù)測現(xiàn)象。如果問題得以順利解決，那么意味著物理模型的建構(gòu)是成功的；如果問題無法得到解決，學(xué)生則需要重新建構(gòu)物理模型。

在進行情境轉(zhuǎn)化后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考兩球的碰撞是否滿足高中物理“碰撞”的本質(zhì)特征這一問題。在水平面上，兩球互相碰撞會有三種情況，一是質(zhì)量相等的兩球碰撞，二是質(zhì)量小的球碰撞質(zhì)量大的球，三是質(zhì)量大的球碰撞質(zhì)量小的球，這里屬于第二種情況。學(xué)生對這個碰撞模型已經(jīng)非常熟悉，因此可以在此基礎(chǔ)上進一步確認。由于兩球都是彈性球，我們可以認為兩球發(fā)生的是彈性碰撞，即碰撞過程沒有能量損失，碰撞過程內(nèi)力遠大于球的重力。在嘗試解決問題的過程中，我們需要運用這兩個規(guī)律，并驗證模型的準確性。

假設(shè)兩球的質(zhì)量分別為m₁、m₂，且m1＜m₂，忽略兩球直徑的影響。在大球落地瞬間，兩球速度大小都為v，大球與地面碰撞后原速率反彈，小球速度大小仍然為v，兩球碰撞后小球與大球的速度大小分別為v1和v2，如圖4所示。

【分析模型】

取向上為正方向，根據(jù)動量守恒定律列方程得

m2v－m1v＝m2v2＋m1v1。

根據(jù)機械能守恒定律列方程得

12m2v2＋12m1v2＝12m₂v2₂＋12m1v2₁。

聯(lián)立以上兩式，解得

v1＝3m2－m1m₁＋m2v。

情況一：若m₂＝m₁，則v₁＝v；

情況二：若m2＝2m₁，則v₁＝53v；

情況三：若m₂＝3m₁，則v₁＝2v；

情況四：若m2＝4m1，則v₁＝115v；

情況五：若m2m1，則v1≈3v。

由以上分析可知，大球與小球的質(zhì)量相差越大，小球反彈后的速度就越大。小球碰撞后可達到的最大速率是碰撞前速率的3倍，這樣就可以解釋為什么小球疊放在大球上反彈的高度會更高了。

3.4 模型應(yīng)用

學(xué)生利用所建構(gòu)的物理模型，解決實際問題，提高解決問題的能力。

例題 某興趣小組同學(xué)利用一組大小、質(zhì)量各不相同的硬質(zhì)彈性小球進行了若干次碰撞實驗。所有碰撞都可認為是彈性碰撞，重力加速度大小為g，忽略空氣阻力影響，小球均可視為質(zhì)點。試討論以下問題：

（1）第一次實驗他們將一個質(zhì)量為m₁的球1從距離地面高h處由靜止釋放，如圖5甲所示。通過查閱資料他們估計出了球與地面的作用時間Δt。求球1與地面碰撞過程中地面對小球的平均作用力F的大小。

（2）第二次實驗在球1頂上放一質(zhì)量為m2的球2，m₁＞m₂，讓這兩個球一起從距離地面高h處自由下落并撞擊地面，如圖5乙所示，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)球2反彈的高度超過了釋放時的高度。他們猜想若球2質(zhì)量越小，則被反彈的高度越高。試從理論角度分析他們的猜想是否正確，并求球2能達到的最大高度。

（3）受第（2）問的啟示，他們設(shè)想了一個超球?qū)嶒灒簩⑷齻€球緊貼從距離地面高h處由靜止釋放，由下至上三球的質(zhì)量分別為m₁、m₂和m₃，且滿足m₁m₂m₃，如圖5丙所示。他們設(shè)想球3可以被反彈到很高的高度，請你幫他們試估算此高度。

【第（1）問的解析】

球1做自由落體運動，根據(jù)

v2＝2gh，

可得落地瞬間速度大小為

v＝2gh。

由于是彈性碰撞，所以反彈速度大小為

v＝2gh。

設(shè)向下為正方向，從落地到反彈，根據(jù)動量定理可得

（mg－F）Δt＝－mv－mv，

解得

F＝mg＋2mvΔt＝mg＋2m2ghΔt。

【第（2）問的解析】

球1以碰前剛剛著地的速率反彈并與球2碰撞，設(shè)向上為正方向，設(shè)碰后小球1速度為v₁，球2碰后速度為v₂，根據(jù)動量守恒定律可得

m1v－m2v＝m2v2＋m1v1，

根據(jù)機械能守恒定律可得

12m2v2＋12m1v2＝12m2v²₂＋12m1v2₁，

聯(lián)立解得

v1＝m₁－3m₂m₁＋m₂2gh；

v2＝3m1－m₂m₁＋m₂2gh。

對于球2碰后根據(jù)動能定理可得

－m₂gh₁＝0－12m₂v²₂，

解得

h1＝3m1－m₂m₁＋m₂²h＝3－m₂m₁1＋m₂m₁²h。

又因為m₁＞m₂，所以m₂m₁ ＜1 ，則h₁＞h。當m₁m₂時，h₁的值最大，最大值為9h，即球2反彈以后能上升的最大高度是開始下落高度的9倍。

【第（3）問的解析】

在第（2）問的基礎(chǔ)上，球2接著與球3碰撞，因為m₁m₂，

所以v₂＝32gh。

同理根據(jù)動量守恒定律以及機械能守恒定律得出球3可以被反彈的高度的表達式

h₂＝

7m₂－m₃m₂＋m₃²h＝

7－m₃

m₂

1＋m₃m₂²h。

又因為m₂m₃，所以h₂的最大值為49h，即球3被反彈的最大高度為49h。

【點評】

學(xué)生需要為了回答第（1）問而建構(gòu)自由落體運動模型和碰撞模型，并熟練運用自由落體運動的規(guī)律和動量定理來分析和解決這一問題。第（2）問則要求學(xué)生在已經(jīng)成功建構(gòu)的這些物理模型基礎(chǔ)上，進行更為深入的分析和探討。在解決第（3）問時，學(xué)生應(yīng)基于第（2）問的深入分析結(jié)果，進一步進行推理分析，以期得出最終的答案。

4 結(jié)語

教師在教學(xué)實踐中要有意識地引導(dǎo)學(xué)生參與物理模型的建構(gòu)過程，從而培養(yǎng)他們掌握模型建構(gòu)的思維方法。這不僅能提高學(xué)生應(yīng)用物理知識分析解決問題的能力，還有助于他們更好地理解和應(yīng)對復(fù)雜的真實情境。在模型建構(gòu)的過程中，學(xué)生可以更加深入地理解物理概念和規(guī)律，并將其應(yīng)用于解決實際問題，進一步發(fā)展科學(xué)思維。

參考文獻

［1］［3］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，2020：46-48，51.

［2］教育部考試中心.中國高考評價體系說明［M］. 北京：人民教育出版社，2019：18.