學習進階下的物理課堂建模能力培養(yǎng)實踐
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［摘要］建模能力教學要求發(fā)展學生建模能力，引導他們對知識進行解釋、驗證，創(chuàng)建模型來展開科學實踐活動。物理模型方法是物理學中最常見的科研方法，建立模型能力是高中生必備的一項能力。作為一名高中物理教師，在日常教學中要注重課堂教學，有意識地培養(yǎng)學生的建模能力，使他們能夠適應當前的物理學習，把所學知識應用于日常生活之中，服務于生活。
物理建模能力是對運用物理知識解決問題的認識，也是解決物理問題的策略。實際上，科學的基本活動就是探索和制定模型，建模對物理的發(fā)展起到了推動作用，因此，建模能力是高中生物理能力的一項核心能力。鑒于此，本文探討了基于學習進階的高中物理課堂建模能力培養(yǎng)實踐，希望對大家有所幫助。
一、建模能力的內(nèi)涵
在20世紀八十年代，美國學者提出科學建模理論，受到人們的廣泛關(guān)注。建模能力是指針對某個自然現(xiàn)象抽象得到主要特征，根據(jù)科學來構(gòu)建概念模型，用科學語言來進行表征。物理建模能力是學生要具備的一項重要能力，但當前高中生卻普遍存在著建模能力較弱的問題，有的人甚至覺得物理題拆開每一句話都知道是什么意思，但是合起來就很難懂，這其實體現(xiàn)出建模能力的不足。因此，高中物理教師要重視在日常教學中滲透建模思想和方法，發(fā)展個體建模能力。
二、建模教學的進階
在建模過程中，學生要經(jīng)歷“問題情境→建構(gòu)模型→分析模型→應用模型→評估模型→修正模型”這一系列的階段，要對各個環(huán)節(jié)進行整合，這就要經(jīng)歷復雜心理和思維過程，從而形成有效的學習路徑。借助于學習進階理論，教師對建模進行整合，在課堂上引導學生探究某一主題，在學習的過程中展開依次進階、逐級深化的思考。在學習進階的統(tǒng)領下，學生認知更加符合邏輯，進而形成物理學科良好的教學邏輯，實現(xiàn)學生科學思維能力的進階發(fā)展，得到正確模型，最終探究找到問題答案。在我看來，建模教學的進階模型呈現(xiàn)動態(tài)的特點：（1）學生先要面對問題情境，通過類比、猜想等方法來初步構(gòu)建模型；（2）在初步模型基礎上進行分析，根據(jù)題干材料來應用模型解決所遇到的問題；（3）在解決完遇到的問題后，學生要評估是否合適，是否還需再修正模型；（4）在問題情境背景下，學生把模型再進行對比來判斷是否吻合，在此基礎上進行優(yōu)化，如果不吻合再重復上述建模過程。
三、科學建模的教學實踐與反思
（一）創(chuàng)設問題情境問題情境能夠激發(fā)學生進行思考，使他們對知識展開體驗，從而快速進入學習狀態(tài)。在本節(jié)課中，我創(chuàng)設了問題情境1：拿出一個重50g的鉤碼，在上端系上一條寬5mm的紙帶，要求班級學生不使用任何工具來把紙帶拉斷。有的學生拿起紙帶快速上拉，有的則采取其他運動方式。此處，教師引導他們進行思考：在紙帶快速上拉時為何會斷裂。緊接著，我引出問題情境2：各小組拿出事先準備好的體重計，4個人一組，體驗并記錄小組成員在“下蹲—起立”過程中體重計示數(shù)如何進行變化，把觀察到的數(shù)據(jù)記錄在表格之中。在體重計上所顯示的示數(shù)稱為視重（所受壓力的大?。?，人的實際重力為實重。在體驗完后，學生總結(jié)得到超重（視重＞實重）與失重（視重＜實重）的定義。
（二）建構(gòu)物理模型在初步了解問題情境后，學生要學會探索物理現(xiàn)象來揭示其中蘊含的規(guī)律，將其應用于生活實際之中，對知識產(chǎn)生探究樂趣，形成實踐能力。此時，學生要從實驗中的相關(guān)現(xiàn)象抽象出物理元素，進而建構(gòu)物理模型，發(fā)展自身科學素養(yǎng)與綜合能力。在填寫完上述表格后，學生在小組內(nèi)進行討論，初步概括得出失重、超重出現(xiàn)的原因。在經(jīng)歷小組交流后，學生初步建構(gòu)物理模型，認為：物體具有向上加速度時產(chǎn)生超重現(xiàn)象，物體具有向下加速度時產(chǎn)生失重現(xiàn)象。在討論過程中，學生初步建構(gòu)起物理模型對知識展開研究，進行深度思考。
（三）分析物理模型在提出假設和結(jié)論后，學生要認真分析物理模型，思考問題背后的物理本質(zhì)，進行理論分析來深度思考。學生要進行分析，即為何在超重現(xiàn)象出現(xiàn)時會有向上的加速度？為何在具有向下加速度時會產(chǎn)生失重現(xiàn)象？學生進行小組討論，在完成后，教師邀請學生代表上臺講解，學生畫出物體受力示意圖，除受到重力外，還有垂直方向的加速度，當物體受到向下加速度時，得到合力FN=mg-ma。根據(jù)公式，我們發(fā)現(xiàn)當向下加速度大小a=g時，支持力或壓力為0，這是一種完全失重的特例。同理，可得物體向上時加速度分析的過程。學生在分析過程中難免會遇到這樣或那樣的錯誤，教師要結(jié)合他們的錯誤來進行針對性改進，有效提升學生思考的質(zhì)量和效率。
（四）應用物理模型物理來源于生活，應用于生活。在掌握和理解物理模型后，教師要引導學生思考和應用物理模型，在掌握模型的基礎上來展開應用。學生在引導下思考和回憶坐電梯的經(jīng)歷，電梯在向上走時會有什么感覺？用剛才學過的知識來嘗試解答。學生回憶坐電梯，分析得到以下結(jié)論：開始向上時，電梯和人從靜止向上加速、再勻速、最后減速到0。加速度方向：先向上、中間勻速階段速度為0、最后階段向下。在整個電梯運動過程中，人一開始會感覺兩只腳比較“沉”，到后面階段會感覺到兩只腳比較“輕”。
（五）評估建立模型在學會知識應用后，教師引導學生思考剛開始的問題情境：為何紙帶在迅速向上提升鉤碼時會斷裂？是否能用其他方式來使紙帶快速斷掉？學生運用超重模型來思考答案，發(fā)現(xiàn)當向上快速拉動紙帶時加速度變大，紙帶所受的拉力也會增大。向下做減速運動時，加速度方向向上，紙帶所受的拉力增大。在小組討論完成后，有的學生應用向下拉動紙帶，在某個時刻突然停止，紙帶發(fā)生斷裂。在問題引導下，學生應用剛剛建立的模型，有效理解和掌握了物理模型。
（六）修正物理模型在理解了超重、失重的定義后，有學生會提出這樣的疑問，即出現(xiàn)超重、失重狀態(tài)時，物體運動方向是否一定垂直呢？為了解答這一疑惑，也為了使他們加深對本節(jié)課知識點的理解，我設計了以下情境：購物超市都有自動運送人的扶梯，如果沒有人的話會處于靜止狀態(tài)，當一個質(zhì)量為m的人剛站上去時，斜梯以加速度a向上運動，如果斜梯與水平面的夾角為θ，那么，嘗試計算人對扶梯的壓力是多少？學生畫出人的受力情況圖，結(jié)合圖來計算人對扶梯的壓力大小，即FN=mg+masinθ，進而得到力大于人受到的重力。結(jié)合超重的概念，人在上述問題情境中依然處于超重狀態(tài)，這就需要來糾正模型。在獨立思考和小組討論后，學生發(fā)現(xiàn)物體處于超重狀態(tài)時加速度方向可以垂直或斜向上，物體處于失重狀態(tài)時加速度方向可以垂直或斜向下。針對學生質(zhì)疑的情況，教師提出問題情境引導他們進一步深入探究，能夠有效發(fā)展探究能力，促進個體水平的提升。基于學習進階的高中物理課堂建模能力培養(yǎng)教學實踐很好地體現(xiàn)了建模教學的整個過程，對概念的構(gòu)建、物理規(guī)律的應用、生活問題的解決都有著很重要的指導意義。在教學過程中，教師要注重物理模型的建構(gòu)，使學生在建構(gòu)、應用等探究環(huán)節(jié)來內(nèi)化、優(yōu)化模型，從而形成獨具特色的高中物理教學方法，促進學生建模能力的發(fā)展，促使每個人在學習中都有所收獲，提升課堂學習的專業(yè)能力。
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作者：黃月勇 單位：廣東省廣州市增城區(qū)派潭中學
