學習進階下的物理課堂建模能力培養實踐
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［摘要］建模能力教學要求發展學生建模能力，引導他們對知識進行解釋、驗證，創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實踐，希望對大家有所幫助。
一、建模能力的內涵
在20世紀八十年代，美國學者提出科學建模理論，受到人們的廣泛關注。建模能力是指針對某個自然現象抽象得到主要特征，根據科學來構建概念模型，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，學生要經歷“問題情境→建構模型→分析模型→應用模型→評估模型→修正模型”這一系列的階段，要對各個環節進行整合，這就要經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，實現學生科學思維能力的進階發展，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動態的特點：（1）學生先要面對問題情境，通過類比、猜想等方法來初步構建模型；（2）在初步模型基礎上進行分析，根據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）創設問題情境問題情境能夠激發學生進行思考，使他們對知識展開體驗，從而快速進入學習狀態。在本節課中，我創設了問題情境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”過程中體重計示數如何進行變化，把觀察到的數據記錄在表格之中。在體重計上所顯示的示數稱為視重（所受壓力的大小），人的實際重力為實重。在體驗完后，學生總結得到超重（視重＞實重）與失重（視重＜實重）的定義。
（二）建構物理模型在初步了解問題情境后，學生要學會探索物理現象來揭示其中蘊含的規律，將其應用于生活實際之中，對知識產生探究樂趣，形成實踐能力。此時，學生要從實驗中的相關現象抽象出物理元素，進而建構物理模型，發展自身科學素養與綜合能力。在填寫完上述表格后，學生在小組內進行討論，初步概括得出失重、超重出現的原因。在經歷小組交流后，學生初步建構物理模型，認為：物體具有向上加速度時產生超重現象，物體具有向下加速度時產生失重現象。在討論過程中，學生初步建構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論后，學生要認真分析物理模型，思考問題背后的物理本質，進行理論分析來深度思考。學生要進行分析，即為何在超重現象出現時會有向上的加速度？為何在具有向下加速度時會產生失重現象？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。根據公式，我們發現當向下加速度大小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，教師要結合他們的錯誤來進行針對性改進，有效提升學生思考的質量和效率。
（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，發現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，即出現超重、失重狀態時，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，當一個質量為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。結合超重的概念，人在上述問題情境中依然處于超重狀態，這就需要來糾正模型。在獨立思考和小組討論后，學生發現物體處于超重狀態時加速度方向可以垂直或斜向上，物體處于失重狀態時加速度方向可以垂直或斜向下。針對學生質疑的情況，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教學實踐很好地體現了建模教學的整個過程，對概念的構建、物理規律的應用、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，使學生在建構、應用等探究環節來內化、優化模型，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展，促使每個人在學習中都有所收獲，提升課堂學習的專業能力。
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作者：黃月勇 單位：廣東省廣州市增城區派潭中學
