建构物理模型，解决生活情境化试题

摘   要：生活实践问题情境的试题要求学生能从具体问题中建构起对应的物理模型，依据模型满足的物理规律列出对应的数学公式，从而解决情境化的物理问题。以2022年广东高考试题为例，研究物理模型建构的教学现状和必要性，得出建构物理模型的应用思路和提升建模能力的有效方式，以达到提升学生科学思维品质的目的。

关键词：物理模型；生活情境化；新课程标准；建构能力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）9-0039-4

收稿日期：2023-04-10

作者简介：赵景秀（1985-），女，中学一级教师，主要从事高中物理教学与研究工作。

分析2022年广东高考物理试题，发现生活实践问题情境的题目占比为56%，如轻绳牵引磨豆腐，“祝融号”火星车休眠，自动雨伞开伞过程，玻璃瓶测水深等真实生活情境。解答这类试题要求学生能从具体问题中建构出对应的物理模型，再依据模型列出相应的数学公式，从而解决情境化的物理问题。

1    物理模型建构的教学现状

在现实教学中，很多学生面对生活情境试题时并不能正确地从中抽象概括出物理模型，这就是解决情境化试题的困难所在，究其原因主要有两个方面。

1.1    学生从生活实践情境中提炼出物理模型的能力不足

学生平时做题训练多以简化情境的题目为主，可套用物理公式或规律直接进行解题，题目忽略了建构物理模型解决问题的思维过程。其结果是学生在处理物理问题时只关注答案结果，不注重思维品质的形成过程，而缺少简化、抽象、理想等方式建构物理模型的思维过程，学生很难适应情境化的试题。

1.2    教师不注重培养学生物理建模过程

教师讲解生活情境化试题时，不注重物理生活情境与物理知识的紧密联系，遇到题干中对实际生活的文字描述就简而化之，或跳过描述，直接列出规律表达式。忽略训练学生在生活情境试题中对关键文字的信息提炼或情境的理解，不注重培养学生的物理建模过程和规律公式的来源分析，势必给学生物理建模能力的发展带来阻碍。

2    高中物理模型建构的必要性

从学生发展的需求来看，高中学生已经具备一定的生活实践经验，其信息获取、科学推理论证、抽象概括等思维均发展到了较高的水平，这些学习能力都为建立一个正确的物理模型奠定了基础。

2.1    有利于科学思维的全面发展

在生活实践问题情境化习题的教学讲解中，教师要引导学生逐字逐句地读题，紧扣题目中的关键信息，如恰好、光滑、不计等词语，培养学生的理解能力和信息加工能力。引导学生抓住题目中主要因素的特征，通过类比联想、抽象概括或逻辑推理等思维活动，把抽象问题的具体描述转换为对象模型、条件模型、过程模型等，以培养学生建构起物理模型的思维方法；通过模型特征判断物理问题所需的物理规律，根据模型条件列出相应的数学规律表达式，以此培养学生的科学推理、论证质疑能力。

建立物理模型本身就是思维的升华，是思维的创新性发展，所以物理建模能力的水平高低关系着学生创新能力的发展，影响学生的终身学习能力。

2.2    有利于物理知识结构的网格化

高中物理概念和物理规律很多，知识综合性强，建构物理模型有助于学生把握问题的主要因素，并将琐碎的知识点串接起来，形成知识网络框架。高中课本中的物理模型可以看成是高中物理概念和规律的纽带桥梁，从类型上可以划分为实体模型和过程模型这两大模型体系。例如，细绳、运动小车、带电小球等作为研究对象时，在高中阶段不考虑研究对象的大小和形状，从而抽象成理想化的质点模型，解决了研究对象的模型问题。又如，平抛运动模型根据运动和受力的特点，可以细分为水平方向的匀速直线运动模型与竖直方向的自由落体模型。根据平抛运动模型“合力不变且与初速度垂直”的本质特征，将这种模型迁移应用到带电粒子在匀强电场中偏转问题的“类平抛运动模型”。进一步扩展平抛模型的研究方法，就会发现斜抛模型是两个平抛运动在最高点的对称合成。抓住物理模型的本质特征将物理知识结构网格化，可以起到增强学生更好地掌握物理概念、灵活应用物理规律去解决一系列的相似模型的物理问题的效果。

2.3    建构物理模型是摆脱题海战术的有效方式

生活实践情境下的物理习题训练对提升学生能力有帮助，但过量的习题会使得学生疲惫。其实，绝大多数的生活情境化习题中都有物理模型的相应信息和原型，细心的学生一旦发现物理模型再尝试进行物理模型的还原重建，加以教师对模型的分析引导，只需适量的物理习题练习，学生就能理清同一类问题的物理模型特征，建立相应的物理模型，形成良好的习惯，提升学习能力，使学生从题海战术中成功脱身。

3    建構物理模型的应用思路

新课程标准核心素养要求下生活实践情境化的试题，是运用新的素材包括真实情境的素材来考查学生的知识掌握能力，这时模型的建立是学生解决物理问题的关键［1］。其建构物理模型思路程序如图1所示。

学生解生活实践问题情境的试题需要从试题中提取信息，再经过抽象、简化等思维过程呈现物理模型，分析出问题情境和模型特征来选择物理规律和公式，最后利用数学知识进行推导论证，从而解决情境化的物理问题。

例1 （2022年广东卷第2题）“祝融号”火星车需要“休眠”以度过火星寒冷的冬季。假设火星和地球的冬季是各自公转周期的四分之一，且火星的冬季时长约为地球的1.88倍。火星和地球绕太阳的公转均可视为匀速圆周运动。下列关于火星、地球公转的说法正确的是（      ）

A. 火星公转的线速度比地球的大

B. 火星公转的角速度比地球的大

C. 火星公转的半径比地球的小

D. 火星公转的加速度比地球的小

本题是以我国所取得的科技成果“祝融号”火星车需要“休眠”这一真实问题情境为试题的考查载体而编制的考题，题目建构对应一定的物理模型。解答顺序按建构物理模型的思路程序，先审题提取有用信息，抓住“冬季是公转周期的四分之一”“匀速圆周运动”关键词语进行理解。需要学生在头脑中呈现出地球和火星分别绕太阳公转、“祝融号”火星车随火星一起绕太阳公转的情境图像。为使运动过程更形象化，在稿纸上可以作如图2所示的运动示意图，为物理模型建立清晰的物理图形。

在现实生活中，地球绕太阳公转周期是1 年，通过类比思维，那么火星绕太阳的周期就近似为1.88年，从而得知其公转周期大于地球公转周期。再以火星和地球作为研究对象，建立质点模型；行星绕太阳公转的运动可视为匀速圆周运动的过程模型。根据匀速圆周运动的本质特征“合外力大小不变且时刻指向圆心充当向心力”，建立万有引力等于向心力的条件模型。最后选择规律公式G=mr，G=m，ω=，G=ma，进行数学演算，顺利得出D选项正确，从而解决了天体运动的物理问题。

例2 （2022年廣东卷第13题）某同学受自动雨伞开伞过程的启发，设计了如图3所示的物理模型。竖直放置在水平桌面上的滑杆上套有一个滑块，初始时它们处于静止状态。当滑块从A处以初速度v0=10 m/s向上滑动时，受到滑杆的摩擦力f=1 N，滑块滑到B处与滑杆发生完全非弹性碰撞，带动滑杆离开桌面一起竖直向上运动。已知滑块的质量m=0.2 kg，滑杆的质量M=0.6 kg，A，B间的距离l=1.2 m，重力加速度g取10 m/s2，不计空气阻力。求：（1）滑块在静止时和向上滑动的过程中，桌面对滑杆支持力的大小N1和N2；（2）滑块碰撞前瞬间的速度大小v；（3）滑杆向上运动的最大高度h。

本题以生活中自动伞的开伞过程为问题情境作为考查载体，在能力的考查方面主要是考查学生的模型建构能力和推理论证能力。根据题目要求，本题中考查的模型建构能力为四级水平。建构模型解决问题的过程为：第一，认真审题，提取关键信息点“静止状态”“完全非弹性碰撞”“一起竖直向上”。第二，在稿纸上作受力分析图、运动示意图展现物理情境，为建模做好准备。第三，通过简化，不考虑滑块的大小和形状，建立质点模型。滑块和滑杆都静止，建立滑块和滑杆为整体研究对象的对象模型以及平衡状态模型。滑块向上做匀减速直线运动的过程模型，滑块与滑杆的碰撞模型，“不考虑空气阻力”“一起竖直向上运动”可以简化为竖直上抛运动模型。第四，根据建构的物理模型的本质特征依次使用适合的规律公式，进行数学运算和论证，得出结论，从而顺利解决生活探究情境问题。

4    提升学生物理模型建构能力的有效方式

“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素［2］。物理模型建构能力是高中物理核心素养的目标要求，也是高考评价体系中的五大关键能力之一［3］。在生活情境化试题的讲解中培养学生物理建模能力，教师可以从以下几点进行教学实践。

4.1    教师重视模型建构过程的引导作用

教师引导学生经历物理概念的建构过程和物理规律的形成过程，是发展科学思维的重要途径［1］。学生遇到一些字符、数据较多的生活情境试题时，审题提取题目关键信息的能力不足或是对物理现象、物理情境、物理状态、物理过程等理解不到位，学生的思维就会受到严重影响，甚至分不清研究对象，这时就需要教师引导学生理解关键词语，细品物理过程，逐步加深学生对物理模型的认识，发展物理模型的建构能力。

4.2    培养学生形象化呈现物理情境的能力

学生在理解文字的基础上需要把物理情境或物理过程清晰呈现出来。一些学生能在头脑中呈现出物理过程，但作图才是呈现物理情境的最优方式。作物理过程运动简图或受力分析图可使物理情境、物理过程直观化，使思维可视化，把一些关键的地方用纸笔点出，更利于物理模型建构。

4.3    注重物理模型的本质特征分析

高中阶段的物理模型知识丰富，生活情境化的问题更是多如繁星，分析物理模型的本质特征尤其重要，可促使物理模型所遵循的物理规律准确呈现。如圆周运动中“绳球模型”中细绳“不考虑质量且不可伸长”，“绳子拉力沿绳子收缩方向”的本质特征使得小球运动到圆周运动的最高点时有一个临界状态和临界速度。教师分析讲清这一特征，学生掌握物理模型特征才能不死记硬背，不生搬硬套地使用物理规律和公式去解决问题，从而有信心把物理模型拓展应用到其他生活情境试题中解决类似物理问题。

4.4    分层要求，提升模型建构能力

新课程标准中强调教学必须面向全体学生，但高中学生的思维能力发展的情况存在差异，物理模型建构教学中学生的学习能力也存在差别。针对个体差异，物理模型的分层教学就非常有必要。高考考试说明中也谈到物理试题的综合性，计算题中常常会出现几个物理模型组合在一起，而且问题情境的难度也是逐步深入。在教师分析综合性较强的生活情境化试题时，对学生模型建构的要求有所不同。学习能力强的学生可以进行物理模型综合应用，挑战自我。而思维能力稍弱的学生能分析掌握一两个物理模型即可，培养学习的信心。模型建构分层要求让各类学生都学有所得，慢慢提升学生的模型建构能力。

5    结  论

基于新课程标准的核心素养要求及学生思维能力发展需求，在生活实践情境试题中建构物理模型，使抽象难懂的物理问题直观具体地展现，有助于学生解决物理问题能力的提升，有助于学生科学思维的发展，促进学生物理核心素养的培养和提高。

参考文献：

［1］秦旭芳.基于高中学生在不同情境下的物理建模研究［D］.桂林：广西师范大学，2019：6.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020：4.

［3］张春丽.对“基于高考评价体系的五种关键能力”含义界定的尝试［J］.物理教学探讨，2020，38（6）：41-45.

（栏目编辑    陈  洁）