论文部分内容阅读
1 物理教学中建模教学的重要性和必要性
所谓物理模型，是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本身而对研究对象所作的一种简化而准确的描述，是以观察和实验为基础，采用理想化的办法所创造的，能再现事物本质和内在特性的一种简化模型.
在高中物理学习中，学生所学的每一个物理概念和物理规律都与一定的物理模型相联系.解决每一个物理问题的过程都是抽象物理模型、使用模型方法的过程，特别是在研究实际问题时，学生不仅要透过物理现象、排除次要因素的干扰、抽出反映事物本质的特征、建立合理的物理模型，对问题进行简化和理想化处理，而且要对物理问题进行模型的识别和再现.可见能建立正确合理的模型是解决物理问题的关键所在，所以建模教学是高中教学中不容忽视的一个环节.
在实际教学中，笔者却发现高中生抽象思维能力较弱，在物理建模方面存在如下问题：建立物理模型的方法主要依靠直觉判断来建立模型，缺乏合理的想象和严密的逻辑思维来进行推理、猜想和判断可能的模型；同时学生不善于应用模型解决实际问题，易受表面现象干扰，思维焦点集中在问题的表层现象，不善于透过现象看本质.针对以上问题，笔者认为在高中物理教学与研究中，我们应该充分重视学生建立物理模型的过程及学生应用模型解决问题的能力.
2 物理建模教学的设计
2.1 物理建模教学的几个环节
关于物理建模教学的环节，不同的学者提出不同的观点.物理建模教学应该通过创设情境帮助学生建构模型，并引导学生不断修正自己模型的过程，大致分为如下三个阶段：
（1）建立模型阶段：通过创设情境，调动学生前概念，引导学生通过自主学习暴露心智模型，选取恰当的表征方式，将讨论后形成的心智模型表征出来.
（2）验证、评估、修正模型阶段：通过分析问题情景收集证据，验证模型.运用模型解释或预测问题，评估模型的解释能力，根据需要修正模型的表征形式、准确性.
（3）应用模型阶段：在新情景中应用模型解释或预测新的问题.
需要说明的是，建模的过程并非线性的推进过程，可能需要多次循环，甚至回到起点重新开始，需要教师在设计时根据教学具体内容灵活调整各阶段.
2.2 物理建模教学设计例析
下面以高一物理《功能关系——系统机械能变化的量度问题》的教学设计为例，说明物理建模教学的设计方法.
2.2.1 创设情境，暴露心智模型和表征模型
通过学生回顾机械能章节的知识——各种力做功和多种能量，回答功与能有何关系，并让学生举例说明功是能量的变化的量度的理解.
学生甲：物体重力势能的改变量由重力做功来量度：ΔEpG =-WG.
学生乙：物体动能的变化量由外力做的总功来量度：ΔEk=W总，这就是动能定理.
学生丙：弹性势能的变化量由弹力做功来量度：
ΔEPf =-Wf.
从知识体系的完整性，学生自己提出本章需要继续研究的问题：一个系统机械能的变化量又应该由什么功量度呢？机械能发生变化时，能量是如何转化的？
提出本节课探究问题后，调动学生运用前概念，即碎片化的事实或经验，物体在摩擦力作用下减速或在拉力作用下加速，说出具体的个例机械能变化由摩擦力做功或拉力做功量度.然后进行映射，将事实经验和问题建立简单联系，提出猜想来关联，建立事实经验和规律间的定性联系.系统只有重力和弹簧弹力做功，系统机械能守恒，系统机械能变化可能是除了这两个力之外的其它力来量度.最后让学生理论推导来证实自己猜想形成概念、规律，建立定量关系.
学生活动时，可能从机械能的定义推导动能变化，势能变化，相加得到机械能变化.机械能可能有具体物理情境，只想到重力势能和动能，教师要指出这是一个物体系统的机械能，还有物体和弹簧系统呢？
ΔE机=ΔEk ΔEpG ΔEp弹 =W总-WG-W弹=W其.
结论：系统机械能的变化量等于除重力和弹簧弹力外的其它力做的总功：
2.2.2 验证模型和评估模型阶段
通过三个小演示实验，让学生通过事实经验、对比前面学习和演示过的实验现象，容易得到机械能变化量度的功，定性验证得到理论模型适用在一个物体系统或一个物体和弹簧系统.
演示实验1：用轻细绳悬挂的小球被拉离竖直位置由静止释放，学生在这章学习时观察过，小球在拉力和重力作用下摆动一两次，小球的最高点与释放点等高，如图1甲所示.只有重力做功，系统机械能守恒.在本节课演示时，让黑板往外略微倾斜一点，让学生注意观察，小球摆动的高度却越来越低，小球机械能减少，如图1乙所示.学生很容易在观察时听到黑板对小球摩擦发出的声音，显而易见分析得到机械能的变化由摩擦阻力做的功量度.验证除重力做功外，其它力是摩擦阻力做功量度.
演示实验2 ：物体静止在水平桌面上，现要使物体的机械能增加，我们可以怎样做？机械能增加由什么力做功来量度？
学生：法1：用一个拉力将物体提起来，除重力做功外，外力——拉力对物体做正功，机械能的变化由外力拉力的功量度.
法2：在桌面上拉动物体运动，拉力大于摩擦力，外力——两力的合力做正功，物体的机械能增加.机械能的变化由外力的总功量度.
演示实验3：如图2所示的水平弹簧振子，滑块静止在轨道上，弹簧此刻处于原长状态，如图2所示.现将滑块向右拉离一段距离，静止释放，观察滑块的运动.滑块在轨道上来回滑动几下最终停在轨道某一位置.
问题：滑块和弹簧系统机械能如何变化，用什么力做功来量度？
学生：减少，摩擦阻力做功量度.（除弹簧弹力外，摩擦阻力做的功），验证了系统机械能的变化量等于除重力和弹簧弹力外的其它力做的总功.
2.2.3 修正模型阶段 评估结果：对于一个物体系统、一个物体和弹簧系统，模型是基本正确的.然后提出对于两个物体系统如图3所示，一个质量为M的长木板B静止在光滑水平面上，一个质量为m的小滑块A以水平速度v0从长木板的一端开始在长木板上滑动，最终二者相对静止以共同速度v一起滑行.
提出问题：A、B系统机械能变化吗？
学生：系统没有外力做功，系统机械能不变，或认为机械能减少，可能存在摩擦生热，转化为内能.这时学生产生疑惑，需要修正学生原有的模型认识，师生一起来研究A、B系统机械能的变化由谁来量度，通过如下理论探究得出系统机械能的变化是一对内力摩擦力对系统做的功量度.
学生：摩擦力对A做功、摩擦力对B做功，摩擦力对A、B做的总功.
①系统机械能的变化量：ΔE=12（M m）v2-12mv20.
②根据动能定理或功能关系列式
对A：WfA=12mv2-12mv20
对B：WfB=12Mv2-0
学生：A、B受到的一对滑动摩擦力所做功的代数和与A、B系统机械能的变化量相等.
WfA WfB =ΔE=（12mv2-12mv20） 12Mv2.
③从功的定义式推导A、B受到的一对滑动摩擦力所做功的代数和为负值，说明系统机械能减少，减少的机械能转化为内能，摩擦生热.
设滑块A对地的位移为sA，B对地位移为sB.
学生：WfA WfB =-fsA fsB=-fΔs.
修正：限定一定的条件，修正其它力做功的含义：系统如果是以上滑块和木板两个物体系统，W其并不表示其它外力做功，应该修正为外力不做功时，内力对物体所做功的代数和.
ΔE=WfA WfB.
2.2.4 应用模型阶段
通过一个典型练习题检测学生对模型的初步认识和简单应用来解决物理问题.题目为：一个人站在距地面高h处，将一个质量为m的石块以v0的速度斜向上抛出，如果石块落地时速度的大小为vt，求石块从抛出到落地受到空气阻力做的功？
2.2.5 案例说明
本节课教学设计的重点是让学生在教师的引导下，通过一系列问题的提出和解决，自主运用本章学过理论模型——功是能量变化的量度，初步探究物体系统机械能变化过程中的量度问题.这种设计达到了逐步丰富、完善对已有模型的认识，整合出更完备的新模型，发展了学生运用已有知识建构理论模型的能力，明确了在不同的物体系统，系统机械能变化的量度问题，培养了学生自觉整合知识，深入探究物理规律的意识.这节课的设计引导学生以力学知识体系为背景素材，全面、深入的认识功和能量变化的关系，为学生今后能够运用功和能的观点分析热学、电学等问题，打下牢固的基础.
在学生初步建立模型后，通过三个具体的物理情景得到功能关系具体的表达式来检验、评估模型的正确，最后用涉及两个物体的系统机械能的变化来重新激发学生的认知冲突.通过学生活动理论推导系统机械能变化等于两个物体的机械能变化之和，来具体修正学生的认识，指出学生初步得到的结论有不完善的地方，修正学生对两个物体组成的系统，其它力做功应理解为外力不做功时，内力（摩擦力）对系统做的总功，进一步发展和完善学生认识.当然，在以后学习中我们还会遇到更为复杂的系统，机械能变化由何功量度，需要进一步修正为：系统机械能的变化由系统所受外力和内力除重力、弹力以外其它力所做的总功量度，限于学生的认知水平及高中物理教学的要求，在高一物理学习过程中，只能暂时建立这样阶段性的物理模型.
小结：物理模型教学设计要达到最佳教学效果，一要注重学生的主体性.在开展物理模型教学时，要通过问题引导学生主动参与教学过程，主动探究体会模型的建立过程，将知识内化为自己认知结构的一部分.二要突出教学内容的基础性，加强基本物理模型的教学，引导学生在多种情景中学习构建和使用基本物理模型，使学生形成物理知识体系，感悟物理模型方法的简便性和多功能性，从而养成物理模型思维意识和习惯，最终达到对基本物理知识的掌握和理解，减轻学生负担，体会成功快乐，树立学好物理的信心.
所谓物理模型，是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本身而对研究对象所作的一种简化而准确的描述，是以观察和实验为基础，采用理想化的办法所创造的，能再现事物本质和内在特性的一种简化模型.
在高中物理学习中，学生所学的每一个物理概念和物理规律都与一定的物理模型相联系.解决每一个物理问题的过程都是抽象物理模型、使用模型方法的过程，特别是在研究实际问题时，学生不仅要透过物理现象、排除次要因素的干扰、抽出反映事物本质的特征、建立合理的物理模型，对问题进行简化和理想化处理，而且要对物理问题进行模型的识别和再现.可见能建立正确合理的模型是解决物理问题的关键所在，所以建模教学是高中教学中不容忽视的一个环节.
在实际教学中，笔者却发现高中生抽象思维能力较弱，在物理建模方面存在如下问题：建立物理模型的方法主要依靠直觉判断来建立模型，缺乏合理的想象和严密的逻辑思维来进行推理、猜想和判断可能的模型；同时学生不善于应用模型解决实际问题，易受表面现象干扰，思维焦点集中在问题的表层现象，不善于透过现象看本质.针对以上问题，笔者认为在高中物理教学与研究中，我们应该充分重视学生建立物理模型的过程及学生应用模型解决问题的能力.
2 物理建模教学的设计
2.1 物理建模教学的几个环节
关于物理建模教学的环节，不同的学者提出不同的观点.物理建模教学应该通过创设情境帮助学生建构模型，并引导学生不断修正自己模型的过程，大致分为如下三个阶段：
（1）建立模型阶段：通过创设情境，调动学生前概念，引导学生通过自主学习暴露心智模型，选取恰当的表征方式，将讨论后形成的心智模型表征出来.
（2）验证、评估、修正模型阶段：通过分析问题情景收集证据，验证模型.运用模型解释或预测问题，评估模型的解释能力，根据需要修正模型的表征形式、准确性.
（3）应用模型阶段：在新情景中应用模型解释或预测新的问题.
需要说明的是，建模的过程并非线性的推进过程，可能需要多次循环，甚至回到起点重新开始，需要教师在设计时根据教学具体内容灵活调整各阶段.
2.2 物理建模教学设计例析
下面以高一物理《功能关系——系统机械能变化的量度问题》的教学设计为例，说明物理建模教学的设计方法.
2.2.1 创设情境，暴露心智模型和表征模型
通过学生回顾机械能章节的知识——各种力做功和多种能量，回答功与能有何关系，并让学生举例说明功是能量的变化的量度的理解.
学生甲：物体重力势能的改变量由重力做功来量度：ΔEpG =-WG.
学生乙：物体动能的变化量由外力做的总功来量度：ΔEk=W总，这就是动能定理.
学生丙：弹性势能的变化量由弹力做功来量度：
ΔEPf =-Wf.
从知识体系的完整性，学生自己提出本章需要继续研究的问题：一个系统机械能的变化量又应该由什么功量度呢？机械能发生变化时，能量是如何转化的？
提出本节课探究问题后，调动学生运用前概念，即碎片化的事实或经验，物体在摩擦力作用下减速或在拉力作用下加速，说出具体的个例机械能变化由摩擦力做功或拉力做功量度.然后进行映射，将事实经验和问题建立简单联系，提出猜想来关联，建立事实经验和规律间的定性联系.系统只有重力和弹簧弹力做功，系统机械能守恒，系统机械能变化可能是除了这两个力之外的其它力来量度.最后让学生理论推导来证实自己猜想形成概念、规律，建立定量关系.
学生活动时，可能从机械能的定义推导动能变化，势能变化，相加得到机械能变化.机械能可能有具体物理情境，只想到重力势能和动能，教师要指出这是一个物体系统的机械能，还有物体和弹簧系统呢？
ΔE机=ΔEk ΔEpG ΔEp弹 =W总-WG-W弹=W其.
结论：系统机械能的变化量等于除重力和弹簧弹力外的其它力做的总功：
2.2.2 验证模型和评估模型阶段
通过三个小演示实验，让学生通过事实经验、对比前面学习和演示过的实验现象，容易得到机械能变化量度的功，定性验证得到理论模型适用在一个物体系统或一个物体和弹簧系统.
演示实验1：用轻细绳悬挂的小球被拉离竖直位置由静止释放，学生在这章学习时观察过，小球在拉力和重力作用下摆动一两次，小球的最高点与释放点等高，如图1甲所示.只有重力做功，系统机械能守恒.在本节课演示时，让黑板往外略微倾斜一点，让学生注意观察，小球摆动的高度却越来越低，小球机械能减少，如图1乙所示.学生很容易在观察时听到黑板对小球摩擦发出的声音，显而易见分析得到机械能的变化由摩擦阻力做的功量度.验证除重力做功外，其它力是摩擦阻力做功量度.
演示实验2 ：物体静止在水平桌面上，现要使物体的机械能增加，我们可以怎样做？机械能增加由什么力做功来量度？
学生：法1：用一个拉力将物体提起来，除重力做功外，外力——拉力对物体做正功，机械能的变化由外力拉力的功量度.
法2：在桌面上拉动物体运动，拉力大于摩擦力，外力——两力的合力做正功，物体的机械能增加.机械能的变化由外力的总功量度.
演示实验3：如图2所示的水平弹簧振子，滑块静止在轨道上，弹簧此刻处于原长状态，如图2所示.现将滑块向右拉离一段距离，静止释放，观察滑块的运动.滑块在轨道上来回滑动几下最终停在轨道某一位置.
问题：滑块和弹簧系统机械能如何变化，用什么力做功来量度？
学生：减少，摩擦阻力做功量度.（除弹簧弹力外，摩擦阻力做的功），验证了系统机械能的变化量等于除重力和弹簧弹力外的其它力做的总功.
2.2.3 修正模型阶段 评估结果：对于一个物体系统、一个物体和弹簧系统，模型是基本正确的.然后提出对于两个物体系统如图3所示，一个质量为M的长木板B静止在光滑水平面上，一个质量为m的小滑块A以水平速度v0从长木板的一端开始在长木板上滑动，最终二者相对静止以共同速度v一起滑行.
提出问题：A、B系统机械能变化吗？
学生：系统没有外力做功，系统机械能不变，或认为机械能减少，可能存在摩擦生热，转化为内能.这时学生产生疑惑，需要修正学生原有的模型认识，师生一起来研究A、B系统机械能的变化由谁来量度，通过如下理论探究得出系统机械能的变化是一对内力摩擦力对系统做的功量度.
学生：摩擦力对A做功、摩擦力对B做功，摩擦力对A、B做的总功.
①系统机械能的变化量：ΔE=12（M m）v2-12mv20.
②根据动能定理或功能关系列式
对A：WfA=12mv2-12mv20
对B：WfB=12Mv2-0
学生：A、B受到的一对滑动摩擦力所做功的代数和与A、B系统机械能的变化量相等.
WfA WfB =ΔE=（12mv2-12mv20） 12Mv2.
③从功的定义式推导A、B受到的一对滑动摩擦力所做功的代数和为负值，说明系统机械能减少，减少的机械能转化为内能，摩擦生热.
设滑块A对地的位移为sA，B对地位移为sB.
学生：WfA WfB =-fsA fsB=-fΔs.
修正：限定一定的条件，修正其它力做功的含义：系统如果是以上滑块和木板两个物体系统，W其并不表示其它外力做功，应该修正为外力不做功时，内力对物体所做功的代数和.
ΔE=WfA WfB.
2.2.4 应用模型阶段
通过一个典型练习题检测学生对模型的初步认识和简单应用来解决物理问题.题目为：一个人站在距地面高h处，将一个质量为m的石块以v0的速度斜向上抛出，如果石块落地时速度的大小为vt，求石块从抛出到落地受到空气阻力做的功？
2.2.5 案例说明
本节课教学设计的重点是让学生在教师的引导下，通过一系列问题的提出和解决，自主运用本章学过理论模型——功是能量变化的量度，初步探究物体系统机械能变化过程中的量度问题.这种设计达到了逐步丰富、完善对已有模型的认识，整合出更完备的新模型，发展了学生运用已有知识建构理论模型的能力，明确了在不同的物体系统，系统机械能变化的量度问题，培养了学生自觉整合知识，深入探究物理规律的意识.这节课的设计引导学生以力学知识体系为背景素材，全面、深入的认识功和能量变化的关系，为学生今后能够运用功和能的观点分析热学、电学等问题，打下牢固的基础.
在学生初步建立模型后，通过三个具体的物理情景得到功能关系具体的表达式来检验、评估模型的正确，最后用涉及两个物体的系统机械能的变化来重新激发学生的认知冲突.通过学生活动理论推导系统机械能变化等于两个物体的机械能变化之和，来具体修正学生的认识，指出学生初步得到的结论有不完善的地方，修正学生对两个物体组成的系统，其它力做功应理解为外力不做功时，内力（摩擦力）对系统做的总功，进一步发展和完善学生认识.当然，在以后学习中我们还会遇到更为复杂的系统，机械能变化由何功量度，需要进一步修正为：系统机械能的变化由系统所受外力和内力除重力、弹力以外其它力所做的总功量度，限于学生的认知水平及高中物理教学的要求，在高一物理学习过程中，只能暂时建立这样阶段性的物理模型.
小结：物理模型教学设计要达到最佳教学效果，一要注重学生的主体性.在开展物理模型教学时，要通过问题引导学生主动参与教学过程，主动探究体会模型的建立过程，将知识内化为自己认知结构的一部分.二要突出教学内容的基础性，加强基本物理模型的教学，引导学生在多种情景中学习构建和使用基本物理模型，使学生形成物理知识体系，感悟物理模型方法的简便性和多功能性，从而养成物理模型思维意识和习惯，最终达到对基本物理知识的掌握和理解，减轻学生负担，体会成功快乐，树立学好物理的信心.