物理建模教学的有效实施途径探究
邱雪梅
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邱雪梅,. 物理建模教学的有效实施途径探究[J]. 建模与系统仿真,2022.4. DOI:10.12721/ccn.2022.157040.
摘要:
在新课程教育理念下,学校教育重在强调对学生进行以“能力与方法”为核心的“三维目标”综合素养的积极培养。作为基础教育中的一门基础学科,高中物理的传统教育方法已不能满足教育改革与发展过程中的实质性需要。正因为如此,在新课标理念和核心素养观下,高中物理课程强调了培养学生建模能力的重要性。教师在传授知识的同时还要向他们渗透如何“建模”,引导其形成建模思维,优化处理物理问题。以下简单地介绍高中物理教学过程中的几种常见模型,分析培养学生建模能力的价值和意义,并且探讨一些具体的培养策略,以期让学生掌握正确的建模方法,更好、更快地学习知识和解决问题。
关键词: 高中物理;建模能力培养;模型教学价值;策略性构建
DOI:10.12721/ccn.2022.157040
基金资助:

引言:《普通高中物理课程标准(2017版)》在物理核心素养的水平划分中,对高中学生通过物理课程学习要具有建模能力提出了明确要求,并细化为五个进阶水平:能说出一些简单的物理模型;能在熟悉的问题情境中应用常见的物理模型;能在熟悉的问题情境中根据需要选用恰当的模型解决简单物理问题;能将实际问题中的对象和过程转换成物理模型;能将较复杂的实际问题中的对象和过程转换成物理模型。基于此,结合当前一线高中物理教学的实际,我觉得在高中物理教学中,提升学生的建模能力,具有十分重要的意义。

一、物理模型的内涵

物理模型是根据研究的问题和内容,在一定条件下对研究客体的抽象,是从多维的具体图像中,抓住最具有本质特征的图像,建立一个易于研究、能从主要方面反映研究客体的新图像。科学家在做研究工作时,往往把研究对象抽象为理想模型,建模方法是科学研究的常用方法,模型思维是一种重要的科学思维,创设基于建模的科学学习环境,有利于学生建模思维的发展。学生科学思维的发展、物理观念的构建、科学探究能力的形成、未来出色的科研能力都需要学生在求学过程中进行思维的深度参与。建模思想及建模过程对学生的思维训练具有得天独厚的功能,它能让高中生在学习中体验物理学家的核心活动、核心工作、核心思想。因此,物理建模教学对学生一生的发展与成就有着重要育人作用。

二、建模教学的有效实施途径

(一)通过研究与简化问题,注重培养学生建模能力。

物理学科之所以难教难学,就是因为它具有很强的抽象性。学生在看到复杂的物理问题时,往往难以通过问题在脑海中建立相应的物理图景。鉴于此,在高中物理教学过程中,教师首先需要做的根本点就在于引导学习思路,帮助学生简化问题,从而为最后的解决问题打下基础、激发活力。具体而言,教师引导学生建模,利用物理模型来直观化、形象化地呈现原本抽象的物理问题。而许多教师在教授一些规律性知识时,为了片面地追求教学效率,他们没有为学生作出细致性讲解,导致学生只能通过“死记硬背”来进行应付,实际上并未真正地理解和吸收知识。在这种情况下做题,学生就会很容易出错,他们只记忆结果,却并不能够了解学科知识的真正形成过程。既然他们的知识结构并不完整,那么,所教与所学效果自然是不够理想的。

 (二)以流体模型构建为例

展示情境:如图1,某旅游景点有一喷泉,喷出的水柱将一玩具滑板车稳定地悬停在空中,试分析滑板车距离喷口的高度与哪些因素有关。

1.png

这是一个有趣的生活现象,现象中包含实际问题,问题中的物理量及现象所遵循的物理规律均隐藏在实际问题中,学生要成功解决问题需要完成三项工作:问题表述,物理建模,分析解决问题。在执行以上物理建模教学流程的过程中,教师除了要控制好点拨时机和讲解节奏外,还要设计好能促进学生思考的系列问题。例如:

2.png

A.为什么滑板车能稳定地悬停在空中?引导学生对滑板车进行受力分析和运动状态分析。引导学生思考:水对滑板车的冲击力与滑板车的重力平衡,建立F冲=m车g模型。

B.F冲是水对滑板的冲击产生,如果取冲击滑板车的水为研究对象,与以往选取的研究对象相比,有何特点?为了方便解决问题,应该如何处理?引导学生思考:研究对象———水是流体模型,不是学生熟悉的理想模型(质点),进一步引导学生科学思考这一问题———微元思想。设喷口的横截面积为s,水喷出的初速度为v0,则△t时间内,从喷口喷出的水的质量为△m,△m=ρv0△ts,这一步是关键点,同时也是难点,要组织学生深度讨论,合作学习。

C.△m的水,冲击滑板时的冲击速度v多大?引导学生建立方程:v2-v20=-2gh.

D.△m的水冲击滑板遵循什么规律?引导学生建立方程:F冲△t=0-(-△mv)

E.滑板车距离喷口的高度与那些因素有关?引导学生整理后得到:3.png

F.总结流体模型的规律:微元思想解决非理想模型研究对象问题。

物理建模需要学生稳定的内在思维素养和外在行为表现,学生内在思维素养具有隐性特征,无法直接诊断,教师可以采用“思维导图法”和“口述报告法”将隐性思维显性化,将学生的科学思维与技巧训练到位,物理建模的核心问题就得到了较好的解决。

(三)从科学思维方法入手,注重培养学生建模能力。

“科学思维”是进行物理研究所必需具备的一项思想意识和行为能力,而且它与建模能力之间有着很大的关联。这是因为,大部分物理模型都是因科学思维而产生的,而人们在运用科学思维来研究问题的时候,往往需要通过构建物理模型来实际分析问题。所以说,在高中物理教学过程中,为了更好地培养学生建模能力,教师要引导他们渗透模型中的科学思想,让其掌握科学思维方法,这样才能在遇到物理问题后尽快思考并分析建模,以相应的物理模型来辅助解决问题。

结论:建模思想是解答物理试题的重要方法之一,教师在教学中应注意对学生建模思想的培养,通过帮助学生深入了解建模方法,提升学生解决物理问题的能力.

参考文献:

[1]束瑜.浅谈高中物理模型教学及学生建模能力的培养[J].科技研究,2019(000),013:526-526.

[2]胡强,上官云龙.高中物理教学中学生建模能力的培养[J].科学教育研究,2019,(3):139-139.

[3]黄书鹏,朱建国,王登凡.“课改”与物理模型及建模能力[J].中学物理教学参考,2018,(12).1-3.

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