基于物理核心素养的学生物理建模能力培养
谢云峰
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谢云峰,. 基于物理核心素养的学生物理建模能力培养[J]. 建模与系统仿真,2023.5. DOI:10.12721/ccn.2023.157043.
摘要: 在新课程改革的过程中,培养核心素养是首要任务。在物理教学中,学生的建模能力对于提升他们的思维能力起着关键的作用,有助于提高学生的物理素养。物理建模能力是物理核心素养中的重要组成部分,教师需要根据这一能力来设计物理题目和物理教学内容,以此提升学生的建模能力。
关键词: 物理建模;物理学习;模型分类
DOI:10.12721/ccn.2023.157043
基金资助:

一、前言

相较于初级阶段的物理教材,高级阶段的物理教材更为深奥且复杂,这对学生的逻辑推理能力构成了巨大的挑战。另外,由于高级阶段的教材内容较为简洁,且文字内容丰富,这无疑增加了学生对物理概念的理解难度,使他们在学习过程中感到极度疲惫。在高三的物理课程中,出现了许多复杂的问题,这让许多学生感到困扰。所以,通过构建模型,能够大幅度地帮助他们熟悉并运用物理知识,形成清晰的物理思维,逐渐抽象出复杂的物理观点,探索解决问题的方法。如此一来,能够使他们在学习的过程中不断增强自身的自信,找到在物理学习方面的有力手段,从而提高他们的学习成绩和素养。本论文详细探讨了如何增强学生的物理构造技巧,同时也希望它能够为高等教育的发展带来正面的推动。

二、强化高中生物理建模能力培养的内涵与意义

在根本层面,学生的物理模型构造技巧即为对问题的剖析与处理技巧,这种技巧可以帮助他们将所学的物理知识转化为实际的运用。这种技巧不仅是对传统教育方法的革新,也是提高学生在物理领域的关键技能的主要手段与路径。根据最新的教育大纲,学生必须通过长期的勤奋学习以获得满足社会进步的多元化技能,而这些技能的关键在于物理建模的技巧。也就是说,他们必须掌握利用物理知识处理实际问题的技巧,以便在日常生活中有效地处理一些物理难题。因此,教育工作者需要在高级中学的物理课堂上,全面运用建模的观念、技巧以及其他相关知识,以协助并指导学生准确掌握物理原则和概念。
三、新课程理念下高中生物理建模能力培养策略

(一)强化建模思维在新知识学习中的渗透

在进行高中物理的授课时,老师需要牢牢掌控新旧知识的关联,加大教学环境的建立力度,协助并指导学生深入理解并领会物理建模思维及其手段,使他们能够通过类比推理的思维模式来实现知识的有效转换。在真正的物理学习环节,各种物理知识在建立模型时,可能会形成相同的模型,也就是说,老师需要指导学生理解并掌握物理知识的思维属性及其解决问题的策略。将物理建模转化为联结知识点、构筑高效的问题处理策略的“推动器”。比如,在“匀变速直线运动”一章节的教学中,老师能够构建一个场景:一辆汽车在都市的街区中,驾驶员察觉到前方存在不寻常的状态,因此迅速开始制动。伴随着尖锐的轮胎和地面的碰撞声,汽车终于停止,而且在路边能够明显观察到制动的痕迹。这可以作为一个问题:在50千米的限制速度区域,摄影记录详细地呈现出了刹车的整个流程。假设你身为一名驾驶员,你将怎样评估并识别这辆汽车在停下之前是否存在超速的状态?学生们对这类物理问题的兴趣颇高,并且将自己的角色设定为交通警察,这更加增强了他们的参与度。因此,我们安排学生们通过团队协作的方式进行讨论和研究,并综合运用相关的物理理论来解决这个物理问题。经由主动的反思、沟通与探讨,学子们可以塑造优秀的问题处理策略、技巧以及程序,进一步搭建起高效的问题处理框架。

(二)强化建模思维在概念教学中的引入

在高中的教育里,我们会涉及到两个方面的课程。首先,我们会讲述物理的初级部分,如定理、规则和概念,其次,我们会探讨如何运用物理的建模技巧。只有当我们的学生掌握了扎实的初级知识,他们才可能运用这些知识来拓展他们的思考,并且可以更深入的理解和掌握这些知识,这样他们就可以更好的搭建和应用这些知识,并且可以处理各种不同的物理问题。在高中的学习期间,许多物理知识点相当繁琐且难以理解。因此,我们必须加大对抽象知识的实际呈现、深入的比较和归纳,从而培养出有益的思考方式。同时,我们也希望高中的物理老师能够在教授这些知识点的同时,引导学生去探索和理解如何构建模型。

比如在进行温度一章节的教学中,老师需要尽全力凸显与其关联的观念。在环境和温度的关联性教育中,老师能够确立一个自变量的数值,接着指导学生进行相关的变量的运算。在此过程中,学生能够深入理解由自变量引发的因变量的转换的概念,并且明白了物理模型的核心概念及其运用技巧。此外,扩大建模观念和增进建模技巧可以加强学生对于有关物理知识的不断吸收和领悟。

(三)强化实际问题解决过程中的建模应用

创建物理模型往往不会轻易完成,它需要依照具体情况,筛选出各种研究目标,忽略或者无视物体移动的部分元素,接着选取最佳的物理模型来搭建。所有这些都需要老师在真正的教育活动中,制定具备针对性的环境设置和思考方向,从而促使学生的思考扩展和建模技巧的持久提高。例如,如果我们设置弹簧的力矩系数k,并且把它的一部分与物品相接,而另一部分则被固定在墙上。设想这个物品的重量为M,并且它处于o点的静止状态。然后,我们用v0的速度,把一颗重m的子弹射向这个物品。我们面临的挑战是,对于一个物体从o点到O点的距离,或者说,一个质量为M的实体的最大位移值应该是什么?这个问题被认为是一个相对标准的物理模拟难题。在构建模型的过程中,教师需要加深对问题的设计,以激发学生的思维活力。①当子弹射入物体时,其运动状态是什么?此刻是否可以将子弹视为质点?其产生的原因是什么?②在子弹射入物体并在其内部停留的这一阶段,应如何计算时间?在此过程中,弹簧产生的形变是怎样的?③在研究过程中,我们应该考虑哪些元素?它们的运动模式是什么?我们应该建立何种物理模型?④在接下来的研究阶段,我们应该把哪些因素纳入研究范围?我们应该构建何种物理模型?在研究问题的过程中,教师需要引导学生忽略子弹射入物体时的旋转状态,将子弹的运动状态设定为水平,这样就可以开始建立质点系统模型。由于子弹能够从外界进入物质的内部,而其停留的时长极其有限,因此,弹簧的形态改动也不应该被轻易忽略。在建立模型的过程中,我们能够挑选出子弹或者实体来进行研究,因为在这些外力的共同影响下,水平的力量是不能存在的,而冲击的过程也不具有弹性。所以,我们有机会采用非弹性碰撞模型的方式去搭建模型,同时,依照能量不变原则,我们可以忽略位置变化,也不考虑弹性元件的重量、摩擦力及空气阻碍等元素。我们将研究对象确立为一个包含弹性元件、物体或弹性元件的系统,这样就能够构造出弹性元件的排列模型。

总结
总之,从伽利略开创近代物理先河开始,实验观察加科学推理的研究方法一直是物理学发展中的指导思想。而理想化模型即物理建模正是为适应这样的研究方法而提出来的。建模可以培养学生的想象能力、直觉思维能力、构造等能力,因此具有物理建模意识,具备物理建模能力,是每个学生学习物理学的目的之一,也是高中物理教师必须完成的非常重要的一项工作!

参考文献

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