初高中銜接教學中建構物理模型的途徑探索

張秀琴 張嬌珍

（1.大田縣教師進修學校，福建 大田 366100；2.大田第一中學，福建 大田 366100）

《義務教育物理課程標準（2022 年版）》將初中和高中物理課程要培養的核心素養的貫通，促進初中和高中物理課程的有效銜接，凸顯物理課程的系統性、科學性，為學生核心素養的持續發展創造了條件。［1］我們將初、高中的物理教材中與力學相關的內容進行對比不難發現：初中力學部分涉及的內容，與學生的日常生活聯系較為密切，且物理情境、物理現象直觀有趣，教材難度較??；高中力學部分涉及的內容，與學生的日常生活聯系同樣密切，但是高中物理更重視定量分析和理論推導，且通過數據研究物體的運動規律和運動本質。

模型思維是一種重要的科學思維，建構與應用模型是物理學最重要的研究方法之一，也是物理學的核心學科特色。［1］筆者通過課題研究，發現魯科版高中物理必修一力學專題模型的內容，作為物理工具貫穿整個高中物理教學。物理教師可以借助物理力學模型，引導學生應用課堂所學的理論知識去分析真實的物理情境，加深對概念、過程和系統的理解，培養學生在真實情境中具有構建模型的意識和能力，形成系統思維。［1］如何讓高一新生更快地融入高中物理課堂？如何在教師引導學生學習教材內容時，能更有效掌握物理概念、規律、研究方法，逐步形成物理科學思維？本文將從如何加強物理力學模型建構進行分析，深化物理學科核心素養內涵的理解，凸顯培養學生構建物理模型的能力在初高中物理銜接中的重要性。

一、初識初中物理模型

（一）問卷調查發現問題

為了了解初中生與高中生的物理模型建構能力，借助“問卷星”平臺，分別設計了15 個與物理模型相關的問題。面向大田縣三所學校的初中生和高中學生，采用隨機抽樣的方法做了“物理模型建構”這一學科核心素養認識的問卷調查。筆者對310 名初中生和159 名高中學生問卷調查的數據分別進行了研究分析，部分統計結果如下：

表1 310 名初中生認為“下列選項屬于物理模型”的比例

表2 159 名高中生認為“下列選項屬于物理模型”的比例

通過以上的數據分析，有大部分初中和高中的學生沒有將所有選項都歸為“物理模型”。說明學生在學習物理的過程中，沒有關注物理模型的建構過程，忽略了對物理概念及規律本質的理解。

（二）認識物理模型

高一物理的銜接教學中，教師可以通過導學案讓學生回顧初中所學的物理模型，并初步比較初中、高中物理模型研究的不同內容。

表3 初中、高中物理模型研究的內容差異比較

以磁感線為例，在物理銜接課堂上，教師可以引導學生借助鐵屑、玻璃板、條形磁鐵再現磁感線模型的建構過程：將鐵屑均勻撒在玻璃板上，再將玻璃板放置在條形磁鐵上方，然后輕輕敲打玻璃板，讓磁化的鐵屑在磁場的作用下重新分布，引導學生觀察重新分布的鐵屑排列圖樣，畫出對應的磁感線圖線。

在電學的銜接課堂上，我們可以引導學生觀察教室的實物電路，將實物電路轉化成可直觀分析的串并聯電路模型。讓學生認識到物理模型是依據實驗或真實的情境，基于所研究的問題，將實際物體或物理過程作為我們的研究對象，經過科學抽象抓住其本質，建立起來的研究客體。教師通過學過的模型讓學生歸納出物理模型的幾個主要特點：

1.客觀性：物理模型的研究對象、物理現象都是實際情境中的現象或者問題

2.抽象性：物理模型是為了簡化運動，便于研究，抓住問題的主要因素，舍棄次要因素，建立的一種理想的抽象客體或過程。

3.實用性：運用物理模型研究的物理規律和結果，可以有效地解決實際的問題。

4.科學性：物理模型是通過大量的觀察和實驗獲得的信息、數據構建的，符合學科本身的科學性。

二、步入高中物理模型

滬科版八年級物理從《簡單的運動》入門，魯科版高中物理必修一教材也通過運動的描述帶領學生走進運動的世界，教師在授課過程中，都要體現建立模型的教學環節。引導學生進一步認識模型的同時，逐步養成建立模型的習慣，培養學生建模的能力。

模型1：質點模型

教材中為了研究籃球的運動軌跡，忽略籃球上各點運動的差異，將籃球視為只有質量，卻不考慮其形狀和大小的點，簡化運動、便于研究。質點模型的建立也為后續的運動學教學建立奠定了基礎，我們可以進一步研究天體運動和微觀粒子在電磁場中的運動。

模型2：自由落體運動模型

抽取牛頓管內部的空氣，引導學生觀察比較牛頓管內部羽毛和鐵片的運動情況，引導學生透過現象看本質，比較分析羽毛和鐵片下落快慢的原因。當玻璃管內接近真空時，羽毛與硬幣幾乎以相同的速度下落，且幾乎同時達到玻璃管的底端。若羽毛在下落過程中只要考慮重力的作用，可以忽略其他因素的影響，我們可以將羽毛由靜止開始下落的直線運動視為“自由落體運動”，其位移公式推導為；速度公式為：v=gt。

模型3：紙帶模型

紙帶穿過電火花打點計時器，打點計時器接通交流電源，按下開關后，發生電火花放電，使紙盤上的墨粉每隔T=0.02S在紙帶上打出墨點。當運動的物體帶動紙帶運動時，紙帶上留下一系列小黑點。紙帶上間隔的小黑點記錄了物體運動過程的時間和位移信息。若物體做勻加速直線運動，根據圖1 的紙帶數據可以求解中間時刻的速度：vn=；任意兩個相鄰的位移差：ΔS=Sn-Sn+1=aT2

圖1

研究單物體或多個物體在連續相等的時間內做勻變速直線運動時，可將其運動視為紙帶模型進行研究。

［例1］在一個底部固定的光滑斜面上，選取位置P點，在P點每隔相同的時間T，靜止釋放一顆小球。在P點連續釋放幾顆相同的小球后，實驗員對著斜面的后半段位置拍下一張相片，如圖2 所示，按比例測得A、B小球的真實距離為SAB，B、C小球的真實距離為SBC，求：

圖2

（1）小球的加速度。

（2）拍攝時B點的瞬時速度。

（3）拍攝時C、D兩球的真實距離。

解析：將多個小球的勻加速直線運動問題，轉化為一個小球的勻加速直線運動問題，借助“紙帶模型”進行分析。

生物傳感器是應用在生物醫學中的一種微電子技術，這種傳感器能對生物物質敏感并將其濃度轉化為電信號進行檢測的儀器。比如葡萄糖傳感器就是檢測生物物質中葡萄糖濃度的設備，它是由S.J.烏普迪克等研發成功第一個生物傳感器?，F在的生物傳感器已具有很高的選擇性，可用于醫療、食品工業等等。

（3）由于相鄰位移差恒定SCD-SBC=SBC-SAB

所以SCD=2SBC-SAB

三、建構物理模型的途徑

學生在學習過程中會充分意識到建立模型是解決好力學問題的關鍵環節，在學習高中物理必修一的過程中，會積累大量的力學模型，例如，輕彈簧、輕桿、“死結與活結”“動桿與定桿”、斜面模型、滑塊板塊、傳送帶等力學模型。對力學問題教學時，教師要合理選擇研究對象，根據問題情境建立力學模型，簡化分析過程。

根據構建物理模型的途徑，針對不同的情境及研究對象，建構模型的方法也大不相同。為了讓學生在分析物理問題時能建構簡單實用的物理模型，教師在教學中要介紹建立物理模型的常規方法。高中階段構建物理模型的一般途徑大致有三種：

（一）實驗歸納法建構物理模型

實驗歸納法：實驗→觀察→建模。通過實驗觀察，定量分析物理規律，建立相關的對象模型或過程模型，例如，紙帶模型、自由落體運動。學好物理，審題是關鍵。要引導學生結合物理情境分析物理規律，通過歸納推理，挖掘題設的隱藏條件，構建條件模型。（見表4）

表4 題目給定的條件與隱含的理想條件模型內涵對照表

（二）類比法建構物理模型

類比聯想法：類比→聯想→建模。某些研究對象的受力情況或運動過程，從本質上具有相似的特征，我們可以通過類比的方法，建構相似的物理模型，例如等效重力場、類平拋運動等。我們研究帶電小球在勻強電場中的運動，由于不能忽略小球重力的作用，所以小球受到恒定的重力與電場力的共同作用，我們可以將這兩種力的作用“合二為一”，建構“復合場”的物理模型，簡化解題思路。類比在重力場的豎直平面的圓周運動，并形象地稱小球所處的復合場為“等效重力場”。

［例2］一個帶電量為+q的小球，被一根長為L的輕質繩，懸掛在豎直平面上O點的正下方，小球處于電場強度為E的勻強電場中。小球至少要獲得多大的初速度，才能做完整的圓周運動？

圖3

拓展：若將該小球置于水平向右的勻強電場中，小球以初速度v0豎直上拋，小球的運動軌跡將是怎樣的呢？

我們可以用類比法建構新的物理模型：

①受力分析，如圖4 的甲圖所示。

圖4

②設合力與豎直方向夾角為θ

③結合力與運動的關系，類比斜拋運動。帶電小球的運動軌跡如圖4 的乙圖，稱之為“類斜拋運動”。

點評：通過類比法構建“等效重力場”的模型，能讓學生舉一反三，將研究豎直平面內的圓周運動和拋體運動的方法，遷移到復合場問題情境中，簡化分析過程。

（三）綜合分析法建構物理模型

綜合分析法：物理情境→綜合分析→建模。面對真實且復雜的物理情境，經過綜合分析后，可以運用割補法、整體隔離法等物理方法，發現問題的本質特征，構建物理模型。

［例3］一位小男孩在離地面高度為H，離豎直墻壁的水平距離為S1的O點。以初速度為v0水平拋出一顆彈性球，小球在M點與墻壁發生彈性碰撞后，反彈落到水平地面上，其運動軌跡如圖5 所示，求：

圖5

（1）小球總共運動的時間，

（2）小球的落地點N距離豎直墻壁的水平距離S2。

解析：小球與墻壁發生彈性碰撞，根據碰撞前后速度大小不變，方向對稱的特點，我們將物理過程進行割補，運動路徑由O→M→N轉化為O1→M→N的完整的平拋運動，小球的運動軌跡如圖6 所示。

圖6

點評：通過“割補法建立物理模型”，我們可以將碰撞后的運動過程，簡化成完整的平拋運動，拓展了學生的思維的同時，簡化了分析過程，減少運算量。

通過初高中的物理教學研究，我們認識到建模方法是科學研究的常用方法，模型思維是一種重要的科學思維，在教學的過程中要重視物理模型的建構。［2］借助物理模型教學可將抽象的物理規律和復雜運動過程，直觀地呈現，簡化了教學思路。模型建構能有效地培養學生的物理思維，促進初高中物理的有效銜接。