何青

(江苏省仪征中学，江苏 仪征 211400)

0 引言

《普通高中物理课程标准》中提出，学生应具有“建构模型的意识和能力”。模型是对物理现象的模仿和抽象，体现了各因素之间的关系，融入了人们对事物本质与客观规律的认识。情境模型是指以情境化的方式呈现的科学模型，包括“图解模型”和“实验模型”，其共有特点是直观性强，便于教学。在高中物理力学模块的教学中，情境模型常用于展现力与力之间的关系，将影响物体状态的各项因素展示出来，是重要的思维工具。本文拟结合教学实践经验，探索如何在高中物理力学教学中运用情境模型。

1 在概念教学中应用情境模型

情境模型将物体转换为质点，展示物体的受力状态，能够帮助学生更准确地理解力学模块中的概念。物理概念来源于生活中的现象，情境模型将生活现象进行抽象，能够让学生对其形成结构化的认识。例如，在高一上册有关“合力”和“分力”这两个概念中，课本中使用两个图展示这两个概念。一幅图显示了向左右两个方向提水，和单独向上提水的情境；另一幅显示了用两根线在左右分别悬挂吊灯，和一根线单独向上悬挂吊灯的情境。在两幅图中，用F1、F2、F来表示不同方向的力。教材通过这两个情境，直观地说明什么是合力和分力，并展示了两个概念之间的关系。这两幅图就是最基本的情境模型。在教学中，可以先由教师描述一个情境模型，然后讲解概念，再让学生描述另一个模型，学生在描述的过程中会运用概念进行思考。通过这种方式，让学生既知其然又知其所以然，高效建构概念，同时学会解读情境模型的方法。同时在构造情境模型场景的时候，又把物理上“等效替代”这一种最基本的研究分析方法潜移默化的教给学生。

2 在实验探究中应用情境模型

实验探究是物理教学中至关重要的学习活动，实验探究与情境模型是不可分离的。力学领域中要探究的事物有一定复杂性，在生活中很难找到可以直接观察和分析的对象，因此通常要对现实生活中的“情境”进行提炼，使之转换为“实验模型”，再加以研究。在开展实验探究教学时，教师既要关注本活动的具体目标，又要以活动提升学生对建模思想的理解能力。最典型的是伽利略在研究自由落体运动时用的铜轨实验和在研究牛顿第一定律时抽象出来的光滑斜槽理想试验。

铜轨实验是为了淡化重力作用，所以对有无摩擦不做要求。但是研究牛顿第一定律的惯性时必须要求在光滑无摩擦的斜槽上来进行实验，当时不具备这一条件，所以只能在理论上成立，所以这一情境必须建立在光滑无摩擦的前提下。这就是不同的研究对象就有不同的情境。

2.1 学生自主创设情境模型

情境模型具备逻辑上的严密性，而且能够以实物材料显示出来，按预定的目标进行机械运动，是保障实验有效性的前提。实验探究中最考验思维和动手能力的环节，就是模型建构环节。当正确构建情境模型后，整个实验活动就成功了一大半。教师应重视此环节的教育作用，引导学生自主创设情境模型。[1]

以高一“探究加速度与力、质量的关系”实验为例，师生先通过交流明确本节实验要达到的实验目的是什么。然后，师生再共同读课本，探讨如何将测量的拉力用所挂重物的重力来替代，这就需要让所挂重物的重力远小于小车重力。这是这个实验能成立的第一个情境。另外小车和轨道之间有摩擦，用抬高轨道来补偿摩擦力，这是第二个情境。完成对实验的思考和设计后，教师让学生在四人小组内展开合作，共同构建模型。教师引导学生按三个步骤搭构建模型：第一步，组装轨道、打点计时器、木块、小车、纸带，形成实验的基本条件；第二步，调整木板倾斜度，让实验条件达到能够让小车拖动纸带匀速运动的状态，以此确定已经平衡好摩擦力；第三步，准备好小车牵引装置，预备多个不同质量的钩码，进行多次实验。通过这种方式，在师生交流和小组合作之间，构建了用于实验探究的情境模型。学生了解了如何根据探究目标来创设情境模型，并以适宜的实物材料将其外化，使其成为一种实验模型。

2.2 从情境模型中获取数据

创建情境模型后，实验者要开展有计划的操作、观察、记录、分析，直至获取结论。整个过程的重点是要从模型中获取数据，然后根据数据探究变量之间的关系。[2]完成了前期的任务后，学生在具体开展实验时，思路会变得很清晰。教师可以让学生来说一说如何将实验分组，怎样控制变量。然后再给学生提供记录表，由学生分别记录在两种情况下，拉力F、加速度a 和质量m 的数值。在每次记录之前，学生要操作实验、集体观察，在记录加速度时还涉及实验数据的处理，在此教给学生逐差法求加速度可以减少实验误差，还有图像法分析三者之间的关系。完成实验后，师生再共同分析数据，明确变量之间的关系。通过对情境模型的探究，得出“物体加速度的大小跟它受到作用力成正比，跟它的质量成反比”的结论。这样得到的知识是学生自主观察和思考的结果，将真正内化为学生知识结构的一部分，并且可以让学生在“过程与方法”层次上得到提升。通过自主创建、操作和分析模型，学生将了解建模对于物理学习与研究的重要性。实验模型是情境模型中的重要类型，它集中体现了物理学科的精髓。教师要重视实验教学，让学生在对实物模型的探究中动手动脑，多维提升。我们在进行实验教学的时候首先要以课本上的实验模型为主要分析模型，其次在教学过程中必须要有所创新，创新的前提就是模型的变更，不同的模型最后能达成相同的实验目的，当然不同的模型可能处理数据的方法和误差分析的结果会有所不同，但是通过不同的模型来进行实验的探究和验证，不正符合学生对未知事物的认知规律，更适合学生接受新知识，也正是我们物理实验教学的最终目标。

3 解题教学中应用情境模型

情境模型化繁为简、化抽象为直观的特点，在解题教学中能够得到充分显示。力学的习题都描述了问题情境，情境模型可以图解形式展示已知条件，为分析和解决问题提供便利。习题专为锻炼学生的思维能力而设，在此模块中应用情境模型，能够让学生更深刻地体会情境模型对于提升思维效率的价值。教师要做到精练精讲、有效导学，以此提升学生的建模意识与能力。

3.1 根据问题情境，完善力学模型

在高中物理习题中，有许多已经给出了初始的模型。师生可以一起解读模型意义，并根据力学知识进一步完善模型，以帮助学生分析问题，以下题为例。

如图1 所示，两杆相距4m，一根长为5m 的细绳分别系在两杆的A 和B 两点上。在线绳上有一个光滑的轻质挂钩，挂着重为12N 的物体。当处于平衡状态时，求绳中张力的大小？

图1 习题示例图

对这个习题，教师提出：“这是典型的‘三力平衡模型’。” 然后让学生结合力的分解和共力点平衡的有关知识，说说在情境模型中，三个方向的力如何达到平衡。绝大多数学生能够指出“物体在上方两个方向力的合力等于重力”，教师提示学生注意情境中的绳子是同一条绳子，因此物体在上方两个方向的力也相等，再提出：“请尝试根据平行四边形定则，画出力的合成模型。”教师再点击多媒体，显示力的合成模型，将矢量的交点标注为点G，然后运用有关三角函数的知识，解得T=10，运用有关AB 点距离和细绳长度的数据，解得sina=4，T=10。添加各种符号、辅助线后的图像如图2 所示。

图2 添加各种符号、辅助线后的图像

在本题中，虽然基本的模型已给出，但是原本的模型只是对事物的简单模仿，还不是探究性的模型。通过完善原始模型，将平衡状态下物体所受的力清晰显示出来，则使之成为真正的力学情境模型，能够为思维提供支架。在教学中要多开展这类训练，让学生学会从力学的角度来看问题。

3.2 依据题中描述，创建情境模型

力学模块中的习题往往来源于生活，反映生活中物体受力的场景。其中一些习题并未给出情境图，教师可以引导学生依据题中描述创建情境模型求解，以下题为例。

如果民航客机发生意外紧急着陆，会在紧急出口处生成一条气囊斜面连接地面。现在一架客机的紧急出口下沿距地面3.2 米，气囊斜面长度是6.5 米，质量60 千克的一名乘客沿气囊下滑时受240 牛的阻力。求当该乘客滑至气囊底端时的速度。（g取10m/s2）

本题并没有直接给出模型，根据题中描述，问题的本质是要分析人在一个斜面下滑时的受力和运动情况，可以将人抽象为一个质点。教师可在课中引导学生先画出下滑时的受力情况。然后，为了观察和分析方便，进一步设x、y轴方向的力，创建的情境模型如图3 所示。

图3 创建的情境模型

创设以上情境模型，排除了一些具体信息的干扰，能够让学生关注关键信息，高效地运用理性思维。[3]师生共同分析情境，发现在y 轴没有发生运动，因此F=Fx=Gx-F 阻=Gsinθ-F 阻,==0.92m/s2。再设滑至底端的速度为v，初速度为v0,由v2-v02=2a×6.5，v=3.46m/s。在本题的练习中，情境模型是自主创建的结果，建模的意识和能力则来自于平时知识学习中的积淀，要求学生对问题的实质有敏锐的分析力，然后将生活情境转换为力学情境。本题可以进一步的拓展，当物体从斜面上滑下到达底端时，在底端水平铺上动摩擦因素为0.5 的地毯，求最后小滑块还能向前滑多远？还要求出小滑块从开始到最后停止所用时间为多少？还可以在距离斜面底端水平1m 处放另一个质量相同的滑块，让它们发生碰撞，可以分析两种特殊情况，一为弹性碰撞，最后交换速度；二为完全非弹性碰撞最后两者合二为一。这些都是建立在最基本的实物情境模型上，让学生能从题目中看到生活中的物理，物理来源于生活也可以改变生活，从而激发学生学习物理的兴趣。

3.3 基于相近情境，开展变式练习

力学模块中有许多常见的情境，如果条件略微变更，就能够转换成另一种力学情境，显示不同的受力情况。在教学中要注重举一反三，触类旁通，针对一种情境模型即时延伸，开展变式练习，以培养学生灵活的思维，以下题为例。

轻杆OB 的B 点连接在墙上，可以绕B 点转动。质量为m 千克的物体用细绳AC 悬挂在O 点上，点A固定。在平衡状态时，AO 与水平方向的夹角是30°，求OB 轻杆受弹力的大小？

对以上例题画出的力学情境模型如图4 所示，因为OB 是转轴杆，所以要受到一个沿水平方向的力N1，FN1=，再由牛顿第三定律可得，OB 受到的弹力也是。学生熟悉本题后，教师对题中的情境进行微调，将OB 由转轴杆改为顶端装有小滑轮的固定杆，其他条件不变，要求轻杆对滑轮的作用力。针对变式题型，画出力学情境模型如图5 所示。当条件改变时，O 点变成为了滑轮中心，这时杆所受弹力不一定是沿AB 方向。根据平行四边形定则，可知OB 所受的弹力=F2=mg.本次教学，让学生认识了“轻杆模型”中的两种变式，在比较分析中提升了学生思维的精度。从而在此也提出物理上的“死结”和“活结”的区别，这也是力学的一个基本模型。例外对图4 可以进行进一步拓展，如果将图4 上面的绳子如果换成杆子其结果如何？让学生分析这种模型跟原题的区别，最后得出，上面无论是绳子还是杆子它们起的作用都是拉的作用，两者受力分析是完全一样的，虽然模型不一样，但是结果却是相同的，这就是万变不离其宗。

图4 力学情境模型

图5 力学情境模型

将情境模型运用于力学教学中符合物理学习的基本规律，能够提高本模块教学的效率，让学生在知识、思维、方法等角度得到多方面的提升。教师要在概念分析、实验探究及解题教学模块巧用情境模型，以提升学生的物理学科素养。