理论与实验相结合助力模型建构能力的培养

引言

在物理教学中，力学作为经典物理学的基础，其概念抽象且逻辑性强，学生仅依靠理论推演往往难以形成深刻理解。模型建构能力是物理学科核心素养的重要组成部分，它要求学生能够将实际问题转化为理想模型，并通过实验验证加以修正和完善。传统的力学教学常常将理论讲授与实验操作割裂，导致学生对物理规律的认识停留在纸面阶段。如何通过理论与实验的有机结合，帮助学生在力学学习中建立科学的建模思维，成为当前物理教学改革的重要议题。

一、理论与实验相结合助力高中物理模型建构能力的培养原则

（一）科学性原则

科学性原则要求模型建构教学过程必须符合物理学科本质特征和认知发展规律。在理论层面，教师要确保所建立的力学模型具有严谨的物理基础，如牛顿运动定律、功能关系等核心概念必须准确呈现。模型简化过程要展示合理的科学依据，说明忽略某些因素的物理考量，而非随意取舍。实验设计应当遵循科学探究规范，控制变量、测量数据、分析误差的方法都要体现科学性。在引导学生修正模型时，要培养其尊重实验证据的科学态度，避免为迎合理论而扭曲数据。模型应用环节要强调其适用条件和局限性，如匀速圆周运动模型在分析天体运动时的近似处理。科学性原则还体现在教学逻辑的严密性上，从现象观察到模型建立，再到实验验证，最后回归理论解释，形成一个完整的科学认知闭环。

（二）启发性原则

启发性原则强调通过问题情境激发学生的建模思维，引导其主动探究而非被动接受。教师需要设计富有启发性的问题链，如从 " 为什么羽毛和铁球下落速度不同 " 引出空气阻力因素的影响，进而建立自由落体理想模型。在教学过程中采用苏格拉底式提问，引导学生思考 " 如果忽略摩擦力，物体的运动会发生什么变化 " 等问题，促进其对模型假设的理解。通过对比不同模型的预测结果与实际观察，引发认知冲突，如理想抛体运动轨迹与实际弹道曲线的差异，激发学生完善模型的动机。实验环节要保留适当探索空间，让学生自主设计验证方案，如探究弹簧振子周期与质量的关系时，鼓励提出不同测量方法。

（三）实践性原则

实践性原则突出模型建构与实际应用的紧密结合，强调在做中学的核心理念。在教学实施中，要将抽象的模型与生活实例相联系，如用刹车距离分析建立匀减速直线运动模型的实用价值。实验活动要尽可能采用真实情境，如利用手机传感器测量电梯运动过程中的超重失重现象，建构牛顿第二定律的应用模型。鼓励学生运用建模方法解决实际问题，如设计最优投掷角度使篮球准确入筐，将抛体运动模型转化为实用技能。开展项目式学习活动，如桥梁承重结构设计，需要综合运用多种力学模型进行预测和测试。实践性原则还体现在教学工具的实物化，通过力传感器、运动捕捉系统等现代实验设备，使抽象的模型可视化、可操作化。

二、理论与实验相结合助力高中物理力学模型建构能力的培策略

（一）课程内容的整合策略

课程整合要以人教版教材为蓝本，打破章节界限实现理论推导与实验探究的有机融合。在 " 牛顿运动定律 " 单元，可将传统分开讲授的三大定律与实验验证整合为连贯的学习模块：先通过斜面小车实验定性观察惯性现象，建立牛顿第一定律的直观认识；再用气垫导轨定量探究加速度与力、质量的关系，推导出第二定律的数学表达式；最后借助力传感器开展相互作用力测量实验，验证第三定律的普适性。在 " 机械能守恒 " 主题下，重组教材内容形成探究链条：从过山车模型分析势能转化开始，设计小球轨道实验收集数据，发现能量损失的成因，进而完善理论模型。针对" 动量定理" 这一难点，整合打点计时器实验与理论推导，让学生通过纸带分析获得冲量等于动量变化的直接证据。

（二）教学方法的选择与运用

基于人教版教材特点，应采用多元教学方法促进模型建构能力的发展。在 " 曲线运动 " 教学中，运用情境教学法创设实际问题：结合教材中的自行车转弯案例，引导学生思考向心力的来源，通过自制离心轨道实验观察临界条件，建立匀速圆周运动的动力学模型。针对 " 弹性碰撞 " 这一抽象概念，采用探究式教学：提供不同材质小球搭配光电计时器，让学生自主设计碰撞实验方案，记录数据验证动量守恒，发现动能变化规律，逐步完善碰撞模型。在" 流体阻力 "拓展内容中实施项目式学习：参照人教版 " 课题研究 " 栏目，组织学生分组探究雨滴下落终极速度问题，经历从简化假设、数学建模到实验验证的全过程。

（三）教学评价体系的构建

教学评价要与人教版教学目标相呼应，构建促进模型建构能力发展的多维评估框架。过程性评价应贯穿教学活动始终，如在 " 力的合成与分解 " 实验中，通过观察记录学生如何设计验证方案、处理数据误差、改进实验装置等具体表现。作品评价可应用于 " 平抛运动 "单元，要求学生结合教材例题改编设计斜面上的抛体实验，对其实验报告中的模型建立过程、数据分析和结论推导进行分项评分。在"万有引力定律 " 章节实施表现性评价，设置 " 设计测量地球质量方案" 的挑战任务，评估学生运用模型解决新问题的创新能力。参照人教版 " 科学漫步 " 栏目要求，开展建模成果展示活动，组织学生对" 桥梁承重结构优化" 等项目的模型可靠性进行互评。

结束语

力学模型建构能力的培养是物理教育的重要目标，需要理论分析与实验探究的协同推进。通过精心设计教学环节，让学生在观察现象、提出问题、建立假设、验证结论的过程中逐步掌握建模方法，能够有效提升其科学思维与实践能力。未来教学应进一步优化实验设计，增强数字化工具的应用，使模型建构过程更加直观和高效。这种理论与实践深度融合的教学模式，不仅适用于力学领域，也将为整个物理学科核心素养的培养提供有益借鉴。

参考文献

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[2] 陈启友 . 情境教学法在高中物理教学中的应用——以力学教学为例 [J]. 数理天地 （ 高中版 ），2025，（12）：82-84.

[3] 柴洁云 . 理论与实验相结合助力模型建构能力的培养[D]. 上海师范大学 ，2025.