《学科论文写作》课程作业

《学科论文写作》课程作业（综述论文）

基于深度学习的物理模型解题研究概述

学 院： 人工智能学院

专 业：

年 级：

姓 名：

学 号：

教师及职称： 邱学云 副教授

2022年4月

《学科论文写作》课程作业（综述论文）评分表

基于深度学习的物理模型解题研究

——以初中物理“浮力”为例

摘要：基于深度学习理念和物理模型建构理论研究学生常见的现象有利于激发学生的深度学习与思考。通过密度计构建漂浮模型，帮助学生领悟漂浮现象背后的物理规律，进一步发现解决较复杂问题的思想方法，在逐步深入问题的解决过程中，让学生感受到物理学科学习的乐趣，促进学生深度学习。

关键词：初中物理；物理模型；浮力；深度学习

在中学物理学习过程中，基于深度学习构建合适的物理模型，可以把复杂的问题简化，帮助学生对相关问题进行归纳总结，从而形成基于理解的学习内容，更好地促进学生展开学科深度学习，有利于提升学生的学科素养。

1 深度学习概念

深度学习的概念源于人工神经网络的研究，随着教育科学水平的发展，众多学者将深度学习提炼为教育理论，应用于众多学科的学习，与深度教学相辅相成。所谓“深度学习”是指学生在真实情境中，在教师的引导下，学生全身心投入，自觉将新知识融入原有的认知结构之中，建构有效联系，运用科学方法、常规思维、跨学科知识等对某一具有挑战性问题进行研究，将已有的知识迁移到新的情境之中，做出相应决策和解决对应问题的学习[1]，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度、正确的价值观，进而解决实际问题，从而发展学生的批判性思维、科学创新意识、团结合作等的认知实践。郭华教授在《深度学习及其意义》[2]一文中提到，深度学习的特征包括5方面——联想与结构、活动与体验、本质与变质、迁移与应用、价值与评价。

2 物理模型理论

2.1 物理模型的概念

物理模型可以被当作一种科学的思维方式，即在研究或学习物理的过程中，通过假设、类比以及等效的方法，抓住研究内容的主干，同时舍弃次要、无关因素，进而建立起能够反映事物本质特点或运动变化规律的简洁抽象化模型，随后采取一系列科学的方法对已有模型进行检验，以便运用模型去描述物理现象并解决实际问题。

2.2 物理模型的分类

物理模型按照分类手段和标准的不同，其分类方式也不尽相同。到目前为止，对物理模型的分类尚未有明确统一的准则。按照所反映的内容对物理模型进行分类，则可将物理模型分为以下七类，分别是对象模型、过程模型、状态模型、条件模型、空间模型、关联模型和对称模型[3]。按照性质和过程对物理模型进行分类，则可以将物理模型分为以下三类，分别是条件模型、对象模型和过程模型。

2.3 物理模型的特点

物理模型的建立过程不仅是科学思维对物理现象或情境的具体反映，更是抽象逻辑思维与类比形象思维共同作用的结果[4]。物理模型不但能简明扼要的揭示物理现象的本质特点和运动变化的基本规律，在一定程度内，物理模型还能够简洁明了地体现物理问题。自然界是和谐与美的象征，而物理作为一门自然基础学科，正是以自然界中的现象和规律为研究重点，因此，物理模型也具有美学性这一特征。

3 建立物理模型解决问题

教学中发现，学生形成学习困惑的原因，除了知识掌握的熟练程度不够之外，主要是对知识背后的规律、思想方法没有很好的领悟，运用所学知识时，停留在简单的“就题论题”机械思维中。实际上，教材关于物体浮沉条件的应用部分，为浮力及相关知识的综合应用提供了一种仪器———密度计［5］，借助它的原理及使用情况，可以据此构建重要的物理模型并逐步将知识拓展并引向深入。当然，这一过程需要教师在教学中进行有效的示范和引导。

浮力知识是初中物理综合性较强的内容，特别是浮沉问题中的“漂浮”现象，有时会牵涉多个力的分析，对学生解决问题的能力要求较高，是浮力教学的重点。义务教育物理课程标准中也明确指出:要运用物体的浮沉条件说明生产、生活中的一些现象［6］。

3.1 利用熟悉的原型构建物理模型，完成基础知识的归纳提升

对初中生来说，物理模型的构建应从学生常见的现象或可观察、可操作的器材出发，结合基础知识的运用逐步形成。密度计的教学过程，在展示密度计的实物及使用过程之后，要引导学生思考并讨论核心问题:密度计是怎样测出液体密度的？学生利用阿基米德原理及漂浮时的平衡状态，易得:F浮=G排=ρ液V排g及F浮=G物，显然，同一个密度计因重力不变，其在不同液体中所受浮力都与自身重力相同保持不变，即在不同液体中，ρ液、V排、g三者的乘积相同，当密度计浸入液体体积(V排)越大，液体密度越小，反之则越大。这里要与学生一起展开详细的分析，旨在从直观的实物具象过渡到代表普遍存在的漂浮现象模型。因此，要提醒学生明确“漂浮”这一类现象的背后的规律，让密度计不仅仅是教材中呈现的一种仪器，更是解决漂浮问题的物理模型，这样就放大了学生的知识背景，归纳了学生的所学，但知识的重心仍然是源于教材、需要掌握的基础知识。

向学生强调密度计可看作解决漂浮问题的模型，实际上是一种显性的科学方法教育，其着眼于学生科学素养的形成，植根于方法教育的确定，落脚于学生科学方法的掌握，在实践上是可行的科学方法教育方式［7］。

3.2 从建构模型到解决一般问题，逐步打开学生的思维疆界

“密度计模型”要内化为学生的认知图式，离不开对一般现象的解决和分析。下面以两道常见浮力问题说明该模型对学生思维方式的引领作用。

例1 如图1所示，由于全球变暖，使两极地区冰雪不断熔化，我国北极科考队在某海域设置浮标以监测水文变化。监测发现，夏季海水密度比冬季明显变小。从夏季到冬季的过程中，若不考虑浮标体积的变化，则()。

A.浮标所受浮力变大，露出海面体积变大

B.浮标所受浮力变小，露出海面体积变小

C.浮标所受浮力不变，露出海面体积变大

D.浮标所受浮力不变，露出海面体积变小

图1浮标体积图

对于例题1，学生通过对所构建模型的理解，比较容易判断浮标和密度计在水中的漂浮情况相同，即:浮标在海水中所受浮力始终保持不变，在夏季时因海水密度变小，排开液体的体积增大，因而露出海面的部分会减少，冬季情况正好相反。

例2 如图2所示，三个完全相同的玻璃缸装满了水，其中(a)中只有水，(b)水中漂浮着一只小鸭子，(c)水中漂浮着一只大鸭子．若把三个缸放到台秤上称量，可知它们的质量( )。

A．(a) 最大

B． (b) 最大

C． (c) 最大

D． 一样大

图2 玻璃缸鸭子图

这是两道关于漂浮现象的基本题型。在例题2中，尽管题意创设的情景与例1不同，但解决问题的关键点是相通的，学生只需根据密度计模型明确(b)或(c)排开的水重(浮力)各与其自身的重力相同，就不难得出“鸭子”代替了“排掉的水”并与(a)相同的结论。类似的问题繁多，但物理模型能很好地帮助学生形成基于理解的图式，不需要通过大量练习就可以突破知识运用的障碍，为学生解决常见问题形成思路、方法打下基础。

3.3 透过一般问题解决综合问题，在知识的迁移中促进深度学习

学生深入解决物理问题过程并不只是单纯的知识训练，而是引导学生经历思维的转化，也就是经历从“读取题目、描述情景、分析过程、建立模型、选择规律、建立方程、数学推演”到“问题解决、总结反思”的解决问题的实际过程，有助于加强学生的物理思维训练、养成物理观念、不断提高学生的物理核心素养，并最终形成固化的解决物理问题的能力，达到很“会做题目”［8］的深度学习目标。下面的例题因其包含的信息量大、知识点多，学生分析时多感觉非常困难，很多学生遇到这类问题避之不及。

例3 如图3所示，容器中装有一定质量的水，先后按甲、乙两种方式使物体A和小玻璃杯漂浮在水面上(图中细线重力及体积均不计)。设甲、乙两图中物体A和小玻璃杯共同受到的浮力分别为F甲和F乙，水对容器底的压强分别为p甲和p乙，则( )。

A.F甲＜F乙p甲=p乙

B.F甲=F乙p甲=p乙

C.F甲=F乙p甲＜p乙

D.F甲＞F乙p甲＞p乙

图3 容器中玻璃杯与物块A漂浮图

在本题中，由于两物体在水中的位置发生变换，从形式上非常容易干扰学生的思路。但通过分析，很快就可以形成基于“密度计模型”的思考方向：两物体无论如何颠倒，它们在水中始终处于漂浮状态，其浮力与排开液体的体积没有改变，容器中液体的深度保持不变，问题就迎刃而解了。

例4 如图4所示，在底面积为S的圆柱形水槽底部有一个金属球，圆柱型的烧杯漂浮在水面上，此时烧杯底受到水的压力为F1，若把金属球从水中捞出放在烧杯里使其底部保持水平漂浮在水中，此时烧杯底受到水的压力为F2，水的密度为ρ水。当金属球捞起放入烧杯后，求烧杯排开水的体积变化。

图4 烧杯、金属球在水中

该题所创设的情景中，金属球从沉在杯底到放入烧杯，将不同物体的下沉、飘浮综合在一起，学生分析时受次要信息影响，考虑多较为复杂，形成思维阻塞。教师在引导学生分析这类问题时，应让学生尝试透过现象看到问题的实质：烧杯在球放入的前后，都处于漂浮状态，其浮力大小分别等于其自身的重力。当球放入烧杯时，此时浮力与总重力(烧杯与球重力之和)相同，放球前后两次浮力的变化，正是烧杯排开水的体积变化原因。根据浮力是由液体的压力差引起，通过两次杯底受到的压力情况容易求出浮力的变化，相应的体积变化就可以解决。

4 结 语

基于深度学习构建物理模型来解决问题，能够加强学生对知识点的理解，促进学生批判性的学习，并能够将已有的知识迁移到新的情境中，并对此却作出决策和解决问题。在教学中教师要引导学生对新知识进行联想，帮助学生构建物理模型，这样才能够积极的促进学生深度学习。

致谢:本论文得到邱学云老师的指导，谨致谢意。

参考文献:

[1]徐宏武.深度教学和深度学习理念下的课堂实践——以初中科学“蒸发”教学为例[J].物理教师，2018，39(08):-35-42.

[2]郭华.深度学习及其意义[J].课程.教材.教法，2016，36(11):25-32.

[3]樊国强.核心素养下高中物理深度学习指导策略探究[J].试题与研究,2021(36):51-52.

[4]王艺朦,陈晓陆,刘青华.基于物理建模的高中物理教学设计策略研究——以“高空抛物”问题教学为例[J].中学物理教学参考,2021,50(33):4-6.

[5]义务教育物理课程标准实验教科书编写组.八年级物理[M].上海:上海科学技术出版社，2012:179.

[6]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[M].北京:北京师范大学出版社，2012.

[7]邢红军.初中物理科学方法教育[M].北京:中国科学技术出版社，2015.

[8]黄永顺.加强习题教学研究，培养学生物理思维[J].物理教学，2018，40(02):53－56.

收稿日期: 2021-05-07

作者简介: 陈 （1998-）女，汉族，云南临沧人，文山学院人工智能学院2018级物理学专业学生。联系方式: 电话: ；E-mail: ; QQ：

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