關于物理模型在高中物理教學中的討論

　　傳統教育在許多方面抹殺了學生的主觀能動性和創造性，在教學過程中以教師向學生的知識灌輸為中心，遵從“知識輸入→知識儲存→知識提取”這一不變主旋律，把學生僅僅看做是知識的儲存器。學生的主動性、創造性得不到充分的發展，反而受到壓抑。現在大力提倡創新教育，就要求教師轉變教育觀念，緊緊抓住以學生為主體這一教學特征，讓學生學會思維，掌握處理實際問題的方法，培養學生分析問題、解決問題的能力，而不僅僅是讓學生學習必要的物理基礎知識。
　　在物理教學中的教學方法很多，而物理模型教學法可以說是其中很重要的一種方法。縱觀物理學的發展史，模型方法在物理學的產生發展過程中發揮了重大的作用。物理學的發展史可以說是一個建立物理模型和用新的物理模型代替舊的物理模型的過程。物理學中的概念、規律和公式等幾乎都是借助于物理模型進行抽象概括而來的。可以說，不了解和不掌握物理模型的方法，就學不好物理。
　　建立正確鮮明的物理模型本身就是重要的物理內容之一，它與相應的物理概念、規律現象相依托，它是物理教學的重要方法和有力的手段之一。同時了解物理模型的遷移和轉化，對于物理邏輯的培養和學習能力的提高具有深遠的影響，所以我們應充分重視物理教學中的物理模型教學法的作用。
　　下面，我們就針對在高中物理教學過程中出現的模型問題從三個方面進行討論。
　　一、利用物理模型強化對物理知識的理解
　　在高中物理的學習中有很多容易混淆的概念和規律，我們如何區分這些知識對與我們理解和運用物理規律解決實際問題就有重要的指導作用。這里就針對力學的中的幾種容易混淆的概念模型進行比較。
　　學生通過比較，可以很清晰地區分這些相接近的概念間的差異，在解決問題中有了明確的方向，提高了學習效率。
　　二、利用典型物理模型促進物理知識的學習
　　在高中物理學習中，單擺是一個非常典型的物理模型。學習、理解、運用單擺這一模型對于我們學習簡諧振動有很重要的意義。現在，我們就來具體討論這個問題。
　　1.典型物理模型的學習
　　在教學中設計對比實驗，觀察并分析實驗現象，逐步建立模型。
　　先讓學生觀察下列對比實驗：
　　（1）兩個質量不同，但擺長振幅相同的單擺振動。
　　（2）兩個擺長相同，但振幅不同（擺角都小于5度）的單擺的振動。
　　（3）兩個擺長不同的單擺的振動。
　　通過這一組演示實驗激發學生學習探究興趣，形成對單擺這一理想模型的初步認識。進而展開對物理現象的分析：
　　（1）實驗器材：輕質繩（不可伸長）、小重球（密度大）；
　　（2）實驗的條件：小擺角（小于5度）；
　　（3）實驗的結論：等時性（來回擺一次時間相等）。
　　深入分析（運用抽象、近似等方法）可以得出單擺周期T=2π。經過分析使單擺模型的物理表面與本質特征統一起來。
　　2.典型物理模型的遷移
　　在物理學習中，不僅要學習一些典型的物理模型，而且要鞏固發展物理模型，將其放在一個更復雜的新環境中去加以應用，促進物理學習能力的提升。舉例說明：
　　豎直平面內有一半徑為R的光滑圓弧軌道，a、b兩小球分別置于軌道圓心O點和離軌道底A點很近的B點處，如圖1所示，將它們同時由靜止釋放，忽略空氣阻力，問誰先到達A點？（此題求解的關鍵是對兩小球建立物理模型。）
　　分析如下：
　　首先，“小球”是一模糊語言，但從題目分析來看，可將球a、b大小忽略，抽象為質點模型。
　　其次，由“靜止釋放”、“忽略空氣阻力”、“A點很近的b點處”、“光滑軌道”等描述。可將a球運動轉化為自由落體運動模型，而b球的運動轉化為單擺模型（聯想到光滑軌道對小球b支持力N相當于單擺運動過程中擺線對擺球的拉力）如圖2所示。
　　最后，對兩小球分別運用自由落體運動規律和簡諧運動規律進行求解。
　　對典型物理模型的學習和遷移可以使我們在解決問題時能夠迅速抓住問題的核心，對于我們學習物理有很大的幫助。
　　三、利用重要物理模型提高物理知識的學習能力
　　在高中物理學習的過程中，有許多重要的物理模型是我們在學習物理知識的過程中應及時總結并加以應用，這就要求我們在教學過程中有意識地對重要模型加以分析和歸納。
　　下面我們來討論在高中階段對學生解決問題有重要幫助作用的柱體微元模型。學生從單個質點牛頓力學的學習，到連續介質（流體、電荷等）問題的求解過程中，研究的對象從一個質點躍遷到無數質點組成的連續介質，也要求學生解決問題時的思維上升一個臺階，通過運用微元柱體這一物理模型可以突破這類學生感到困難的問題。
　　1.質量柱體微元模型
　　對于速度為v定向流動的密度為ρ的連續流體，可在v方向選取一橫截面積為S的柱體微元，則在Δt時間內通過S截面的流體質量即為以vΔt為高、以S為底的柱體微元的質量，如圖3所示。柱體微元質量表達式為：Δm=ρSvΔt。
　　舉例說明：
　　人的心臟每跳一次大約輸送8×1的血液，正常人血壓（可看作心臟壓送血液的壓強）的平均值約為1.5×10Pa，心跳約每分鐘70次。據此估測心臟的平均功率約為多少瓦？
　　分析如下：
　　對該問題的解決不能只停留在原有的情景上，而應將問題轉換成我們熟悉的問題來解決，即通過認真讀題后，把實際問題加工改造成相關的物理模型來處理。如圖3所示，將心臟每跳動一次輸送的那部分血液視為一長為L，橫截面積為S的液柱。血液柱受到心臟的推力為F，每次心臟推動液柱前進的位移為L。由壓強公式P=FS可知，心臟每跳動一次，推動血液做的功為：Ｗ=FL=PSL=PV其中V為心臟跳動一次輸送血液的體積。因心臟每分鐘跳動n=70次，故心臟的平均功率應為：P=nW/t=70W/t=1.4W。
　　2.電荷柱體微元模型
　　類似于質量柱體微元的建立，對于速度v定向連續移動的電荷（導體中傳導電流或真空中電流），也可以在v方向選取一橫截面積為S的柱體微元，則Δt時間內通過S截面的電量即為以vΔt為高、S為底面積的柱體微元中的電荷的電量。柱體微元電荷表達式為：
　　ΔQ=NeSvΔt。其中N為單位體積中的自由電子數，e為電子電量。
　　舉例說明：
　　設導線橫截面積為S，其中單位體積內的自由電子數為N。在電壓作用下，自由電子定向移動速度為v。試求導線中的電流強度。
　　分析如下：
　　在Δt時間內取一段長vΔt的導線為研究對象，則在Δt時間內流過S截面的電為ΔQ=NeSvΔt由電流強度定義I=ΔQ/Δt及上式得：I=NeSv，此式即為電流強度的微觀表式。
　　對于重要的物理模型，我們在教學過程中要讓學生理解透徹，同時逐漸學會將實際問題轉化為物理模型的本領，從而提高學習能力。
　　在高中物理教學中運用物理模型教學法，對于學生學習物理知識具有很大的指導作用，具體體現在以下幾個方面。
　　（1）有利于學生形成清晰的物理概念。物理概念是反映物理現象和過程的本質屬性的思維形式，是物理事實的抽象，這不僅是物理基礎理論知識的一個重要組成部分，而且是構成物理規律和公式的理論基礎，物理概念中有相當一部分是以模型的形式出現（概念模型）。它們是物理現象和事實抽象出來的，用來表征物質屬性和描述物質運動狀態的。學生對物理模型這個科學方法的精髓是否領會，直接影響他對有關概念的理解、掌握和運用，影響對物理知識整個大廈的構建，因為概念是構建這個大廈的基石。
　　（2）有利學生對物理規律的正確理解。物理規律是物理知識的骨架，是物理學的核心的內容。物理學中所總結出的反映運動變化的規律實質上就是物理模型的運動變化規律，從研究的主體對象到研究的過程無不體現模型觀點和方法。物理規律的教學過程實質上是幫助學生學習物理模型，運用物理模型，有助于學生對物理規律的深刻理解，有利于學生對物理意義領會，準確把握物理規律的成立條件和適用范圍。
　　（3）有利于學生解決實際問題。每一個具體的物理問題所描述的物理現象或過程都對應著一定的物理模型，要解決問題必須要對對象進行抽象簡化和近似處理，以建立起一個合適的物理模型，若模型建立起來了，就等于已經揭開了掩蓋著物理現象和過程本質的面紗，必要時再用等效、類比等方法將問題進行異形處理（異化構建模型），問題就迎刃而解了。
　　在當前教育界把培養學生的創新能力和實踐能力作為素質教育主旋律的大背景下，以及國外物理教育改革的方向，我國的物理教學也將更多地面向科學、技術和社會。因此，在中學物理的教學中要有意識地向學生滲透和灌輸物理模型的思想，培養學生的學習和掌握物理模型的能力。這不僅是學好物理書本知識的客觀需要，而且是素質教育的必然走向。
　　注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文