中學物理模型思維能力培養

王雯鈺　王永成

隨著教育的改革，尤其在物理這門應用較強的學科中，學生的創造性思維能力越來越受到重視.而在中學物理知識中物理模型具有關鍵性作用，對于分析和理解物理知識，培養學生的創造性思維能力有重要作用.因此，本文主要從物理模型思維方式在教學中的地位、物理模型思維能力的培養以及指導學生在解決實際問題中如何建立物理模型三個方面進行論述.

1物理模型思維方式在教學中的地位

學生進入初中階段，增添了物理這門新的課程，這個階段需要他們對物理學科的學習方法和思維方式盡快地適應.在認知模式上，要求他們實現從原有的數學運算模式轉變為模型運算模式的目標，主要是指學生在觀察、分析后能進行歸納推理、演繹推理完成對物理模型的構建，它的主要目的是輔助學生建立物理模型.而運用構建物理模型這種思維方式來解決物理問題，則是因為它在物理教學中具有的特殊地位，主要體現在以下幾個方面：

1.1有利于學生形成清晰的物理概念

物理概念是學習物理的基礎，類似于大廈的基石.物理概念的某種呈現形式是以概念模型的方式出現，簡單的來說，就是物理事實中的現象抽象出來的，用來表示物質屬性和體現物質運動狀態的.所以，物理模型的建立與否直接影響了學生對相關概念的理解、掌握和應用.

1.2有利于學生正確理解物理規律

物理規律是學習物理的“骨骼”，具有支撐的作用，是物理學的重要內容.實際上就是通過幫助學生建立物理模型，以及在建立模型的過程中理解物理規律的形成，這樣做的優點就是學生對物理規律有了深刻的理解，并且在建構物理規律時實施有意義的建構，使學生掌握物理規律的成立條件和適用范圍.

1.3有利于幫助學生解決實際問題

描述物理現象或過程的實際問題都對應著一個或多個的物理模型，所以解決實際問題的根本就是將物理模型的設計思想及分析研究思路教給學生，以便學生在面對較復雜物理問題時不會束手無策，能夠進行具體問題具體分析，從而區別主次抓住本質特征，以建立起一個合適的物理模型.而物理模型建立起來，問題就已解決過半，接下來再用等效、類比等方法對問題進行處理，就可以解決問題了.

2物理模型思維能力的培養

偉大科學家門基列夫曾說：“沒有加倍的勤奮，就既沒有才能，也沒有天才.”所以，要想在平常的解題過程中熟練地運用模型法解決實際問題，關鍵是是否能夠掌握建立物理模型的方法.因此，物理模型思維能力的培養就尤為重要.

2.1鼓勵學生發現生活中的物理模型

物理學是一門應用型科學.只有善于發現才能學好物理這門學科，可以說物理離不開生活.尤其在近幾年為了響應“從生活走進物理，從物理走向社會”的新課程理念，越來越多的與實際生產、生活相聯系的題目出現在物理習題中.所以要盡可能地發現生活實踐中的物理模型，在教學過程中培養學生物理模型思維能力，幫助學生更好地理解和掌握知識，并學以致用.

在學到“聲音的產生與傳播”時，我們可用“水波紋模型”去模擬：把一塊石子投入平靜的水面中，水面會作上下起伏運動，類似于振動；我們還可以看到以石子為圓心高低起伏的波浪，而且每圈水波的起伏有先有后，可以看到水波在“前進”，從而使學生確信，振動的傳播是以波的形式.因此要鼓勵學生發現生活中的物理模型，從而達到在教學中應用、促進學生對知識的理解和掌握的目的，進而培養和訓練學生的物理模型思維.

類似地在生活中乘坐電梯可以感受到超重失重；在走路的過程中感受摩擦力的方向；手拍桌子時感受彈力的方向等等.

2.2在教學中運用物理模型發揮想象力和物理抽象能力

例如，物理學的學習與探究過程都闡述了，從宏觀世界到微觀世界，以及大到天體的運行，小到分子原子等基本粒子的運動，包括大多數電磁現象、光學現象及其過程通常都較為復雜.因此，在探索繁雜的物理本質規律性，以及在處理每一個復雜的物理問題時，需要運用恰當的物理模型來進行分析，才能表現出物理抽象思維的作用.在講到光速這個知識點時，可以通過提問為什么打雷時我們先看到閃電過一陣才能聽到雷聲，得出光的傳播速度比聲音快.事實也的確如此，光在真空或空氣中的傳播速度是3×108 m/s，這個數字說明光速是很大，但如何理解和想象這個“大”是個難點，這時可以引入如果一個物體以光速繞地球做圓周運動，1 s的時間內能夠環繞地球7.5圈.而同學們都知道地球很大，進而發揮自己的想象力去感知其大小.

若不構建物理模型，對學生來說這僅僅是一個大的數字而已，記住這一數字并不難，但物理教學不是簡單的記憶類知識，而是了解之后，讓他們自己消化理解，從而掌握概念、規律.因此，在教學、學習中應重點發展在此方面的物理模型思維能力.

2.3以觀察、實驗及已有的知識經驗為基礎建立物理模型

舉一個簡單的例子，在講到“彈力”時，其彈性形變是形變后撤去力的作用后能夠恢復原來的形狀，而超過彈性限度是不能完全恢復的，這對學生來說比較抽象，難以理解.因此，為了幫助學生理解這一知識，設計這樣一個物理模型：形狀大小一樣的鋼片、鋁合金片、鋁片依次排列，用食指同時壓彎.在其彎曲狀態時，可以感受有力作用在手指上，這就說明改變物體形狀或體積時具有彈力；當松開手指的時候，可以形象地觀察到鋁片完全沒有恢復、鋁合金片沒有完全恢復、鋼片恢復原狀，通過觀察可以生動形象地理解像鋼片這種形變后的狀態是彈性形變，而鋁合金片和鋁片這兩種物體形變后的情況是形變過大、超過一定限度不能完全恢復原來形狀的彈性限度.

類似地有常用的光學物理模型：光的反射和折射實驗；常用的力學物理模型杠桿的平衡實驗；常用的電學物理模型電阻的串并聯電路實驗等等.

由此可知，實驗是建立物理模型以理解掌握知識的基礎.而為了在實驗教學過程中能夠有效地建立物理模型，就需要教師設計好實驗目的，有針對性地進行實驗.

3指導學生在解決實際問題中如何建立物理模型

首先，對物理問題進行分析，處理每一個物理過程，建立物理模型.所以在教學中要注意對學生物理模型的設計及分析研究思路的教學，以培養學生處理較復雜的物理問題時，能夠分析具體問題，從而區分主次抓住問題的本質特征，應用科學抽象思維的方法去解決物理問題的能力.

下面就用一個例題說明，只有在分析實際問題后，根據物理過程建立起物理模型，才能在學生的腦海中形成清晰的解題思路，順利解題.

遇到這樣的題目，學生很容易被復雜的電路圖所迷惑，造成這個題目很難，自己不會做的錯覺而放棄.其實這時只要教師通過指導學生從逆向思考、動靜轉換，將復雜的電路分解成如圖2所示的兩個簡單的串、并聯電路的組合，建立我們熟悉的兩個電阻的串并聯電路物理模型，問題就迎刃而解了.

法國科學方法論學者阿雷指出：“科學的基本活動就是探索和制定模型.”中學生在學習活動中，處理實際物理問題的過程，事實上就是準確的選擇物理模型、應用模型方法的過程.正確辨認、建立并達到熟能生巧地使用模型化方法解決物理問題是中學生必備的基本物理素質，同時也是高考考察的重點.所以，為了使學生在今后高中的學習中能夠游刃有余，在初中就要重視對學生創造性思維能力的培養，進而把握科學探究的基本方法，以及建立和運用物理模型的思維能力.