“多方建模”化解物理知識難點初探

江秀梅 劉大明

摘 要物理模型是物理學中常用的科學方法，能使復雜事物簡單化、純粹化，有利于真理的探索與發現。在實際教學中，提高物理模型的顯性化水平，組織訓練物理模型法，可促進自主構建物理模型去解釋事物、理解知識、解決問題。對于某些難點知識，還可以循序漸進地層層構建模型，即“多方建模”，使難點知識得到突破。本文以閉合電路教學為例，初步探討了多方建模化解知識難點的方法。

關鍵詞物理模型 多方建模 閉合電路

新課標教材理念有意打破學科內過于嚴苛的系統性（全日制教材的特點），于知識中滲透科學方法教育。但這并不是否定學科系統性，而是希望教學中不拘泥于此，以防創造性、創新性思維的削弱，是響應“減負”的號召，把過于抽象的科學方法有意“隱去”，目的是希望師生不拘泥于科學方法的文本介紹和理解，但絕不否定對基本科學方法的意會。

筆者關注科學方法在教學中的運用研究，注意到不少教師已經在這方面有一些成果，指出科學方法教育應該將隱性滲透與顯性提升相結合。相比而言，科學方法的顯性化的呼聲越來越強烈，陳運保、馬亞強在文本分析基礎上提出了顯性化水平概念，對各種科學方法在高中教材中顯性化水平做出層次化研究[1]。法國科學方法論學者阿雷說：“科學的基本活動就是探索和制定模型”。可見理想化模型是相當重要的科學方法之一，在高中教材中顯性化水平位居前列。本文就物理模型在高中物理教學中運用現狀分析的基礎上，以閉合電路教學實例探索化解知識難點的有效方法——“多方建模”法。

一、建模思想運用于高中物理教學中的現狀分析

所謂科學方法顯性化是在建立物理知識中，標示所使用的科學方法、對科學方法的內涵進行闡述、組織和訓練科學方法，即更加明確地、顯性地進行科學方法教育，引導學生掌握科學方法。那么物理模型在高中物理教學中運用情況如何，顯性化水平又怎樣呢？

1.物理模型在高中物理教材中的顯性化水平

根據文獻[1]統計，在高中物理教材中滲透物理模型方法的次數為18次，標示2次，講解1次，組織使用4次，顯性化水平位居前列。從高中物理教材而言，物理模型法是最先呈現的科學方法，必修一第一章第1節講解質點時，就明確了物理模型方法的名稱、內涵與外延，以“物體是否可以看做質點”進行實例講解和習題訓練；在講解庫侖定律時，顯性化指出點電荷也是一種理想化的物理模型。

物理模型有三類，分別是對象模型、條件模型和過程模型。教材僅僅在對象模型上進行顯性化呈現，而條件模型和過程模型都是隱性滲透。例如在微觀粒子不計重力中，通過例題分別計算氫原子的質子與電子之間的萬有引力、庫侖力大小，通過比較顯示微觀粒子為什么可以忽略重力（人教版選修3-1第一章第2節），這實際上就是條件模型的隱性滲透；勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動、勻速圓周運動等等，實際上都是理想化的過程模型，新課標教材幾乎沒有對它們進行嚴格定義，這是過程模型的隱性滲透。

2.物理模型法在實際教學中的顯性化水平

物理教師都知道什么是物理模型，但是，大多數教師卻僅僅在講解質點、點電荷兩個知識點時提到，很少有教師在認識、理解、運用物理概念和物理規律上給予科學方法的點撥。也就是說，除了質點、點電荷兩概念教學之外，幾乎不會提及物理模型科學方法，更不會組織使用物理模型來理解有關概念、規律或結論，即師生是在不知不覺地情況下運用了物理模型科學方法。

舉一個例子說明師生對物理模型法的理解水平：微觀粒子為什么可以忽略重力卻不能忽略質量？不少學生被問倒，有些物理教師的回答也顯得邏輯混亂。而嚴密的邏輯分析是：在研究微觀粒子的動力學問題時，從受力這個角度而言，重力相比于電場力對問題的影響很小，可以忽略；根據牛頓第二定律，若忽略了質量，這里的動力學問題就是一個無解問題，即忽略重力對問題的影響不大，忽略質量對問題的影響很大。

原物是否可以理解為某種模型，首先要明確研究問題，其次是分析原物某一屬性是否對該問題有影響或影響多大，結論是無影響或影響很小，則這一屬性可忽略不計。之所以師生對物理模型法的理解水平不高，原因是平時缺乏有意識地訓練。

3.學生對物理模型的認識水平

學生對物理模型的認識僅僅停留在死記硬背層面，教材或教師說了質點和點電荷是理想化的物理模型，所以它們是理想化的物理模型；教師說了輕繩等質量可以忽略，所以質量可以忽略。

學生根本沒有理解到，物理模型作為一種科學方法、一種思維方法，它最重要的功能是幫助我們解釋事物、認識世界和改造世界。就學科知識而言，它的價值是幫助我們認識概念、理解規律；就問題解決而言，它的意義是幫助我們把復雜問題簡單化，忽略次要因素，突出主要因素，使問題得到有效解決。

二、建模思想在實際教學中的實施策略

1.消除認識誤區，提升對物理模型的認識

不少學生對物理模型的認識存在誤區，他們認為：物理模型是一種簡化的、純粹化的、理想化的東西，不是事物本身，所以它是不切實際的、遠離真實的、沒有多大意義的東西。實則不然，物理模型確實是失去了部分真實，但卻更易接近真理。

例如一塊金屬導體有很多特征屬性，大小、形狀、體積、質量、溫度、可以導電和導熱等等，只有選擇關注體積、質量兩個屬性，而忽略其他屬性，才能得出密度這一固有屬性；選擇了溫度、導熱屬性，才能得出比熱容固有屬性；關注導電時的電流、電壓，才能得出電阻固有屬性及發現歐姆定律；進一步關注電阻、長度、橫截面積等屬性，才能得出電阻率固有屬性及發現電阻定律。這個例子很好地說明了只有在突出某些主要因素的同時忽略某些次要因素，才能更容易發現規律、認識事物。

2.在實際教學中，提升對物理模型的顯性化水平

（1）在講授新知識時，明確科學方法

科學的基本活動就是探索和制定模型，諸如研究對象質點、點電荷、桿杠、微觀粒子、電容器、電阻器、電源、用電器、變壓器、傳感器等；研究過程勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動、勻速圓周運動、動態平衡等都是理性化的物理模型。在講授這些知識時，明確告知學生忽略了什么、突出了什么，如此處理解決了什么問題，不這樣處理問題解決情況又將如何。

（2）在講授抽象難懂的知識時，引導學生建立物理模型

高中物理中有很多現象難以理解，只有建立物理模型后才能融會貫通。例如靜電感應現象、靜電平衡現象、法拉第圓筒現象、尖端放電現象、電流熱效應等現象很難理解，只有建立金屬導體模型后，才有柳暗花明、茅塞頓開之感。

引導學生建模時，告訴學生不能僵化古板，避免教條主義，因為建構的物理模型沒有對錯之分，關鍵看能否解釋物理現象、解釋多少物理現象。物理模型的建構標準是：模型越簡單越好，越易擴展越好。模型越簡單，附加具體條件，才能解釋更多現象，即擴展性越強。

（3）在習題講評中，運用物理模型

輕繩、輕桿、輕彈簧、自由桿、固定桿等都是習題中常見的對象模型，在習題講評中，應深入淺出地引導學生理解它們：它們分別忽視了什么、突出了什么？可以解決什么問題、不能解決什么問題？這些模型有哪些共同點、有哪些不同點？……

引導學生按照物理模型方法總結一類習題，例如板塊模型、天體運動模型、機車啟動模型、斜面模型、各類臨界模型等。在總結中，領悟物理模型，體會物理模型在理解知識、解決問題中的作用。

三、多方建模化解知識難點

人們對某一事物的認識過程總是循序漸進、螺旋前進，作為解讀事物的物理模型的構建也是如此。例如，人們對宇宙觀的認識由地方天圓說到地心說，到日心說，再到爆炸說……這是一個螺旋前進的認識過程。科學上，諸如此類的例子比比皆是。

在高中物理教學中，認識、理解某些概念、規律也是如此。對某一事物循序漸進、依據學情、按需層層構建模型，是一個符合教學規律，有利于學生認識、理解知識的有效策略，我們把它稱為“多方建模”教學法。下面以閉合電路教學中運用“多方建模”為例。

由若干導線連接電源、用電器的閉合電路，一直是高中物理教學中一個難點，原因是認識它需要突破層層難點：第一是電源電動勢概念的突破，第二是電動勢、外電壓、內電壓之間關系的理解，第三是沿電流方向電勢升降特點認知。新課標教材似乎也認識到這一點，把電源電動勢與閉合電路的電壓關系一分為二，分成兩節內容來編寫。

為了突破這些難點，在教學中做了如表1的處理，層次合理，遵循了“最近發展區”的認知理論，教學效果較好：采用類比法構建模型一，有利于理解電源在電路中的作用，最終促進電動勢概念的構建，而這將有利于電壓關系的推導；采用對比試驗構建模型二，運用等效替代法突破了內電路、內電壓等概念，并從實驗數據上直接得出電壓關系結論；構建模型三，進一步顯示電動勢在閉合電路中的意義，破除了電源兩極電壓即電動勢的思維定勢；模型四是教材中呈現的模型，雖然反映了閉合電路中電勢升降情況，但是不利于理解電壓關系，學生難以一下子接受。在構建模型二、模型三時，都基于真實的實驗，從真實實驗現象出發，簡化、純粹化，最終抽象得出模型。這有利于學生接受物理模型，最終促進對知識的理解。

就單個模型的構建來看，自成一體，前三個模型的構建都有直接的現象（類比現象或實驗現象）為基礎，依據現象構建物理模型，每一個模型解決問題的側重點不同；四個模型聯合來看，由易到難，層層遞進，思維邏輯環環相扣，綜合四個模型，能夠很好地理解閉合電路有關概念和規律。

參考文獻

[1] 陳運保、馬亞強.高中物理教材科學方法顯性化特點的文本分析[J].教學與管理，2014（11）.【責任編輯 郭振玲】