高中生物理建模能力的培養研究

鄧光亞

摘要：構建物理模型是物理教學中常見的研究方法，在傳統教學中教師重視知識的傳授，而非能力的提升，只將現成的模型生硬地交給學生，缺乏對學生建模能力的培養，導致學生不會靈活運用模型解決問題，隨著物理核心素養的提出，高中生物理建模能力以及應用模型解決問題能力逐漸被重視，本文就物理模型的概念分類、建模的方法，以建模的能力培養策略做以闡述。

關鍵詞：物理建模;模型結構;建模能力

一、物理模型的概念及分類

物理模型是指當所研究的問題較復雜時，為了便于研究可以忽略次要因素，抓住主要因素，從而突出問題的本質特征，這樣將問題抽象成想象理想化的模型，這種理想化模型即為物理模型，這個建構模型的過程叫做建模過程。

物理模型一般分為對象模型、狀態模型、過程模型。

對象模型是將研究對象忽略次要因素，抓住主要因素，突出本質特征，分離出對解決問題有用的部分，而形成的實物模型，常見的對象模型有質點、點電荷、點光源、輕繩、輕桿、輕彈簧、輕滑輪、彈簧振子、彈性小球、理想氣體、光滑斜面、光滑軌道、均勻介質、理想變壓器、勻強電場、勻強磁場等。

過程模型是在研究復雜的物理過程時，根據需要忽略次要因素、抓住主要因素，建立能夠揭示研究過程本質規律的理想化模型。如在研究運動時抽象出勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動、自由落體運動、平拋運動、斜拋運動、簡諧振動等，再如研究理想氣體狀態變化時，抽象出等溫變化、等壓變化、等容變化等過程。

狀態模型是對象模型的進一步描述，表征對象模型所處的狀態，如研究流體時流體的吻痕流動狀態，研究理想氣體時，氣體的平衡態研究無緣祖物率時，原子所處的基態和激發態等等

二、構建物理模型的必要性

現階段高中生普遍感到物理難學，表現為課堂上能聽懂老師所講內容，但是課后做題時卻無從下手，其中一個重要原因是學生不能從形象思維中擺脫出來，只會死記概念規律，沒有充分重視概念規律的形成過程，導致學生只會機械地模仿著的解決簡單問題，當遇到需要做邏輯分析的問題時，學生無法利用熟記的知識和規律分析解決實際問題。

物理模型，既是基礎知識的高度概括，又是一種科學的思維方法，在教學過程中，通過分析每一個物理模型，弄清每個物理模型的建立過程，能幫助學生建立正確的思維方法，通過靈活利用物理模型分析解決問題，能夠提高學生思維的靈活性，創造性，把復雜的知識簡單化，這樣既降低了教學難度，又增強了學習物理的自信心，有利于學生學科素養的培養和提升。

三、構建物理模型常用的方法

建立物理模型的方法，很多常用的有五種，分別為抽象和概括近似和忽略類比與推理，假設和驗證等效率替代分析和綜合。

抽象和概括是指忽略事物的無關因素，保留與研究問題有關的本質因素，從而建立物理模型的方法。例如高中物理中點電荷模型的建立過程，就是忽略了帶電體本身的大小，只考慮攜帶的電荷而建立的模型。

近似和忽略是指在物理建模過程中忽略影響問題的次要因素，抓住主要因素建立模型的方法，例如建立平行板電容器模型，忽略兩端電場變化，近似的將平行板中的電場看成勻強電場。

類比與推理是根據兩類對象在某種屬性上相似，進而推出它們在其他屬性上也可能相似的一種推理方法，在建立電場電勢差模型時，類比電場力做功與重力做功，進而推理出電場中存在與能量有關的物理量，建立電勢的模型。

假設和驗證是在解決問題過程中無法直接驗證某些現象或事物，為了揭示事物和現象的本質，依據一定的理論和事實，建立假想模型的方法，只要假想模型能說明已有的事實，并能預測可能出現的結果，那就說明這種模型是正確的，如在建立正電子模型時，狄拉克為了解決負能量問題建立空穴理論模型，提出電子具有相反的粒子存在，這種粒子與電子具有相反的電性，進而建立了正電子模型。

等效與替代是根據物理現象間的相似性，將研究對象及研究過程做等效處理，以模型代替事物，從而簡化問題的一種方法。中學物理中等效替代的方法隨處可見，如利用合力效果替代各個分力的效果，建立合力模型;如利用簡單的分運動模型等效復雜的合運動等，如利用等效電阻替代并聯電阻等。

四、培養建模能力的常用策略

（1）利用多媒體技術培養學生的建模能力

多媒體技術具有直觀性，動態性，交互性，針對性和可重復性的特點，在物理教學中，利用多媒體可以將抽象的知識直觀化，把微觀的知識宏觀化，把隱性的現象顯性化，建立清晰的物理模型

利用多媒體顯示一些不易操作的實驗

物理現象是學生學習知識的開端，也是學生理解知識的基礎，通過實驗可以使學生直觀觀察實驗現象，進而幫助學生建立物理模型。如在研究光的折射時，傳統實驗中由于在日光下進行不易，不僅實驗現象不明顯，而且難以把握光折射的臨界角，但通過模擬實驗，可以很清晰的對比各色光在三棱柱中的折射規律，方便學生總結規律，建立折射的模型。

利用多媒體顯示微觀現象

在物理學中，有些實驗的研究對象是微觀層面的，傳統實驗無法演示，例如在研究電荷轉移時，由于電荷的轉移無法直接觀測，學生在實驗結束后無法形成直觀印象，而通過模擬實驗，學生能夠清楚看到電荷在帶電體間的轉移，從而形成電荷轉移的模型。

利用多媒體模擬抽象物質

模擬軟件可以將一些較為抽象的現象，直觀的展示在學生面前，幫助學生理解抽象規律，如在講條形磁鐵磁感線時，教師很難將看不見摸不著的磁場說清楚，但是通過模擬軟件可以很好的將條形磁鐵的磁場勾勒出來，使學生對條形磁鐵的磁感線有清晰的認識。

（2）利用物理探究實驗培養建模能力

在傳統實驗教學中，教師往往先說明實驗原理在演示實驗步驟，然后讓學生按照步驟操作。這樣，學生的自主發揮的空間完全被擠壓了，喪失了科學探究的機會，逐漸失去了學習興趣，這種模式下的實驗課堂不利于培養學生的建模能力。

然而探究性實驗按照提出問題、猜想、設計實驗，收集證據、論證、得出結論的程序逐步落實，既利于培養學生的探究能力又利于培養實事求是的科學態度以及解決問題的能力。

（3）利用一題多解培養建模能力

物理習題通?？梢酝ㄟ^多種方法求解，也就可以通過多種方法建模。這就要求教師在習題課上采用多種解法培養學生發散思維，提高學生建立模型的能力。除此之外，老師在習題課之余也應該要求學生進行多解訓練，幫助學生理解公式定理，擴展發散思維。例如，汽車在5秒內完成剎車過程，最后1秒內通過的距離為2米，求解這個過程中的加速度a。

第一種解法：根據公式S=v0t+1/2at2，將剎車過程看成初速度為0的勻加速過程，有s=1/2at2，a=4m/s。

第二種解法：逆用推論S1：S2：S3……Sn=1：4：9：……n2，第一秒的位移S1=2，則第5秒的位移S5=50m，利用s=1/2at2，得a=4m/s。

第三種解法：圖解法，利用圖象中相似三角形面積之比等于位移之比，s=1/2at2=50m，利用公式得a=4m/s。

總之，理想化模型已成為了物理學中的非常重要的一部分，通過構建模型的過程可以培養學生的想象能力、思維能力、創新能力，分析解決問題的能力，因此具有物理建模意識，培養物理建模能力，是每個學生學習物理學的目的之一，也是高中物理教師孜孜追求的目標之一。

（陜西省漢中市洋縣中學）