高中物理教學中建構物理模型的理論與實踐研究

葉金福

摘 要：模型是對現實問題的簡化描述和模擬，其主要用途是幫助人們更加簡潔方便地研究問題本質繼而更好地解決問題。中學物理以物理模型為載體描述物理知識和思維方法，物理模型是物理學解決物理問題一種非常有效的手段，它用一種簡單的模型抽象表達實際的物理問題，將理解分析實際問題轉化為理解分析物理模型，簡化了解決問題的過程，還可以使問題得到有效解決。可以使學生更加牢固地掌握和記憶知識點。

關鍵詞：物理模型;構建;物理教學;應用

物理學發展初期就已經開始研究物理模型。牛頓在提出萬有引力定律時就使用了這種方法，將宇宙中的星體簡化為質點，質點是一種僅有質量而無體積的點，建立了著名的質點模型。湯姆遜通過構建物理模型建立“棗糕模型"等等。

一、高中物理模型構建教學的意義

高中物理除了在知識內容方面與初中物理不同，更主要的不同在于高中物理更注重學生思維能力的培養和提升，初中物理的學習為學生由形象思維發展到抽象思維奠定基礎，高中物理要幫助學生提升這種能力并且實現質的飛躍。因此，在教授高中課程時大部分研究對象都是物理模型，這些物理模型基于實際問題所提煉但是又不同于實際模型，是對實際問題的概括和抽象，所以在學習時學生必須熟練掌握物理模型的構建與使用，這個過程中教師必須起到積極的引導作用。古人云：“得一魚可飽一餐，得一漁則受用終生。”因此，高中物理教師要想出色完成教學任務，就必須先培養學生利用模型簡化解決問題的意識，從復雜、隱蔽的實際物理問題中抽象出簡潔、明了、清晰的物理模型，使學生可以清楚地理解物理問題，只有學生建立了抽象模型，在解決物理問題時才更容易，學生才能建立學習的信心，教師的教學難度才能降低;只有鍛煉了學生的抽象思維能力和構建物理模型能力，學生在遇到物理問題時才能根據條件構建出合適的物理模型，構建物理模型的過程還能激發學生的創新能力。所以中學物理教學中必須重視構建物理模型這一環節。

二、高中物理模型教學的目標

1、掌握知識，提高技能

高中物理模型教學方法主要是向學生講解模型內容，幫助學生理解模型建立的依據與過程。教師在講解過程中會穿插一些基礎的物理知識并指導學生如何用物理知識去解決實際問題，幫助學生理清分析物理問題的思路，在實際運用中加深對知識的理解，繼而培養學生的創新意識。以講解電場為例，這章涉及的物理模型很多，比如：點電荷、電場力做功等，在講解電場力做功時，就可以引導學生將電場力做功和重力做功聯系起來，學生對重力場中重力做工的過程及模型都非常熟悉，學生通過將重力場中的模型類比到電場中就可以迅速建立相關的知識體系，對電場知識的理解也會得到強化。在模型之間進行比較就是在建立兩種知識之間的聯系，既幫助理解和學習新知識也是對已有知識的加固和重新認識，還可以充實和完善知識結構，學生如果可以建立所有的知識之間的網狀關系，不僅可以建立科學的認知結構，對于培養學生的創新能力也是非常關鍵的一步。可以說不僅建立物理模型是一種創新，理解和使用物理模型的過程也是在鍛煉創新能力。物理模型的學習需要學生先去分析實際物理問題，從中找到解決問題的關鍵，在掌握建立物理模型步驟的基礎上根據抽象出來的特征建立合適的物理模型。學生的理解能力和知識水平畢竟有限，他們的建模只是仿建模，并不能稱為真正意義上的科學家的建模，但是在建模過程中所培養的建模意識和建模能力完全是在科學水平上的探索研究。要想培養學生的創新思維，在教師輔導下讓學生自己去學習建立物理模型和領悟物理模型思維不失為一種好方法。

2、掌握物理研究方法

物理模型的建立必須以科學知識和實驗事實為基礎，必須對科學知識和實驗事實進行分析、綜合、比較、抽象、概括、推理等邏輯論證，必須是一系列嚴格邏輯論證下的產物。學生在學習建立物理模型前，必須明確建立物理模型的意義以及如何建立正確的物理模型，必須掌握一定數量和較為科學嚴謹的物理學研究方法。物理科學研究最常用的方法是先對物理模型進行分析與研究，從中學習知識及運動變化規律，然后再延伸到原型客體中。在親自建立物理模型并使用它的過程中，能夠更好地理解物理學的研究過程及方法。不管是處理物理過程還是建立物理模型，都必須先對物理問題進行認真分析。物理教學的過程就是分析物理模型設計思想和設計思路的過程，在這個過程中教師要教會學生如何分析較為復雜的物理問題，如何將復雜的問題簡化為一個一個的小問題，如何在眾多條件中找到主要因素和次要因素，緊緊把握問題本質，運用抽象思維的方法去處理物理問題，同時注重提高自己的思維品質。

三、高中物理教學中構建模型的一般途徑

學生在解決實際問題時要想在物理建模思想的指導下物理化實際問題，必須有一定的物理學知識儲備，擅長在類比中學習，有一定的抽象概括能力，善于觀察，分析問題比較透徹。但是在一天之內擁有這些技能是天方夜譚，能力的獲得是一個日積月累的過程，這就要求教師在日常教學中始終堅持用物理建模解決問題的思想去引導學生，培養學生科學觀察、分析問題的能力，培養學生建立物理模型解決實際問題的思維，最終完成利用模型解決實際問題。建立物理模型是解決物理問題的關鍵步驟，建立物理模型需要遵循科學的方法，不能只停留在思維層面。要想建立正確且合理的物理模型，離不開科學的程序思考。

1、觀察——實驗——建模

認識和了解自然現象離不開觀察和實驗，定性和定量分析實驗現象離不開觀察和實驗，情感認識的獲得必須建立在觀察和實驗的基礎上，自然科學理論的形成以觀察和實驗為基礎，發展和檢驗自然科學理論最終也必須回歸到觀察和實驗中。觀察和實驗的目的就是認識研究對象，了解其變化過程，觀察它們和其它物體之間的相互影響和聯系。找到其主體，利用相應的物理模型，包括物理學對象模型及過程模型等，對其進行物理描述。以公路的路基鋪設情況為例，教師應當要求學生觀察公路轉彎處路面傾斜情況，在學生掌握勻速圓周運動基本知識的前提下引入勻速圓周運動模型解釋設計原理，讓學生充分理解物理知識在交通中的應用，理論與實際相結合的教學方式使學生在頭腦中形成清晰的實際情景。借此還可以解釋火車的鐵軌鋪設原理等，讓學生明白為何可以對車輛建立物理模型，將其看做質點，對車輛的運動模型建立物理模型即勻速圓周運動模型，并以受力情況為切入點解釋其做圓周運動的原因。在講解勻減速運動時結合車輛在公路水泥路面上由于剎車留下橡膠劃痕的現象解釋車輛的運動就可以建立為勻減速運動模型，還可以利用課本中勻減速運動的相關知識計算車輛的行駛速度。訓練學生觀察、實驗、根據已有知識對問題進行抽象建立物理模型的能力。

2、類比——聯想——建模

類比就是經過觀察分析明確某些事物在某些方面具有相似之處時，可以根據已有的知識對它們某些性質進行相似的推論。類比可以幫助學生利用較為熟悉的物體的性質理解學生并不是很熟悉的物體的性質，以完成對問題的解答。以學習電勢能為例，學生在理解電場的分布和電勢能時可能并不容易，特別是涉及變化過程的知識并不好掌握，此時就可以將重力勢能的知識與電勢能的變化做對比，進行類比，降低理解上的難度。在兩種能量變化相似的過程之間建立聯系，建立一個與用來解釋重力做功與重力勢能變化關系的模型相近的物理模型。此外這種類比思想還可以應用到學習玻爾能級結構中，原子核外電子運動動能及電勢能如何變化理解起來并不是很容易，尤其是發生電子軌道躍遷時二者大小變化理解起來更為困難。此時就可以引入人造衛星運動模型這種學生熟悉擅長的物理模型進行類比，電子可以與衛星進行類比，萬有引力就可以等效為庫侖力，電勢能與萬有引力勢能進行類比，電子動能可以與衛星的運動動能形成一個類比。類比可以使解題的方向更加清晰，也可以幫助學生對情景有一個更清晰的構建，建立起的物理模型也就更有說服力。類比聯想拓寬了學生的想象空間，思維方式也會更加發散和深入。

3、分析綜合——抽象——建模

分析的過程可以看做是一個分解的過程，將整體問題分解成一個個局部問題，包括各個屬性和各個部分都要進行分解，各個因素對解決問題產生的影響都要進行充分考慮，然后進行研究。綜合的過程與分析的過程恰好相反，綜合是將局部結合為一個整體，從整體的角度看待問題，抓住事物本質，對事物的不同部分、各個方面、不同特征進行有機整合。分析是研究問題的開始，綜合是處理問題的最終步驟，分析和綜合的結合使用為全面理解問題提供了保證。比如牛頓建立萬有引力定律，就是先對太陽對地球，太陽對其他行星，地球對月亮的引力進行分析，在每一對引力分析結束后對它們進行綜合，最后才提出存在于任意兩個物體之間的引力模型。中學物理中許多物理模型都是利用分析和綜合的方法得到的，例如理想氣體、質點、杠桿、理想電表、單擺、點電荷等。

4、等效替代——遷移——建模

等效替代法也是物理研究經常用到的一種方法，這種方法的核心是相互替代，主要是基于兩個研究對象在某一方面具有相同的作用效果。等效替代法以效果是否相同為依據，盡可能用具有相同效果的、簡單的物理現象和過程去替換較復雜的物理現象和過程，以達到簡化問題的目的。等效包含兩個層面的意思。第一，據觀察分析確定兩個不同的物理過程在某一方面可以得到相同的結果或者不同的物理對象在某一方面有共同屬性時，可以將對物理事物的研究轉化為對模型的研究以簡化研究過程，并且還可以更加深刻地認識物理對象或過程的物理實質。第二，從微觀角度來說，如果在某些方面物理事物之間存在相似性，就可以在處理物理過程時選擇一些較簡便的方法，但是仍然可以得到相同的結果，而且不影響認識物理現象或物理過程的物理實質。這也是“相當于”實際上要表達的意思。等效模型就是利用等效方法得到的模型。等效方法不止可以用于構建等效模型，在不同物理模型進行轉換時也經常用到。高中物理中需要計算勻強電場中帶電擺球的周期就可以利用等效替代法，擺球在勻強電場中受到的作用和重力場對擺球的作用具有相似性，以此為前提就可以用重力場來等效替代勻強電場和重力場形成的復合場，從而計算出擺球的擺動周期。同樣，用重力場等效替代勻強電場和重力場疊加成的復合場，機械等守恒定律也可以在這一重力場中進行等效替換，中學物理教學中多使用這種方法。

總而言之，物理模型方法在物理學研究以及學習中占據非常重要的地位。物理課堂在教授學生物理建模的過程中更好地鍛煉了學生科學思維的能力，對于學生科學素養的提升也起到重要積極影響。教師在教學過程中應當格外關注物理模型促進學生學習的特性，不斷的探索、有效的利用每一種方法，培養學生物理建模思想的形成。

參考文獻

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