淺談如何引導高一學生理解物理模型并初步解決實際問題

姜誠

摘 要：通過對實際問題的建模，教會學生能把實際的物體抽象出來，運用所學知識進行分析，這樣能夠讓學生更好地理解生活現象的原理，形成正確的科學思維。

關鍵詞：理想化; 建模; 化繁為簡

中圖分類號：G633.7? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2021）2-015-002

物理在初中的時候就已經有所涉及，聽得到的聲音，看得見的光，到感覺得到的溫度，大部分學生覺得物理比較直觀，似乎很好學。但進入高一后，不少學生卻感覺物理難度很大，尤其對物理模型感覺很抽象而難于理解。

為什么較多學生進入高一感覺物理難學？因為高中物理更注重于對實際生活中發現問題進行分析，注重對實際問題的物理建模以及把復雜的實際問題抽出主要因素進行分析[1]。

那如何讓學生正確理解物理模型并能應用物理模型初步解決實際問題呢？在此，筆者就教學中的經驗和感悟總結出一些方法，具體如下。

1.建立理想化模型

1.1主次分明，看成質點

《必修一》第一章第一節講質點。質點的概念是：在某些情況下，我們可以忽略物體的形狀和大小，把它簡化為一個有質量的點。我們都知道質點是理想化模型，現實中是不存在的，能否看成質點要看實際情況。比如，同樣是一個人，如果我們要研究他做體操的動作，就不能看成一個質點，當研究他跑馬拉松的運動軌跡時，就能看成質點。其實如果不學高中物理，學生是不會知道質點這個概念的，但是事實上，當他看到一個人長跑時，他會關注運動員的動作嗎？顯然是不會的，他更加關心的是運動員跑的速度或者是時間，這個時候其實他已經把運動員看成了一個質點。再者，類似于打乒乓球，這樣很小的東西，平常學生來回打球的時候他一定會把乒乓球看成一個點，但是對方突然發了一個弧圈球過來，他沒接住，這個時候他就會研究對方一定是對打球的角度和力度進行了調整，這個時候他一定不會只把它看成一個點，這就是不能看成質點的情況。所以，實際上質點這個模型學生在生活中其實無意中已經體會。故如果我們能積極引導學生仔細觀察生活中物體的運動，有效忽略次要因素，提煉需要研究的主要問題，理想化物理模型的建立其實是自然而然的。

1.2忽略局部，著眼整體

如自由落體運動，我們知道自由落體運動是指，物體只在重力作用下從靜止開始下落的運動。通過這個概念我們能得到自由落體運動的條件是只受重力和初速度為零。后者很容易做到，前者嚴格意義上講，是不存在的，即使我們有抽真空的機器，但仍然無法做到完全真空，所以嚴格意義上的自由落體是不存在的。但學生已經具備一定的生活常識，他們知道一個鐵球從高空落下，實際阻力較小的話，鐵球運動是越來越快的。學過高中物理的也會把鐵球的運動看成自由落體，這就是理想化的模型，人們會不自覺地把問題看得簡單，以便自己可以理解。所以，多做實驗，通過引導學生觀察生活中的物理過程，進而能忽略局部，著眼整體，把次要因素忽略，這樣就能抓住本質，建立模型，從而讓物理過程有效簡化。

2.實際問題的模型建構及應用

2.1解決實際，逆風行舟

高中的彈力，摩擦力以及力的分解與合成與生活中的一些現象很有關系，比如說逆風行舟這個現象，就是彈力和力的合成與分解的應用[2]。但教師在課堂實驗演示時，學生都感覺非常驚奇，逆風怎么會產生前進的動力？為了讓學生能清晰建立模型，我首先引導學生對小船和風帆進行簡化，把風帆簡化為一個斜面，把風力等效為木桿打擊，再進行實驗，如圖1所示。通過這個實驗，學生發現木桿對斜面的壓力也是逆方向的，但木塊也能前進。因為用模型簡化了，學生不再感到畏懼，并能自然而然進行受力分析并分解，如圖2所示。學生清楚地看到，風力是從船的右前方吹過來的（幾乎可以認為是逆風），風力對帆產生的力是對帆的壓力，可以進行分解，分解成一個沿船運動方向上的力和垂直于船的力，其中沿船方向上的力就能成為動力，垂直于船方向上的力由于水對船的阻力可以抵消，這樣就實現了逆風行舟。

2.2簡圖構思，物理建模

必修一第四章中的超重和失重，這在初中學生完全沒有學，但學生在生活中早有體驗。例如學生在電梯中當電梯向上啟動和下降制動的瞬間，他會感覺雙腳有點沉重，而向下啟動和上升制動的瞬間，又感覺到雙腳有點輕浮。所以，本節課新課教學前，讓學生重新有意去體驗這樣的感覺，甚至拿個體重計去電梯中體驗，有了深刻體驗了，我們就可以引導學生去建立物理模型。例如，把測力計和鉤碼、或者電子秤和重物下發給學生，讓他們課后再去電梯中做實驗，那學生會自然而然地把電梯中的人簡化為重物，并會受力分析來探究電梯中的超重和失重現象，如圖3所示。

2.3抽絲剝繭，化繁為簡

汽車的ABS防抱死的工作原理，是必修一教材上的一個研究課題。這個實際問題其實是比較復雜的，那如何指導學生簡化研究呢？首先要讓學生了解ABS系統的作用，我們可以模擬一個場景讓學生想象：當甲開著一輛沒有ABS防抱死系統的汽車正常行駛在路上時，突然發現前方有一塊石頭，他立即猛踩剎車試圖停下并打轉向盤試圖繞過這個石頭，由于車速較快且沒有防抱死系統，甲發現他沒有轉彎，徑直的撞向了石頭;而乙則是開了一輛有ABS防抱死系統的車，他發現，雖然不能完全剎住汽車，但是能轉彎，所以他繞過了石頭。也可以在網絡上收集一些汽車測試ABS功能的視頻讓學生觀察。這樣學生就清晰認識了ABS系統的作用和對運動的控制，并很自然地發現首先要從車輪去探究分析，這樣就把復雜的汽車運動，簡化為如圖4所示的模型，從而能順利進行接下來的動力學探究。

綜上所述，高一學生學好物理的關鍵，就在于對生活中物理過程和物理現象的深刻體驗和主動觀察思考，進而建立物理模型來簡化研究。我們所要教給學生的是如何利用物理原理來解決實際生活中的問題，教給他們通過物理的眼光看精彩紛呈的世界，形成正確的科學思維。

參考文獻：

[1]楊貴，李燕瓊.課程教學觀視角下高中物理科學思維目標體系的建構及其有效性探究[J]物理通報，2020（10）：115-118+129

[2]蔡建秋.帆船逆風行舟的分析[J]湖南中學物理，2020，35（06）：80-81+83