論“建模”在高中物理教學中的靈活應用

桂進

【摘要】高中物理課的主要教學目標有兩方面：一方面是幫助學生了解自己的興趣與發展潛能，提升他們的科學素養，為以后發展和選擇打好基礎;另一方面是讓學生通過探究學習物理，了解物理知識與生活的聯系，體會科學精神與人文精神的結合，從歷年高考成績中我們也可以看出，高中理科中最難學的非物理莫屬了，怎樣讓學生學好物理擺在我們面前是一個難題， 在物理教學諸多教學方法中，常見的有講授法、實驗法、討論法、探索發現法、科學研究法、物理模型法，而物理建模教學法實際教學中是一種重要的教學方法。

【關鍵詞】物理教學? 建模教學? 常見模型

【中圖分類號】G633.7 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）28-0083-02

一、建立物理模型重要意義

物理學研究對象常常具有一定難度和一定的復雜性，在解題中為了快速的理解，準確的解題，這不但要求我們有扎實的理論基礎，還需對類似的問題有個高度的概括，抓住問題的本質，并加以歸納和拓展，讓學生明白此類問題形成的原因、注意的事項、問題的延伸、和解題的技巧，一目了然從而快速解題，這種學習模式和解題方式稱之為“物理模型法”。

在高中階段學生所學的每一條物理原理、定理、定律都與一定的物理模型相聯系，如：質點、重心、機動車啟動、光的反射與折射、遠距離輸電、自由落體運動、平拋運動、豎直上拋運動、可逆運動與不可逆運動、豎直與水平面內勻速圓周運動臨界問題、簡諧運動、碰撞等，它們幾乎是某種條件的簡化，但都有著各自的特點，都有各自的規律可循。

二、構建物理模型的基本思路和方法

很多學生進入高中后，還是保留初中的學習習慣，認為背背公式，刷刷題，就能解決問題，實際上他們忽略相關物理概念形成的背景，不善于觀察提煉問題的精髓部分，缺少對問題深入及問題的延伸的理解，停在很膚淺的層面，所以解題錯誤率高，久而久之會失去學習物理的信心。近幾年的高考命題中物理難度逐漸增大，更側重學生對物理知識綜合應用能力，把“能從實際問題中提煉出合理物理模型”作為考查重點。因此如何讓學生掌握物理模型，并應用物理模型去解決實際問題，就成了高中物理教學的一個必不可少的重要教學環節。

（一）教師在教學過程中要重視對學生建模意識的培養。物理模型是建模思想的產物，建模思想就要求在概念教學中就是不停地構建概念模型的過程，許多物理概念本身就體現了建模的思想，如剎車過程、瞬時加速度、追擊與相遇、等量同（異）種電荷、電場線、磁感線、光線等，因此我們科學地選取素材，激發學生對物理建模產生興趣。從廣義講，一方面我們帶領學生深入教材，挖掘教材所蘊涵的物理模型，高度去概括去探究，形成一目了然的規律，讓學生明白使用該模型時解題的技巧，注意的問題，使之能真正成為看得見、摸得著、用得上，從而激發學生的建模興趣。

（二）構建物理模型常見的方法。1.理想法：抓住物體主要特征，忽略一些次要因數，如質點的引入，忽略物體形狀與大小;點電荷忽略物體形狀與大小及電荷的分布;理想變壓器忽略能量的損失且無漏磁;拋體運動忽略空氣的重阻力等等。2.類比法：根據有些物理量間存在許多相同或相似的屬性，便以此類推他們具有共性，如電勢與地勢、電勢能與重力勢能、末速為零的勻減速類比初速為零勻加速等等。3.等效替代法：當研究對象比較復雜時難以解答時，可以嘗試用等效法處理，如利用等效重力場處理帶電粒子在電場中豎直平面內做圓周運動，帶電球體將電荷等效球心處、運動的等效、力的等效等等。4.微元法：在解題時但研究對象不符合條件時，可將研究對象或物理過程視作由許多微小體或N等分組成，在這些微小結構有符合條件，如摩擦力做功、帶電圓環等等。5.假設法：當所研究的物理現象不能直接判斷時，可以采用假設法，假設條件改變，物體看物理狀態是否發生變化，從而進行分析判斷，常用于受力分析和運動分析中。6.極限法：在極限狀態下對物體進行分析，得出結論。

（三）構建物理模型應重視兩個環節。物理模型不僅是知識的結晶還是知識的高度升華，它具有典型性和易理解性等特點。物理模型的建立，可以引導學生更深刻的理解物理知識，體會用物理模型解題帶來的準確性和快速性，從而增加學習興趣。

三、高中常見的物理模型

高考命題以《考試大綱》為依據，考查學生對高中物理知識的掌握情況，體現了“知識與技能、過程與方法并重”的高中物理學習思想，每年各地的高考題為了避免雷同而千變萬化、多姿多彩，但又總有一些共性，就高中物理常見模性可粗略地總結如下：

1.“理想化”模型：質點、點電荷、電場線、磁場線、遠距離輸電、理想變壓器、理想氣體等。

2.“運動類”模型：勻變速直線運動、末速為零的運動、表格信息問題、可逆與不可逆直線運動、追擊和相遇問題、各種拋體運動（豎直上拋、平拋、斜拋、類平拋）、帶電粒子在電場中的運動等等。

3.“測速”模型：紙帶測速、超聲波測速、光電門測速、頻閃照相測速。

4.“圖像類”模型：圖像問題出現頻率很高，常見于運動學、力學、動力學、動能量、電學等等，其出現三種形式：①根據圖線分析對應物理過程;②根據物理過程畫出圖線，再根據圖線解決相關問題;③圖線間相互轉化。

5.“共點力平衡計算”模型：①平衡力的計算方法有平行四邊形法則、三角形相似法、正弦定理法（拉密定理法）、正交分解法、整體法和隔離法;②其它模型：極值與臨界、動態變化（處理方法有作圖法、解析法、動態圓）。

6.“繩子”模型：受力特征、懸繩、死結與活結、速度關聯、繃緊瞬間。

7.“彈簧”模型：形變問題、受力問題、彈簧參與運動（分變速和勻變速）、瞬間加速度、動量能量、彈性勢能。

8.“輕桿”模型：受力問題、自由桿與固定桿、速度關聯問題。

9.“牛頓第二定律的理解”模型：瞬時性問題、超重和失重問題、等時圓、連接體、與圖像相關的動力學問題、加速度的分解、極值與臨界問題、傳送帶問題、滑板與滑塊等。

10.“運動合成和分解”模型：小船過河、繩桿速度關聯等。

11.“平拋運動”模型：平拋與斜面、多體平拋、有其他約束條件的平拋運動、平拋運動中的臨界與極值問題、平拋與體育、斜上拋運動、類平拋等等。

12.“有關圓周運動”常見模型：①“圓周運動中三種傳動方式”模型：皮帶傳動、共軸轉動、齒輪咬動。②“圓周運動模型的臨界問題”模型：水平面的臨界、豎直面的臨界、斜面的臨界、沿圓弧運動兩種情景。③圓周運動等效重力場問題。④圓錐擺模型。

13.“天體運動”常見模型：①重力與萬有引力的關系：重力與緯度關系、重力與高度關系、在礦井深為d處、重力加速度反常。②天體質量和密度的估算，兩種思路一是根據天體表面重力加速度和天體半徑，而是根據天體衛星和軌道半徑。③衛星類：衛星運動的參數的比較、同步種類（極地衛星、同步衛星）、衛星的發射和回收、衛星的變軌及對接、衛星的追擊與相遇。

14.“機動車啟動”常見模型：勻加速啟動、額定功率啟動。

15.“能量應用”常見模型：傳送帶相關的能量、與連接體相關的能量、與拋體運動相關的功能、與圓周運動相關的功能、與摩擦力有關的能量、與滑塊木板模型相關的功能、與動量相關的功能、與圖像相關的功能、能量守恒中兩個“刺”。

16.“動量的應用”常見模型：多次碰撞問題、子彈打木塊模型、反沖模型、人船模型、爆炸模型、滑塊木板模型、弧型槽模型、彈簧模型、多體作用、電磁感應中的動量問題、原子物理中的動量問題。

17.“三個自由電荷”模型：同一直線上三個自由電荷平衡狀態和一起加速狀態，不在同一直線上三個自由電荷一起加速狀態。

18.“兩點電荷場強與電勢分布”模型：兩等量異（同）種點電荷、兩不等量異種點電荷。

19.“靜電場中的速度圖像”模型：速度圖像、場強圖像、電勢圖像、電勢能圖像等等。

20.“帶電粒子在勻強電場中的運動”模型：加速、偏轉、先加速后偏轉、側移、帶電粒子在交變電場中的運動、等效場重力場、示波器。

21.“帶電粒子在勻強磁場中的邊界問題”模型：單邊界、多邊界、圓邊界（滾動圓、平移圓、放縮圓、磁聚焦）。

22.“帶電粒子在復合場問題”模型。

23.“磁場與現代科技”模型：磁流體發電、電磁流量計、霍爾效應、質譜儀、速度選擇器、回旋加速器、電視機顯像管。

24.“電路的動態分析”模型。

25.“電學中非線性元件”模型。

26.“遠距離輸電升壓降壓的變壓器模型”模型：模型圖、電壓關系、電流關系、功率關系。

27.“電磁感應中軌+桿”模型：①單桿+軌：外力型、沖量型、含源型;②含容單桿+軌：外力型、沖量型、含源型;③雙桿+軌：等長雙桿和不等長雙桿，常見于外力型和沖量型。

總之，由于客觀存在具有多樣性，它們的運動、變化往往是非常復雜的，人們對其意識的反應也隨之變化，不可能短時間內清楚其實質，而采用物理模型來代替實在的客觀存在，可以使事物的規律變得簡單，更容易去理解去認知，利用建模思想構建正確的物理模型可使我們對物理本質的理解快捷而深入，對物理問題的分析更加清晰明了，所以物理模型的建立必將為中學物理課堂教學改革提供新的思路;物理建模教學是其他教學模式的一種補充，其功能是其他教學模式無法替代的。

參考文獻：

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