高中物理教學中學生建構物理模型能力的培養

易立華

【摘要】高中物理教學應加強對學生建構物理能力的培養，讓學生掌握建構常用的物理模型的原則，學會運用理想法、聯想法、等效法、函數圖像法來建構物理模型。培養學生建立物理模型的思維，提高學生建構物理模型的能力，從而提高其解決實際問題的能力。

【關鍵詞】高中物理;建構物理模型;類比聯想

教師和學生對物理模型的認知、理解及對物理模型的掌握程度，都直接影響到物理模型在高中教學中的作用，影響到學生是否能夠合理地運用物理模型，決定了高中物理教學對學生的學科核心素養的養成和發展。對此，本文淺論在高中物理教學中如何對學生建構物理模型的意識和能力進行培養和提高。

一、高中物理模型概念和作用

1.物理模型的概念。模型在《辭海》中的定義為：“根據實物、設計或設想，按比例、生態或其他特征制成的同實物相似的物體。”錢學森認為：“模型就是通過對問題現象的分解，利用我們考慮得來的原理，吸收一切主要因素，略去一切不主要的因素，所創造出來的一幅圖畫……是形象化了的自然現象”。物理模型是人們將生活中的實物體、過程或系統進行簡化、抽象、概括、總結后，突出事物變化過程的主要因素，忽略一些次要因素，得到的理想化的物體、過程或系統。

高中物理中常見的物理模型可以分為實體模型、過程模型和相互作用的系統模型三類。實體模型：客觀存在于生活中的實體物體，在物理研究中我們將其簡化后得到的物理模型，包括有質點、光滑斜面、輕桿、輕質彈簧、點電荷、勻強電場、勻強磁場、理想氣體、彈簧振子、原子核式結構等;過程模型：對實際的過程和現象突出主要變化、忽略細微變化，經過人為的理想化后得到的運動過程模型，包括勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動、豎直上拋運動、平拋運動、勻速圓周運動、類平拋運動、簡諧運動、行星運動、理想氣體的等溫變化、等壓變化、絕熱過程等;第三類相互作用的系統模型：在研究復雜的物理問題時會涉及到多個物體和多個要素，人為地忽略一些次要要素而建立的系統模型，包括彈簧類模型、塊板模型、傳送帶模型、波爾能級結構模型等。

2.物理模型在高中物理教學中的地位和作用。在《普通高中物理課程標準》中關于物理學科核心素養有這樣的闡述：“科學思維是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程……科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。”由此可見使學生具有建構模型的意識和能力是高中物理的課程目標，是學生必須獲得的能力，所以高中物理教學過程中必須要讓學生體會建構物理模型的過程和養成建構物理模型的意識。

高中的物理規律和知識點用物理模型來進行講解的話將會變得容易理解，通過物理模型來揭示物質的實質和規律更易讓學生接受。這些物理知識的系統化建構有著物理模型的支撐會更加牢固，能讓學生把握知識的核心。學生的思維能力、科學素質都能用物理模型進行培養，合理使用物理模型能減輕學生學習壓力。學生解題時養成建立物理模型的思維，可將問題化難為易，從而提高其解決問題的能力。學生一旦掌握從整體上分析問題、自主建構物理模型解決問題的能力后，再遇到復雜的、變化多樣的物理題就不會膽怯了，就能直達問題的本質，從而提高學生分析解決實際問題的能力。

二、高中教學中物理模型的建構

1.建構物理模型的原則。

（1）要有典型性。物理模型是對現實生活現象和問題的概括和提煉，要體現出事物的一般特征，突出事物的本質屬性。物理模型要能夠代表同類物理事物的一般特點，建構物理模型時要先分析問題現象的本質和主要因素，建構的物理模型要具有代表性、典型性。

（2）要有簡潔性。建構物理模型的目的是幫助學生理解物理概念和物理規律，進而做到用所學到的理論來解決實際問題。因此，建構的模型要簡潔易懂，讓學生對模型的特點和反映的規律一目了然，從而更好地理解物理概念，學會運用規律解決實際問題。

（3）要體現美感。物理學中的規律具有和諧的美、自然的美、對稱的美，而建構物理模型則是展示這種美的最佳方式。物理模型是物理知識的形象化表述方式，建構物理模型時要注意體現物理學的自然美感，這樣學生通過觀察直觀的教學模型，可以親眼看到物理的美，受到美的感染和熏陶。

2.建構物理模型的方法。物理學是一門實驗科學，也是一門崇尚理性、遵循邏輯推理的理論科學，旨在研究自然界最普遍物質運動及其形態、物質組成、各層次的結構和相互作用。可自然界的物理現象紛繁復雜，物理規律卻隱藏在復雜物理現象的背后，要揭示出自然界客觀規律和各種現象的內在聯系，就必須通過建構理想的物理模型進行研究和理解。所以在物理教學中應該通過一系列手段和方法使學生掌握建構物理模型的方法，在建立模型后通過自我體驗獲得結論。教學中建構物理模型的主要方法有以下4種：

（1）建立理想化模型。物理學中往往會研究一些物體在特定條件下的物理規律，而在現實生活中往往有多種影響物理規律發生的環境因素，這就需要我們建立一個可以忽略其他次要因素的理想化物理模型。如研究火車在平直的軌道上的運動規律時，我們忽略軌道微小的彎折和火車速度的微小變化而建構“勻速直線運動”的模型;在研究物體機械運動時，我們不考慮物體的大小和形狀同時忽略其自身的轉動，建構“質點”模型;在研究桿與物體相互作用的問題時，忽略桿的質量和體積建構“輕桿”的理想化模型;再如在研究物體在空中運動時忽略空氣的阻力只考慮重力作用而建立“自由落體運動和平拋運動”的模型;在研究氣體變化的問題時，我們忽略其他分子間的作用力和分子本身體積的大小，建構“理想氣體”的模型等。這些都是理想化物理模型，它能幫助學生更加輕松和條理化地學習相關知識。

（2）通過類比聯想法建立物理模型。物理來源于生活，在生活中存在很多現成的物理模型，但仍有較多物理規律比較抽象、不易理解。因此可通過類比聯想法建立物理模型。如在講解多普勒效應的時候，由于聲波在空氣中不可見，光憑教師的口頭講解恐怕難以讓學生理解“在聲源前進方向上聲波的疏部和密部被壓緊而導致音調變高”，教師由此聯想到幾乎每個孩子都有在湖邊扔石頭的經歷，可引導學生通過聯想建構一個以“水波”替代聲波的物理模型;又如在學習原子結構時原子核和電子的關系時聯想到太陽系中行星的運動規律，由此建構“波爾能級結構”模型等。通過類比聯想法建構物理模型能有效地將抽象化為形象，將無形化為有形。

（3）利用等效法建立物理模型。利用等效法建立物理模型是在多樣化的具體表象特征和歸一化的本質特征之間構架了一座橋梁，使我們研究的問題化繁為簡。在建立小船渡河模型時我們運用等效的思維方式，將小船的實際運動等效為小船同時進行“隨水勻速運動和小船向對岸運動”的合運動的運動模型;在學習電源的概念時我們將電源等效為一個“電流泵”的物理模型，這樣學生理解電源的作用和性質時就容易得多;在測量干電池的電動勢和內阻時為了更容易理解和分析實驗誤差，我們將干電池和電流表（或電壓表）組合建構了“等效電源”的物理模型，這樣學生對測量誤差的理解和分析就簡單多了。

（4）運用數學函數法建立物理模型。在物理學中研究物體的某種變化規律的過程時，引用函數和圖像進行呈現可以非常直觀且全程性精確描述物體各物理量之間的變化關系。基于此我們常借助數學函數和圖像建構模型。如研究平拋運動的軌跡時，通過數學推導得到軌跡的方程為二次函數，建構“拋物線”的運動軌跡模型，這樣使學生對平拋運動認識更加形象;在恒定電流的學習時研究電源的輸出功率和外電阻的關系時，通過閉合電路歐姆定律和功率的公式推導得到輸出功率與電阻的函數，建構出數學圖像模型，運用P-R圖像將輸出功率與電阻的關系全面直觀地展示出來，使其最大值和變化規律一覽無余，學生理解和記憶非常形象具體。可見將物理與數學結合建立的模型對于更科學、更實效地學習和研究物理規律的作用非常大，是教學中常用的建模方法。

3.提高學生的建模能力的策略。《普通高中物理課程標準》明確指出：“教師在教學中要重視科學態度和科學方法的教育，應該通過概念的形成、規律的得出、模型的建立、知識的應用等來培養學生分析、概括、抽象、推理、想象等思維能力。”高中物理教學除了讓學生學習物理知識之外，還要注意引導學生學習研究問題的方法，掌握常見物理模型的特點和規律，提高學生的建模能力。在教學中提高學生的建模能力有以下具體策略：

（1）培養學生建構物理模型的意識。在教學過程中，教師要引導學生樹立物理模型的意識，讓學生逐步認識物理模型在學習物理和理解物理概念、物理規律，以及解決物理問題方面具有非常重要的作用，豐富多彩、變化多樣的物理問題和物理現象的本質都是常見的物理模型。如與體育運動相關的排球、足球、鉛球的落點問題都可代入平拋運動模型進行求解。

（2）對學過的物理模型及時歸納、總結。教師每教學一個物理模型，都要善于引導學生對已學的相關、相似的模型進行對比、歸納與總結，講解它們之間的異同、聯系，這樣可以促進學生掌握和理解新的物理模型，同時教師要更善于引導學生自己進行歸納和總結。如在學習“傳送帶”模型時，教師就要引導學生將其與前面學習的“塊板”物理模型進行比較，找到它們的異同點，分析兩者之間的聯系，這樣理解模型更容易且深刻。

（3）合理利用各種教學手段提高學生建模的能力。首先物理是以實驗為基礎的學科，學生做實驗得到的感性體驗和認識是學生學習和理解物理模型的重要途徑，日常教學一定要多做演示實驗，激發學生參與的積極性，同時布置一些課后小實驗，鼓勵學生自主完成實驗，以便對一些物理現象有感性體驗，提高建模能力。其二，隨著信息技術和多媒體技術的快速發展，教師應充分利用多媒體，激發學生學習物理的興趣的同時增強教學的直觀性，利用多媒體輔助教學可以更加直觀地展現比較抽象且無法用教具展現的物理模型，從而加深學生對物理模型的理解。其三，通過物理學史的介紹和學習，加深學生對物理模型的認知。如在學習“行星衛星運動”模型時，和學生一起了解人類對行星的研究歷程，加深學生對天體運動模型的理解，并提高學生的建模能力。

高中物理知識比較抽象，多用符號、公式來表達物理概念，因此學習起來有一定難度，如果能使用物理模型將這些抽象的知識具體化，將復雜的理論簡單化，就能降低學習難度，培養學生的學習興趣。在教學中使用物理模型可激發學生的思維，提高學生構建物理模型的能力，培養學生的學科核心素養，促進學生全面發展。

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（基金項目：本文系海南省教育科學規劃一般課題“基于高中物理教材的動力學問題學困原因分析及對策”的研究成果，課題編號：QJY20201060）