論物理模型及其教學

耿建

摘要：物理模型是基于真實的物理情境的抽象，不同類型的物理模型緣于不同的分類標準。物理模型是靜態的，其建構過程則體現了科學方法。教學中，需要讓學生掌握物理模型，更需要培養學生建構物理模型的意識以及借鑒物理模型解決具體問題的能力。

關鍵詞：物理模型;模型建構;科學思維

日常的物理教學會涉及許多具體的物理模型，如質點模型、理想氣體模型、氫原子模型等，又如板塊模型、磁聚焦模型、電磁感應中的單雙桿模型等。高三也經常可見以“模型”為專題的復習課。如何真正發揮出物理模型的功效，需要我們了解物理模型的內涵、厘清物理模型的類別及特征、明晰物理模型的功能，由此得到物理模型教學的建議。

一、物理模型的內涵

《辭海》中關于“模型”的一項定義為：“在自然辯證法中，與‘原型’相對，研究對象的替代物。原型，即客觀存在的對象客體。模型，則是具有原型相似特征的替代物，是系統或過程的簡化、抽象或類比表示。”②夏征農.辭海[Z].上海：上海辭書出版社，2002：1185，1186。《辭海》中還有對“模型方法”的定義：“以研究模型來揭示原型（被模擬對象）的形態、特征和本質的科學方法。以客觀事物、現象和過程之間存在的相似性為客觀依據。模型一般可分為物質模型和思想模型兩大類。”②

進一步，我們可以得到物理模型的幾點內涵。其一，模型需要原型，物理模型的原型就是真實的物理情境。其二，模型具有概括性、抽象性，即通過簡化、抽象或類比凸顯原型的主要特征，物理模型就是凸顯真實的物理情境（系統或過程）主要特征的替代物。物理模型有物質模型和思想模型兩大類。其三，建構物理模型屬于一種科學方法，在過程中對真實的物理情境進行簡化、抽象或類比，從而建構得到相應的物理模型。其四，物理模型是靜態的，指向結果，凸顯真實的物理情境的主要特征;建構物理模型是動態的，體現為抽象概括真實的物理情境主要特征的過程，是科學方法的一種。

二、物理模型的類別及特征

不同的分類標準就有不同的類別。曹寶龍老師認為，合理的物理模型的分類方法應該以問題解決過程的要素為依據。問題性質的研究也是問題解決的關鍵，以問題性質的要素為依據可以將模型分成：問題的對象（狀態）模型、問題的過程模型和問題的條件模型。曹寶龍.物理模型的建構與教學建議[J].物理教學探討，2016（5）：2。張賢祺老師把物理模型分為實體模型、過程模型和方法模型。張賢祺.淺談物理模型的建構[J].物理教師，2010（7）：1315。這兩種方法都是按模型的特征進行分類的，是靜態的模型分類方法，即局限于“是這個物理模型”的層面，分類的結果也大體相同。模型是對原型提煉、抽象的結果，不僅需要最終的模型結果及應用——當學生遇到新問題時，能從原有的認知結構中尋找到與現有的問題情境相匹配的模型，更有意義的則是模型的建構。我們需要通過不同類型模型的建構，體現科學方法，培養學生建構模型的意識和能力，即當學生面對無法與現有物理模型匹配的真實的物理情境時，能有意識地去建構新的物理模型，并利用新的物理模型分析與解決問題。另外，張賢祺老師認為，“方法模型”是物理模型的一種，其中涵蓋極限分析法、等效替代法、對稱分析法、圖像分析法、假設推理法等。而筆者以為，這些是科學方法在具體問題中的應用，沒有原型與之對應，應該不屬于物理模型。

如何培養學生的模型意識、模型習慣以及利用模型分析和解決問題的能力，則需要回歸學習過程，在過程中不斷積累。按學習的時間節點和階段性分類，學習過程包括新知識習得階段和應用知識解決問題階段，簡言之，就是新授課階段和復習課階段。新授課階段是物理概念、規律累積的過程。該過程中，學生會第一次接觸各種類型的物理模型，如質點、點電荷、點光源、理想氣體、理想變壓器、薄透鏡、單擺、彈簧振子、勻變速直線運動、完全彈性碰撞、簡諧運動等。這些物理模型都來自教材。在復習課階段，學生會遇到不同類型的具體問題。教學中，我們常常將一些具有共同特征的問題歸納為物理模型，如彈簧模型、板塊模型、磁聚焦模型、電磁感應中的單雙桿模型、類平拋運動模型等。這些物理模型來自問題解決的過程，是為方便同類問題的解決而提煉出來的。

無論是新授課，還是復習課，要想幫助學生建立（或復認）完整的概念、模型，均離不開情境或場景支持。徐衛華.基于場景支持理論的高中物理模型建構[J].物理教師，2021（12）：17。也就是說，不管是哪個階段，模型不是簡單的結論，都需要經歷一個“情境—模型”的建構過程。對應這兩個學習階段，物理模型的建構過程在功能和特征上存在明顯的差異。圖1和下頁圖2所示即為兩類模型建構過程的流程圖和各環節具有的特征。

新授課時，教師一般會呈現多樣的、開放的物理情境。例如，“質點”模型教學，可創設的物理情境有飛機的飛行、汽車的運動、輪船的航行、天體的運動等。當研究的問題與這些不同情境下物體的大小、形狀無關時，就將這些不同類型的物理原型抽象為一個有質量的點。“質點”這一模型是之前的物理學習過程中沒有涉及的，是由各種具體原型抽象出來的，具有創新性。當建構了質點模型之后，遇到可以忽略物體大小和形狀的情況時，就可以將這類物體看成質點。這是質點模型的普適性。如研究運動員百米比賽中的平均速度時，可以將運動員視為質點。這也反映了質點模型的應用性。

而在復習課中，常常會遇到不同的具體問題。如板塊模型，有水平面上的板塊問題，有斜面上的板塊問題，有初速度、相對運動不同的板塊問題，有受力條件不同的板塊問題等。但只要是具體的問題，其物理情境就是單一的、封閉的。這類問題的分析思路、解決方法具有共通性。比如，都需要明晰運動過程，確定受力特點，運用功能關系或者動量守恒規律等。因而，不同情境下的板塊模型也就可以加以類比。有了一定的積累之后，就可以對此類問題形成一種程序化的解決策略，這是方法的遷移。但不同的具體問題具有個性化差異，如果無視問題的個性化、情境的差異性而“刻舟求劍”式地簡單套用物理模型固有的方法，則是對物理模型的一種異化。

三、物理模型的功能

物理模型的意義在于物理模型建構及運用的科學方法。我們希望通過建構物理模型的過程，提升學生的科學思維素養，養成建構模型的意識和利用模型的習慣，發展拓展模型的能力。因此，王全等有了“物理模型教學”的提法。物理建模教學的目的是促進學生通過建構和使用科學模型去描述、解釋、預言、設計來理解物理世界和調控物理現象。王全，母小勇.模型與建模：國際物理教育新視點[J].外國中小學教育，2009（3）：56。因此，物理模型是手段、途徑、橋梁，而不是目的。在新授課教學中，倡導“根據這些物理情境，能抽象概括得到什么共同特點？”這樣的提問，旨在培養學生抽象、概括的能力。而在復習課教學中，倡導“看到這個物理情境，你想到了什么？”這樣的提問，旨在培養學生提煉、遷移的能力。而像“這是某物理模型，常常在某地方使用”“這個問題中的物理模型是……，應該運用……方法分析” 這樣的簡單告知，就讓物理模型變成了思維的起點，忽略了問題的本質，容易讓學生養成脫離具體問題的情境、條件，直接去尋求問題答案的功利化學習習慣。

新時代推進高考綜合改革，物理學科考試評價要實現由“知識能力立意”向“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”轉變，有效發揮質量監測作用，促進高中物理育人方式改革。而落實“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”的高考評價體系理念，體現為學生能夠在復雜的、新穎的試題情境下綜合運用所學知識和技能處理問題。程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：3844。通過設置真實的問題情境，考查學生靈活運用所學知識分析問題、解決問題的能力，允許學生多角度作答，使“死記硬背”“機械刷題”“題海戰術”的收益大大降低，引導學生的關注點從“解題”向“解決問題”、從“做題”向“做人做事”轉變。教育部考試中心.中國高考評價體系：函套[M].人民教育出版社，2019（1）：18。新課程、新高考背景下，真實的、復雜的、新穎的問題情境成為考查學生物理學科核心素養的方向。解決這樣的問題，首先需要學生認識情境的物理本質，而認識的過程就是將問題情境與原來認知結構中儲備的物理模型建立聯系。具體的問題情境是多樣化的、不可窮盡的。因此，這種聯系是基于共性基礎上的個性化體現，不是“依葫蘆畫瓢”，而是真正體現“具體問題具體分析”。面對的“具體問題”，可能有原來學習過程中遇到的物理模型的“影子”，但肯定有原來物理模型所不具備的個性化特征，這就需要“具體分析”。分析過程可以借鑒原來物理模型的共性特征，這才是學習、積累物理模型的功用，是“用模型解決問題”而不是簡單的“教模型”。

四、物理模型教學的建議

新授課階段，物理模型是新概念、規律建立的橋梁，是透過表象認識物理本質的科學方法。在物理模型的新授課教學中，要注意這樣幾點。一是要用歸納的方法給出物理模型。物理模型是在眾多的真實情境中抽象概括出來的，是多樣性基礎上的統一，體現為歸納的科學方法。如質點模型的建立過程。二是培養學生對物理模型的批判性。物理模型具有代表性、典型性，而又具有條件性，隨著認識能力與技術的提升，物理模型是不斷變化升級的。如對原子模型的認識，從哲學層面不可分割的組成物質的最小單位，到“棗糕模型”“核式結構模型”，再到半經典半量子的“氫原子模型”。這體現了人類的認識不可窮盡的特點。三是要讓學生意識到物理模型的局限性。模型是原型的替代物，體現了從簡單到復雜的認知水平螺旋上升的過程。因為面對真實的物理情境時，不可能一下子就能揭示事物的本質，首先需要簡化，然后逐漸逼近本質。如對氣體狀態參量關系的研究，從氣體的等溫變化，到氣體的等容、等壓變化等規律的研究中，提煉出理想氣體的物理模型;然后再結合高壓、低溫等實驗條件下氣體狀態參量之間的關系，意識到理想氣體模型只是在壓強不太大、溫度不太低狀態下的實際氣體的替代物。

高三二輪復習階段，常常有模型專題復習課。在這些專題復習課中要注意這樣幾點。一是防止物理模型知識化。復習課中常常將物理模型變成復習的起點——一拿到具體問題，就讓學生判別這個問題屬于什么物理模型，而不是辨識這個問題具有什么物理模型的特征。二是防止物理模型模式化。復習課中常常用物理模型代替真實的情境，當判定了一個問題屬于什么物理模型后，緊接著就強調解決該物理模型問題選用的規律和方法，而忽視了這個具體問題的個性化特征。三是不要試圖將物理模型窮盡。專題復習課經常是對一種物理模型的深度挖掘，試圖將同一種物理模型盡可能多地展現甚至窮盡。這樣的處理方式反而使物理模型變成學生學習的一種負擔，成為另一種“題海戰術”。

物理學習的過程，本質上是通過“物”的層面的研究來揭示背后的“理”，物理模型則是研究過程中的重要手段與媒介。盡管物理模型是重要的，甚至是必要的，但物理模型不是目的。我們的教學需要做到的是，幫助學生利用好物理模型來更好地認知世界，為他們提供更好的認知世界的途徑和方法。這也是將模型建構劃歸到科學思維要素之一的重要原因。