高中物理模型教學與思維能力培養

朱義基

【摘? 要】本文從物理模型的分類出發，探討在高中物理模型教學中培樣學生的抽象思維能力、模型思維能力、等效思維能力和類比思維能力的方法，從而提升學生物理學科核心素養。

【關鍵詞】高中物理;模型教學;思維能力

2020年修訂版《普通高中物理課程標準》將“注重體現物理學科本質，培養學生物理學科核心素養”這一基本理念放在首要的位置。關于物理學科核心素養我們可以從四個方面進行概括：（1）物理觀念;

（2）科學思維;（3）科學探究;（4）科學態度與責任。對于其中的科學思維，模型建構是科學思維諸多要素中的第一要素，下面筆者就高中物理模型教學與思維能力培養談談個人的一點拙見，以供同行參考。

一、物理模型的分類

物理模型是一種高度抽象的、理想化的心理構造物，是科學抽象與高度概括的結果。根據理想化的對象不同，一般分為以下三類：

（一）對象模型

對象模型是針對某一具體研究對象的特點，依據研究的目的和要求，提取其主要因素，而忽略或者淡化次要因素，建立一種能夠體現研究對象主要特征的理想化、抽象化模型。如高中物理中的質點、離子、單擺運動、理想氣體、點光源、盧瑟福模型、光線、波爾模型、薄透鏡等。

（二）過程模型

物理過程一般都比較復雜，會受到多種因素的影響，為了研究方便，常會抓住主要因素、舍棄次要因素，建立能夠揭示事物變化本質的理想過程。如力學中的自由落體運動、簡諧運動、彈性碰撞等;熱學中的等溫變化、等壓變化、等容變化、絕熱變化等。

（三）結構模型

結構模型是基于實際觀察和實驗，運用合理的物理邏輯思維，簡化描述研究對象的結構、相互作用及運動規律等。例如，安培分子電流假說、盧瑟福原子核式結構模型、玻爾的準量子化原子模型等。

二、在物理模型建構的過程中培養學生的抽象思維能力

抽象思維是思維的一種形式，它是指從事物的諸多復雜屬性中，提取其本質屬性，舍棄其他非本質屬性的一種思維過程。對物理模型建構過程的本質進行分析，其屬于一個科學抽象過程的范疇，每個建構模型的教學過程都是培養和提高學生思維能力的極好機會。在物理教學中，向學生展示建構模型的多種思維方法：分析與綜合、抽象與概括、歸納與類比等，通過模型的建構培養學生的分析、綜合、比較、抽象、概括、推理等思維能力。例如，在自由落體運動模型的建構過程中，如何消除學生原有的生活經驗的影響是教學的難點，可以通過演示硬幣和紙片的運動來再現生活經驗，然后將紙片揉成紙團，再和硬幣從相同的高度同時下落，看誰下落得快（幾乎一樣快），從而激起學生的思維沖突，引導學生思考自然現象背后隱藏的規律——下落快慢不同是因為空氣阻力的影響，猜想在沒有空氣阻力的情況下輕重不同的物體下落的快慢會怎樣？接著通過演示牛頓管實驗，得到“在沒有空氣阻力的情況下，重的物體與輕的物體下落得同樣快”的結論。然后運用打點計時器進一步研究落體運動的規律，得到自由落體的運動模型。

在模型教學中，要注意讓學生理解和掌握模型的建構過程，了解如何將具體的事物經過抽象后納入此模型，明確模型建構的具體條件，并讓學生從多個方面了解模型的各種變形，防止學生形成僵化思維或固化思維。

比如，單擺模型是把擺球視作質點，忽略空氣對擺球的阻尼作用，擺球在重力和繩子拉力共同作用下，在豎直平面內作擺角極小（θ<5°）的振動。繩子在擺球擺動過程中提供的是一種指向圓心的拉力，具有約束作用。同時，圓弧也可以限定擺球擺動過程，它同樣具有約束作用，原因在于兩者的本質是一樣的。因此，小球在光滑圓弧軌道的最低點附近所做的往復運動也是單擺模型。

三、在應用物理模型解題的過程中培養學生的模型思維能力

模型思維是一種綜合性的思維，就是對問題建立體系框架，用系統化的方式解決問題的思維方式。在許多領域都可以看到，如在棋類世界，人們通過掌握棋譜而成為高手。通過建構物理模型培養學生的模型思維意識，可以幫助學生理解和掌握復雜物理知識的本質屬性，引導學生在解決問題時舉一反三、觸類旁通，達到事半功倍的效果。物理解題的過程實質是將題目所給的情境抽象成一個或幾個物理模型，然后運用相應的規律求解。在習題教學中，引導學生通過建構物理模型來解決問題，是培養模型思維能力的重要環節。在用模型法解題時，應注意每種模型都有限定的適用條件和適用范圍，綜合考慮所研究問題的性質和目的，正確選擇對應的物理模型，不能隨意亂用模型，亂套公式。

高中物理的課外習題以及高考試題中所涉及的物理模型，它們的建構難度略高于課本中的基本模型，屬于綜合性的物理模型，這就需要我們進一步建構一些綜合性的“系統模型”來解決問題。比如，追及模型、傳送帶模型、板塊模型、子彈打木塊模型、爆炸模型、電磁軌道上的雙桿模型等。重視這些系統模型的建構和應用，總結其規律和方法，有利于學生模型思維能力的發展。

四、在物理模型變換的過程中培養學生的等效思維能力和類比思維能力

歷屆高中學生均反映物理學習起來很難，盡管上課時聽起來很有趣味，但在實際做題時卻不會。許多學生很困惑：明明記住了物理教材中的許多公式，但在面對一個新的情境時卻不知道該用哪個公式，或如何運用這些公式去解決實際的問題。究其原因，根本在于學生缺乏從具體問題抽象出一個物理模型的能力。也就是說，或缺乏對公式的深入理解，或缺乏對實際問題的分析能力，或缺乏在公式與實際問題之間建立某種聯系的能力。因此，要想讓學生構建起良好的模型思維，就不可忽視對學生加強模型變換能力的培養。

等效變換和類比變換是常見的兩種模型變換方式。

等效思維就是將某個陌生而又復雜的實際物理對象或者物理過程用一個理想狀態下的簡單而又熟悉的物理對象或者物理過程來代替的一種思維方法。我們在分析具體的物理問題時，可以將題目給定的物理現象抽象出一種模型，然后與我們曾經熟悉的模型進行比較，尋找它們的共性特征，辨識其中的差異，只要物理本質相同，就可用此模型進行替代，從而獲得解決問題的方法或者思路，這便是等效法。

例1： 如圖1所示，帶有光滑弧形軌道的小車質量為m，放在光滑水平面上，一質量也為m的鐵塊，以速度v沿軌道水平端向上滑去，至某一高度后再向下返回，則當鐵塊回到小車右端時，將（? ? ）。

A.以速度v做平拋運動

B.以小于v的速度做平拋運動

C.靜止在車上

D.自由下落

解析：由于鐵塊和小車組成的系統在整個作用過程中所受外力為零（動量守恒），也沒有機械能損失（機械能守恒）。所以，可以將鐵塊滑上小車圓弧軌道又返回的全過程等效為：一個小球以初速度v與另一個靜止小球發生彈性碰撞的過程，由于質量相等，發生速度交換。當鐵塊返回到小車右端時，以地面為參考系，小車的速度為v，鐵塊的速度為零，因此，鐵塊做自由落體運動，故選D。

類比思維是根據兩個研究對象，在某些屬性上類似而推測其他屬性也類似的思維方法。我們可以根據題目給定的信息提取出一種物理模型，然后與我們熟悉的模型去進行類比，如果兩者的物理本質不同，則可以運用辯證思維，尋找兩者能夠發生關聯的因素，從而獲得某種啟發或相同的結果，這便是類比法。

例2：如圖2所示，光滑弧形軌道和一足夠長的光滑水平軌道相連，水平軌道上方有一足夠長的光滑金屬桿，桿上掛有一足夠長的螺線管A，在弧形軌道上高為h的地方，無初速釋放一磁鐵B（可視為質點），B下滑至水平軌道時恰好沿螺線管A的中心軸線運動。設A、B的質量分別為M、m，試求：

（1）螺線管A獲得的最大速度;

（2）螺線管與電阻R組成的回路中產生的焦耳熱。

解析：磁體B進入螺線管的過程和“子彈打木塊（未穿出）”的物理模型類似，這里螺線管A中感應電流產生的磁場總是阻礙磁體和螺線管間的相對運動，磁鐵與螺線管間的排斥力跟子彈在木塊中相對運動時摩擦力的作用類似，將機械能從一個物體轉移到另一個物體，同時將一部分機械能轉化為電能（內能）。以A、B為研究對象，它們所受的合外力為零，動量守恒，當A、B速度相等時，相互作用結束，螺線管獲得的速度最大。根據以上分析可得：

（1）設磁體B滑至水平軌道時的速度為v0，根據機械能守恒定律得：

在水平軌道上磁體B與螺旋管A相互作用，當二者速度相等時A獲得最大速度vm，根據動量守恒定律得：

上述兩式聯立，可解得：

（2）回路中產生的焦耳熱等于系統損失的機械能，即：

總之，物理模型的建構與應用在高中物理教學中有非常重要的地位，而物理模型教學與思維能力的培養是相互聯系、相互促進、相輔相成的，二者的有機統一有利于學生核心素養的培養。