高中物理課堂教學中模型構建的實施

福建省廈門市第二外國語學校 葉金福

物理模型是根據模型構建對象的主要特征，如對象形狀、對象大小、對象運動狀態、對象運動過程等。根據物理模型的主要因素構建抽象化的概念或實體。模型的實體與概念源于實踐，但模型的實體與概念和實踐有一定的差別，能夠展現在實踐中現象和過程的特征，讓研究者進行深度探究。

物理過程的處理方法和模型構建都需要對物理問題進行分析和研究，在教學時教師需要厘清設計物理模型的思維，結合模型的建設過程，開展探究性學習，使學生利用模型分析復雜的物理問題并最終解決物理問題。讓學生通過構建模型分析物理問題中的主要因素和次要因素。模型法能讓高中學生擁有最基礎的科學抽象思維，并利用抽象思維學習物理問題，讓學生的創新能力在物理學習中獲得大大提升。物理模型法更能讓學生了解物理學的基本研究方法。在高中階段的物理課堂教學中，培養學生對模型的構建可以從以下幾個方面入手。

一、課堂教學中應注意培養學生物理模型建構的思想

解答物理問題能讓物理信息和學生頭腦中已有的知識聯系。通過將物理問題和物理知識聯系，讓問題的本質變得清晰和自然，解決物理問題時，需要摒棄物理問題里的不重要因素，結合物理問題的核心是解決物理問題。根本方法是利用建模思想路徑，尋求物理建模過程，尋找物理問題的解決思路，比如讓學生嘗試構建勻速運動模型，構建理想化中的模型，發現物理學中的普遍規律，最終解決物理學問題。

物理建模思想是在遇到物理問題時，無法通過概念進行處理，而需要先剔除和核心思想無關的次要因素或者是不影響結果的次要因素，通過構建主要因素之間的問題去理清問題的本質，最終構建理想化的物理模型、解決實際問題的一種抽象思維。學生在理解物理概念時，通常難以理解物理概念的實質，難以把握電場強度、電勢能、磁通量等復雜抽象的概念。構建概念化模型是解決物理問題最高效的思維模式，通過構建能或場的概念，讓學生認識磁場的性質和能量，在磁場中轉化的過程，了解能量的變化，通過模擬靜電類比重力場讓學生掌握能與場相關的物理知識。

教師要從解決物理問題的實際出發，讓模型學在物理學發展的過程中和學科知識相互滲透展現模型的特點，突出模型的外在形象美，令學生通過模型了解物理學科的魅力。讓學生在解決問題時優先考慮模型這種模式，教師在開展物理習題課教學時，要讓學生總結模型，理解模型的內涵，讓學生能夠在學習物理知識時從模型入手，了解模型中不同物理概念的意義。

二、課堂教學中應想方設法激發建模欲望

在物理課堂上，教師要激發學生的建模欲望，需要結合物理學科的特點，也需要結合學生的心理需求，促使學生在掌握一定知識的基礎上形成建模興趣。在解決問題時，學生會遇到各類突發情況，也更容易受到這些突發情況的影響。因此學生會有更多解決現實問題的欲望。當生活經驗和親眼目睹的實際與物理理論出現矛盾時，學生就必須用正確的方式和公式解決遇到的現實問題。例如，在分析拔河比賽的作用力時，需要結合拔河雙方的作用力與地面的摩擦情況，對拔河中力的作用力進行分析，研究拔河中不同對象的受力。在解決物理問題時，要根據問題情境引導學生細致而全面地分析。

在上課時可以結合物理學史中的著名問題構建模型，通過分析物理學的歷史史實和物理學的經典問題提煉高中物理的知識點，讓學生感受物理發展歷史的同時又能解決物理學中的經典問題和高中物理學中的基礎問題，從而提高學生對知識本源的興趣。例如教師可以引入著名物理學家居里夫人在放射性元素方面的卓越研究，并且將居里夫人的研究當作帶電粒子在磁場中勻速運動的背景材料，為枯燥的課堂增添趣味。通過構建完整的模型激發學生探究與利用物理模型，直觀且形象地讓學生第一次對物理產生美的認知，激發學生想通過自己的實踐去創造模型的愿望。

三、課堂教學中運用“從例子到規則”的方法，幫助學生正確建立物理模型

在日常課堂教學過程中，教師要為學生展現物理模型相關的許多教學案例，讓學生辨別物理模型的特征，概括物理模型的本質。在教學過程中，教師一定要注意引導學生關注模型的突出特征，控制和模型研究問題無關或次要的要素，物理模型的特征越明顯就越方便學生抓住學習的重點。如果模型設計的無關元素越多，就可能導致學生的注意力出現偏差，從而出現學習困難。物理模型的學習中，教師要善于幫助學生對已學物理模型進行歸納與總結，更要善于引導學生自己進行這項工作，有利于學生總結知識，積累經驗，這是物理模型構建中必要且重要的，也能讓學生學習的物理模型更加精確。同時教師也要進行適當的變式訓練，改變物理模型的非關鍵性特征，讓學生看破不同的表現形式，抓住物理模型的本質。

物理模型的實現和建構需要積累知識經驗，因此構建模型的行為是循序漸進的學習過程，可以通過以下過程，對物理模型有完全的認知：

第一步：利用實踐中的物體映射能肉眼觀察的影像并存儲模型。教師可以引導學生觀察教室中肉眼可見的物體，或現實中學生經常接觸的客觀客體，例如教室里的黑板或者是足球場上運動的足球等，讓學生觀察足球和黑板的運動情況，對比分析黑板這類靜態物體的模型。在構建勻速運動的模型時，教師可以通過實驗的模式讓學生觀察勻速運動的小車各點的運動變化情況和小車整體的運動過程，讓學生了解質點這一重要模型，通過實踐案例讓學生理解物理學中質點的意義，在應用中學會利用質點模型的特性和質量特征來描繪物體。利用質點模型簡化物體，在研究時可以拋開物體的大小特性，并將物體當作質點處理，讓學生理解質點類似的物理學客觀概念，這些深奧的物理學概念都可以通過模型進行構建。

第二步：利用分清主要因素和次要因素的思想來構建模型、存儲模型。在分析帶電粒子在電場中的運動時，學生應當運用質點建模分析受力對象探究，質點對受力對象產生的電場力，通過構建與平拋運動類似的模型和重力下的平拋運動模型對比，了解高中物理知識中的主要因素，在物理學中運用哲學的辯證法思想。如此一來，長此以往學生就可以了解在同樣的電場中電粒子的重力小于電場力，簡化問題。通過對比重點因素和次要因素確定重點因素，學生能夠理解力學中的勻速力磁場，通過突出重點因素的形式構建模型。

第三步：創建物理模型不僅要求學生有較強的抽象思維能力，還要有探究物體運動變化的抽象過程的知識增加與能力的提高，比如讓學生對力學中的平拋運動、自由落體運動有越來越深刻的認知，對這些運動相關的模型也日益熟悉。在模型認知成熟后，學生就會掌握更全面的力學知識。高中物理學要求，學生不僅要將實體抽象成抽象化物體，還要針對力學變化過程構建模型。根據循序漸進的學習原則，學生在學習易學基本對象后再學習電學中的恒定電流，探究電學中磁場粒子的勻速圓周運動，繼續構建更復雜的模型。通過知識的遷移升華知識，提高自己的知識掌握層級，最終構建難度更高的模型。

四、課堂教學中培養學生逐步形成建模能力

“物理模型構建思想”對高中生而言非常重要，教師在幫助學生培育物理建模思想最重要的是讓學生去領悟思維，感受建模思想的形成，在分析自由落體時，教師應當讓學生自主感受物體從高空中下落為何被稱為自由落體，通過學生的親身感受，了解物理學里自由落體的含義，引導學生了解自由落體的規律，讓學生擁有正確的思考方向，培養學生的創造能力。

在高中物理教材中有許多抽象化的物理知識，這些知識難以被學生所理解和接受，如果學生長期接觸抽象化的知識，會讓學生失去信心，如果教師在教學時結合物理建模思想，讓學生建設模型學習，便能突出物理問題的重要核心，便于讓學生理解和掌握，通過幫助學生疏通思路，讓學生腦海中有清晰的物理知識樹狀圖。建模的思考方式能讓學生簡化物理問題的解決流程，增強學生學習物理的自信心和成就感。

在培養“物理模型構建思想”的教學過程中教師要幫助學生構建物理思維，關注學生在學習過程中學習方法和思維方式的變化，同時教師也要積極糾正學生對模型思維產生的錯誤理解。例如部分學生在學習物理學知識后認為模型是理想化的，不能用理想化的模型套用實際的情況，這部分學生無法理解教師導出的公式。在這時身為教師，我們要讓學生通過親身體驗感受物理模型的特點與好處，讓學生了解物理模型在解決題目時發揮的重要功能，強調物理模型的條件性特征。在實踐中，客觀事物的運動是由復雜規律交織而成的，需要慢慢去探索，去領會其中的奧秘。理想狀態的物理模型代替真實客體的運動，能夠簡化物體運動的模式，讓事物的發展規律能夠以物理學的形式呈現，便于學生掌握知識的根本內涵。如果學生能夠掌握物理模型的構建方法，并且在題目的學習中運用物理模型構建思想，那么學生就能對物理學知識有更深刻的認知。培養學生的思維知識是教學的創新，需要教師重點關注。讓學生認識物理模型與理解物理模型也是物理教育的創造過程，這個過程能培育學生的創新思維能力，讓學生對物理模型產生正確的認知，是培養學生物理素養和創造能力無可替代的有效渠道。

五、高中物理課堂教學中構建模型的幾種途徑

1.觀察——實驗——建模。

認識和了解自然現象離不開觀察和實驗，以公路的路基鋪設情況為例，教師應當要求學生觀察公路轉彎處路面傾斜情況，在學生掌握勻速圓周運動基本知識的前提下引入勻速圓周運動模型，解釋設計原理，讓學生充分理解物理知識在交通中的應用，理論與實際相結合的教學方式使學生在頭腦中形成清晰的實際情景。借此還可以解釋火車的鐵軌鋪設原理等，讓學生明白為何可以對車輛建立物理模型，將其看做質點，對車輛的運動模型建立物理模型即勻速圓周運動模型，并以受力情況為切入點解釋其做圓周運動的原因。還可以利用課本中勻減速運動的相關知識計算車輛的行駛速度。訓練學生觀察、實驗、根據已有知識對問題進行抽象建立物理模型的能力。

2.類比——聯想——建模。

類比就是經過觀察分析明確某些事物在某些方面具有相似之處時，可以根據已有的知識對它們某些性質進行相似的推論。類比可以幫助學生利用較為熟悉的物體的性質理解學生并不是很熟悉的物體的性質，以完成對問題的解答。學生在理解電場的分布和電勢能時可能并不容易，特別是涉及變化過程的知識并不好掌握，此時就可以將重力勢能的知識與電勢能的變化做對比，進行類比，降低理解上的難度。在兩種能量變化相似的過程之間建立聯系，建立一個與用來解釋重力做功與重力勢能變化關系的模型相近的物理模型。此外這種類比思想還可以應用到學習玻爾能級結構中，原子核外電子運動動能及電勢能如何變化理解起來并不是很容易，尤其是發生電子軌道躍遷時二者大小變化理解起來更為困難。此時就可以引入人造衛星運動模型這種學生熟悉擅長的物理模型進行類比，電子可以與衛星進行類比，萬有引力就可以等效為庫侖力，電勢能與萬有引力勢能進行類比，電子動能可以與衛星的運動動能形成一個類比。類比可以使解題的方向更加清晰，也可以幫助學生對情景有一個更清晰的構建，建立起的物理模型也就更有說服力。類比聯想拓寬了學生的想象空間，思維方式也會更加發散和深入。

總而言之，物理模型方法在物理學研究以及學習中占據非常重要的地位。物理課堂在教授學生物理建模的過程中更好地鍛煉了學生科學思維的能力，對于學生科學素養的提升也起到重要積極影響。教師在教學過程中應當格外關注物理模型促進學生學習的特性，不斷地探索，有效地利用每一種方法，培養學生物理建模思想的形成。

綜合如上所言，高中物理課堂教學中引導學生認識和理解模型形成，培養學生初步具備“物理模型”構建的思維、進行簡單“物理模型”構建的能力是復雜與長期的過程，需要教師和學生雙方進行訓練，立足物理課堂教學找到模型化方法與物理教學的更好的契合點，不斷地積累、挖掘和領會。