构建物理模型 培养创新能力

罗光荣

近年来高考内容的改革，体现了对学生能力和素质的考查。所以，对高中物理这门课程，重要的是培养学生的科学素质，也体现在对学生的创新精神和实践能力的培养上。在教学过程中大多数研究的对象是一些物理模型，这些物理模型既源于实践，而又高于实践，在我们的生活、生产、科技领域中带有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。目前大多数高中学生普遍感觉高中物理难学，听听还懂，解决实际问题就困难。关键在于他们还是习惯于初中的那种形象思维方式，只会记概念、规律的静态结论，而不重视得出结论的发展过程。只会模仿性地解决一些简单的物理问题，而不善于通过观察分析，提炼出现实情景的物理模型，尔后纳入到相关的知识体系中去加以处理，最后得到问题的解决。针对高中物理自身特点、学生学习现状及自己几年来的教学实践，我认为运用物理模型。解决物理实际问题在高中物理教学中至关重要。那么，怎样构建“物理模型”去培养学生创新能力呢?我谈谈以下几个问题：

1什么是物理模型呢

为使物理问题研究变为可能和简化，我们常采取先忽略某些次要因素，抓住主要因素，对实际问题进行科学的抽象，使问题理想化的方法，这就是构建物理模型。即先构建物理模型，然后在一定条件下，用于处理某些实际问题，这样可使复杂问题简单化，明了化，起到事半功倍的效果。

2构建物理模型是科学理论的依据

纵观物理学发展史，许多重大的发现与结论，都是由于科学家们经过大胆的猜想构思，创建出科学的理想化的物理模型。并通过实验检验或实践验证，在模型与事实基础很好吻合的前提下获得的。

伽利略让小球从弯曲的斜槽上自由下落，当斜槽充分光滑时，小球可沿另端斜槽上升到初始高度，如果另端斜槽末端越接近水平，小球为达到初始高度，将运动很远。如果末端完全水平，小球将一直运动下去，永不停止。正因为伽利略构建了光滑这一理想化的模型，才有惯性定律的重大发现。

法拉第在1852年，对带电体、磁体周围空间存在的物质，设想出电场线、磁场线一类力线的模型，并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线分布形状，从而建立了场的概念，对当时的传统观念是一个重大的突破。

1905年爱因斯坦受酱朗克量子假设的启发，大胆地建立了光子模型，并提出著名的爱因斯坦光电效应方程，圆满地解释了光电效应现象。

卢瑟福以特有的洞察力和直觉，抓住α粒子轰击金箔有大角度偏转这一反常现象。从原子内存在强电场的思想出发，于1911年构思出原子的核式结构模型。

除了上述一些理想化模型外，在高中教材中有：(1)研究对象理想化的模型。例如质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、绝缘体等。(2)运动变化过程理想化的模型。如“匀速直线运动”、“匀变速直线运动”、“自由落体运动”、“平抛运动”、“简谐振动”、“热平衡方程”等，这些都是把复杂的运动过程理想化了的“物理模型”。正是引入了这些理想化的物理模型，才得以使我们面对许多复杂的现实问题，通过简化处理能够比较顺利地予以解决。所以可以这么说，倘若离开了物理模型，不仅物理研究无法进行，而且对物理学科的纵深发展必然会起阻碍束缚的作用。

3在教学过程中重视构建物理模型的培养

(1)利用“物理模型”教学培养学生的创新意识。创新意识和创新能力是两个不同的概念，有时意识比能力更重要。教师应该把建立物理模型的这种创新的思路启发地诉之于学生，这样对学生创新意识的培养才是有益的。

(2)利用“物理模型”培养正确的思维方法，从而培养创新能力。正确的思维方法是提高思维能力的基础，良好的思维能力是创新能力的保证，只有正确的思维才谈得上有良好的创新。但是由于年龄的关系，中学生一般只注意知识的学习，并不关心自己的思维方法是否正确，更不能自觉地纠正一些不正确的思维方法，这就影响了思维发展。因此。指导学生运用正确的思维方法是培养学生创新能力的首要任务。“物理模型”的建立，也是一种严密的正确的思维方法，其思维过程非常明显，分析好每一个“物理模型”的建立思维很重要。以“质点”这个物理模型为例，为什么要将物体简化为质点?什么物体可以简化为质点?质点的概念很简单。如果只教会学生质点的概念，而没有使学生明确这种建立物理模型的思维过程以及运用物理模型建立概念的基本方法和思路，这将是教学上的一重大失误!

分析好每一个“物理模型”的建立思维固然重要，但更重要的是引导学生去领悟这种思维过程，去品味这种思维过程。例如，在讲“自由落体”时，就应该引导学生去理解，为什么要把物体的下落运动理想成“自由落体”?明确学习“自由落体”的真正的实际意义，经过引导、启发、分析，学生自然而然地就会领悟到其中的奥秘，从而培养学生正确的思维方法，达到培养创新能力的目的。

每一个物理过程的处理，物理模型的建立，都离不开对物理问题的分析。教学中，通过对物理模型的设计思想及分析思路的教学，能培养学生对较复杂的物理问题进行具体分析，区分主要因素和次要因素，抓住问题的本质特征，正确运用科学抽象思维的方法去处理物理问题，有助于学生思维品质的提高，有助于培养学生的创新思维。这是培养创新能力的主渠道。

(3)中学物理教材中有许多物理知识比较抽象，学生往往不易理解和接受，并会因此而失去学习的信心。但如果借助“物理模型”教学，通过采用模型方法，突出物理问题的主干，疏通思路，帮助学生建立起清晰的物理图象，使物理问题化难为易，化繁为简，这样不仅起到降低解题难度，增强学生解题的自信心的作用，同时还潜意识地培养了学生的创新和运用能力。

我们可借助模型的建立，对同类、相似的问题进行比较、概括、总结，使学生触类旁通、举一反三。例如，在“类平抛运动”的问题中，我们把平抛运动和带电粒子垂直进人匀强电场中的运动问题从初状态、受力特点进行比较、分析，找出它们的共性，建立“类平抛运动”模型，从而得到解决此类问题的一般方法。

[例1]质量为m，带电量为+Q粒子，水平初速度为u，垂直进入匀强电场E中(如图1所示)，讨论以下几种情况在一定时间后带电粒子的运动模型：

(1)当电场强度为零时，粒子运动情形。

(2)当粒子重力忽略不计，匀强电场为E时，带电粒子在匀强电场中的运动情形。

(3)当粒子重力等于电场力时，粒子的运动情形。

(4)当粒子重力不等于电场力时，粒子的运动情形。

[解题思路]建立直角坐标系，选水平运动方向为x轴，竖直向上方向为y轴，利用两个方向上的运动规律和运动的合成定则求得以下几种情况的结果。

(1)当E=0时，只受竖直向下的重力作用，纯属平抛运动。

(2)当G=0时，只受竖直向上的电场力作用，属“类平抛运动”的模型。

(3)当电场力F等于重力G时，属匀速直线运动的模型。

(4)当F不等于G时，但合力恒定不变，有二种情况，一是合力向上，二是合力向下，属“类平抛运动”的情况。

创设物理情景进行模型转换，培养发散思维能力。发散思维即采用不同的方法，从事物的不同角度、不同侧面、不同层面，多角度、多层次地观察、思考解决问题的思维方式。在解题训练中通过创设物理情景进行物理模型转换。

[例2]如图2所示。一条长为L的细线，上端固定，下端拴一个质量为m的带电小球，将它置于匀强电场中，电场强度大小为E，方向是水平的，已知当细线离开竖直位置的偏角为α时，小球处于平衡位置。

求：(1)小球带何种电荷?求出小球所带电量。(2)如果使细线的偏角由α增大到β，然后将小球由静止开始释放，则β应为多大才能使细线到达竖直位置时小球的速度刚好为零?

[解题思路]问题(1)根据题设条件小球在B点处于平衡条件，对小球进行受力分析。小球受重力，细线的拉力和电场力，在三个共点力的作用下处于平衡状态，据平衡条件合外力为零，求解电场力和电量[略]。问题(2)常规解法是根据受力特点，对整个过程应用功和能关系及三角知识得出。

实际上，由于学生利用数学解题能力的局限。得到正确的答案有一定困难，而由分析可知：小球处于重力场和电场中，受到恒定的电场力和重力的作用，其合力也是恒力，且方向也恒定不变。因此，若把电场模型等效转换为“重力场”模型。则得出小球将在“等效重力”和拉力T作用下沿圆弧摆动，B点为平衡位置，根据单摆振动特点则可得出正确的解答。

所以，在中学物理教学中，循序渐进地启发、引导学生，合理建立、应用物理模型，处理比较复杂的物理问题，熟悉并掌握这种科学研究的思维方法，养成良好的思维习惯，不但能使学生加深对物理概念和规律的理解，提高解题技巧，举一反三，触类旁通，化繁为简，而且对开发学生智力，发展创造性思维，将起到积极的作用。

综上所述，物理模型是培养学生创造性的很好素材，充分科学地用足用活物理模型，给学生营造一个宽松的充分体现以“学生为主”的课堂环境，我们就一定能培养出一代具有创新能力的适合现代化建设的新的人材!