浅析高中物理模型发展与学生思维如何构建

陈剑刚

一、物理模型的概述

物理模型是理论知识的一种初级形式，就是将我们研究的物理对象或物理过程、情境通过抽象、理想化、简化、和类比等方法，进行“去次取主”、“化繁为简”的处理，把反应研究对象的本质特征抽象出来，构成一个概念或实物的体系，就形成物理模型。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。物理模型的构建是一种重要的科学思维方法，通过对物理现象或过程，从而寻找出反映物理现象或物理过程的内在本质及内在规律达到认识问题的目的。

物理模型的构建是建立在建构主义的基石上的。建构主义对学习的解释主要有以下几点：1、学习是一种建构的过程。知识来之于人们与环境的交互过程中。学习者在学习新的知识单元时，不是通过教师的传授而获得知识，而是通过个体对知识单元的经验解释从而将知识变成了自己的内部表述。因此，教学的目标是使学生形成对知识的深刻理解，即“为理解而学习”。2、学习是一种活动的过程。学习过程并非是一种机械的接受过程，在知识的传递过程中，学习者是一个极活跃的因素。教学的过程就是引导学生的高级思维活动来解决问题的过程，即“通过问题解决来学习”。

二、构建物理模型的作用

1.物理模型是物理规律和理论赖以建立的基础

物理学的目的是探索自然界广泛存在的各种最基本的运动形态、物质的结构及其相互作用，为自然界物质的运动、结构及相互作用提供一幅绚丽多彩、结构严谨的图画，以便人们认识世界和改造世界。要达到这样的目的，必须得出反映物理现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律，揭示物理事物本质属性之间的联系，此即物理规律，并要求在此基础上形成系统的、自洽的、严密的物理理论。而由于自然界物质的复杂性和多样性，完全按照物理客体的本来面目进行研究，问题将变得很复杂，很难得出定量的物理规律和系统的物理理论，这就要求我们对其进行抽象，得出反映物理客体本质属性的物理模型。

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，对当前的传统观念是一个重大的突破。1905年爱因斯坦受普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。“哈勃定律”所反映的大爆炸宇宙模型，指出了我们周围的宇宙并不是静态的、恒定的、而是动态的、膨胀的。从而冲破了传统观念的束缚，为研究宇宙的起源和演化扫清了道路。

2.利用物理模型可解释物理现象和实验定律

利用物理模型，可得出一些是实验事实相符合的理论结果，从而解释物理现象和实验定律。例如爱因斯坦建立光的波粒二象性模型来解释光电效应实验事实。光电效应是当光照射到金属上时，有电子从金属中逸出。这种电子称为光电子。实验证明，只有当光的频率大于一定值时，才有光电子发射出来；如果光的频率低于这个值，则不论光的强度多大，照射时间多长，都没有光电子产生；光电子能量只与光的频率有关，而与光的强度无关，光的频率越高，光电子的能量就越大；光的强度只影响光电子的数目，强度增大，光电子的数目就增多。按照爱因斯坦光的波、粒二象性模型，当光照射到金属表面时，能量为hγ的光子被电子吸收。电子把这个能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力做功（逸出功），另一部分就是电子离开金属表面后的动能。这个能量关系可写为。这样就利用爱因斯坦光的波粒二象性对光电效应的实验结果作出了完美的解释。

3.利用物理模型可作出科学的预言

作为对物理事物简化描述的物理模型，不仅能够解释物理现象和实验定律，而且也常常能够作出科学的预言，指明进一步研究的方向。

教学中物理模型的构建实质上就是培养物理的创造性思维。

三、在高中物理教学中如何建模？

在研究物理问题当中，将物理对象、物理过程或物理情境处理成简单的模型后进行分析与计算十分常见。

1.对物理概念建模

物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事物的抽象，是观察、实验和物理思维的产物。任何物理概念的形成都离不开物理思维。

2.对物理过程建模

在中学物理中建立的理想化的物理过程有匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐运动、简谐波、绝热过程等。它们从不同的侧面和角度描述和揭示了各种问题中实际过程的特征，也标志着物理学研究的深化。

3.对物理情境建模

“情境”教学是建构主义当然也是物理教学中特别提倡的，让学生在情境中，能给枯燥的学习生活带来活力，尤其是从学生喜闻乐见的生活实际出发，以图画、情境、过程展现出来，使学生亲身体验物理就在生活当中，物理就在我们身边，给学生提供充分动手操作，自主探索和交流的机会，让学生主动研究充满物理规律的实际问题，思维能力，情感态度等方面都得到进步。在创设情境中要注意情境的生活化、现实性。

4.对物理实验建模

实验是物理学的基础，真实实验是一种可实现的、科学的实践活动，其目的在于获得物理思维的材料，检验物理理论或假说是否正确；理想实验也叫“假想实验”，是人们在真实实验的基础上，在理想或极端条件下，充分发挥想象力，利用逻辑推理又辅助以形象变换的思维过程。是物理学家源于自身经验而又超出自身经验的一种高级思维活动，它以实践为基础，是在科学实践的基础上，对实际研究过程中出现的问题进行辩证的、深入的、十分抽象的思维。根据理想实验的结果，对某种看法或断言作出检验或评判，有时还能得出一些新的物理规律，而不必顾虑技术上的困难。