“多方建模”化解物理知识难点初探

江秀梅 刘大明

摘 要物理模型是物理学中常用的科学方法，能使复杂事物简单化、纯粹化，有利于真理的探索与发现。在实际教学中，提高物理模型的显性化水平，组织训练物理模型法，可促进自主构建物理模型去解释事物、理解知识、解决问题。对于某些难点知识，还可以循序渐进地层层构建模型，即“多方建模”，使难点知识得到突破。本文以闭合电路教学为例，初步探讨了多方建模化解知识难点的方法。

关键词物理模型 多方建模 闭合电路

新课标教材理念有意打破学科内过于严苛的系统性（全日制教材的特点），于知识中渗透科学方法教育。但这并不是否定学科系统性，而是希望教学中不拘泥于此，以防创造性、创新性思维的削弱，是响应“减负”的号召，把过于抽象的科学方法有意“隐去”，目的是希望师生不拘泥于科学方法的文本介绍和理解，但绝不否定对基本科学方法的意会。

笔者关注科学方法在教学中的运用研究，注意到不少教师已经在这方面有一些成果，指出科学方法教育应该将隐性渗透与显性提升相结合。相比而言，科学方法的显性化的呼声越来越强烈，陈运保、马亚强在文本分析基础上提出了显性化水平概念，对各种科学方法在高中教材中显性化水平做出层次化研究[1]。法国科学方法论学者阿雷说：“科学的基本活动就是探索和制定模型”。可见理想化模型是相当重要的科学方法之一，在高中教材中显性化水平位居前列。本文就物理模型在高中物理教学中运用现状分析的基础上，以闭合电路教学实例探索化解知识难点的有效方法——“多方建模”法。

一、建模思想运用于高中物理教学中的现状分析

所谓科学方法显性化是在建立物理知识中，标示所使用的科学方法、对科学方法的内涵进行阐述、组织和训练科学方法，即更加明确地、显性地进行科学方法教育，引导学生掌握科学方法。那么物理模型在高中物理教学中运用情况如何，显性化水平又怎样呢？

1.物理模型在高中物理教材中的显性化水平

根据文献[1]统计，在高中物理教材中渗透物理模型方法的次数为18次，标示2次，讲解1次，组织使用4次，显性化水平位居前列。从高中物理教材而言，物理模型法是最先呈现的科学方法，必修一第一章第1节讲解质点时，就明确了物理模型方法的名称、内涵与外延，以“物体是否可以看做质点”进行实例讲解和习题训练；在讲解库仑定律时，显性化指出点电荷也是一种理想化的物理模型。

物理模型有三类，分别是对象模型、条件模型和过程模型。教材仅仅在对象模型上进行显性化呈现，而条件模型和过程模型都是隐性渗透。例如在微观粒子不计重力中，通过例题分别计算氢原子的质子与电子之间的万有引力、库仑力大小，通过比较显示微观粒子为什么可以忽略重力（人教版选修3-1第一章第2节），这实际上就是条件模型的隐性渗透；匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动、匀速圆周运动等等，实际上都是理想化的过程模型，新课标教材几乎没有对它们进行严格定义，这是过程模型的隐性渗透。

2.物理模型法在实际教学中的显性化水平

物理教师都知道什么是物理模型，但是，大多数教师却仅仅在讲解质点、点电荷两个知识点时提到，很少有教师在认识、理解、运用物理概念和物理规律上给予科学方法的点拨。也就是说，除了质点、点电荷两概念教学之外，几乎不会提及物理模型科学方法，更不会组织使用物理模型来理解有关概念、规律或结论，即师生是在不知不觉地情况下运用了物理模型科学方法。

举一个例子说明师生对物理模型法的理解水平：微观粒子为什么可以忽略重力却不能忽略质量？不少学生被问倒，有些物理教师的回答也显得逻辑混乱。而严密的逻辑分析是：在研究微观粒子的动力学问题时，从受力这个角度而言，重力相比于电场力对问题的影响很小，可以忽略；根据牛顿第二定律，若忽略了质量，这里的动力学问题就是一个无解问题，即忽略重力对问题的影响不大，忽略质量对问题的影响很大。

原物是否可以理解为某种模型，首先要明确研究问题，其次是分析原物某一属性是否对该问题有影响或影响多大，结论是无影响或影响很小，则这一属性可忽略不计。之所以师生对物理模型法的理解水平不高，原因是平时缺乏有意识地训练。

3.学生对物理模型的认识水平

学生对物理模型的认识仅仅停留在死记硬背层面，教材或教师说了质点和点电荷是理想化的物理模型，所以它们是理想化的物理模型；教师说了轻绳等质量可以忽略，所以质量可以忽略。

学生根本没有理解到，物理模型作为一种科学方法、一种思维方法，它最重要的功能是帮助我们解释事物、认识世界和改造世界。就学科知识而言，它的价值是帮助我们认识概念、理解规律；就问题解决而言，它的意义是帮助我们把复杂问题简单化，忽略次要因素，突出主要因素，使问题得到有效解决。

二、建模思想在实际教学中的实施策略

1.消除认识误区，提升对物理模型的认识

不少学生对物理模型的认识存在误区，他们认为：物理模型是一种简化的、纯粹化的、理想化的东西，不是事物本身，所以它是不切实际的、远离真实的、没有多大意义的东西。实则不然，物理模型确实是失去了部分真实，但却更易接近真理。

例如一块金属导体有很多特征属性，大小、形状、体积、质量、温度、可以导电和导热等等，只有选择关注体积、质量两个属性，而忽略其他属性，才能得出密度这一固有属性；选择了温度、导热属性，才能得出比热容固有属性；关注导电时的电流、电压，才能得出电阻固有属性及发现欧姆定律；进一步关注电阻、长度、横截面积等属性，才能得出电阻率固有属性及发现电阻定律。这个例子很好地说明了只有在突出某些主要因素的同时忽略某些次要因素，才能更容易发现规律、认识事物。

2.在实际教学中，提升对物理模型的显性化水平

（1）在讲授新知识时，明确科学方法

科学的基本活动就是探索和制定模型，诸如研究对象质点、点电荷、杆杠、微观粒子、电容器、电阻器、电源、用电器、变压器、传感器等；研究过程匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动、匀速圆周运动、动态平衡等都是理性化的物理模型。在讲授这些知识时，明确告知学生忽略了什么、突出了什么，如此处理解决了什么问题，不这样处理问题解决情况又将如何。

（2）在讲授抽象难懂的知识时，引导学生建立物理模型

高中物理中有很多现象难以理解，只有建立物理模型后才能融会贯通。例如静电感应现象、静电平衡现象、法拉第圆筒现象、尖端放电现象、电流热效应等现象很难理解，只有建立金属导体模型后，才有柳暗花明、茅塞顿开之感。

引导学生建模时，告诉学生不能僵化古板，避免教条主义，因为建构的物理模型没有对错之分，关键看能否解释物理现象、解释多少物理现象。物理模型的建构标准是：模型越简单越好，越易扩展越好。模型越简单，附加具体条件，才能解释更多现象，即扩展性越强。

（3）在习题讲评中，运用物理模型

轻绳、轻杆、轻弹簧、自由杆、固定杆等都是习题中常见的对象模型，在习题讲评中，应深入浅出地引导学生理解它们：它们分别忽视了什么、突出了什么？可以解决什么问题、不能解决什么问题？这些模型有哪些共同点、有哪些不同点？……

引导学生按照物理模型方法总结一类习题，例如板块模型、天体运动模型、机车启动模型、斜面模型、各类临界模型等。在总结中，领悟物理模型，体会物理模型在理解知识、解决问题中的作用。

三、多方建模化解知识难点

人们对某一事物的认识过程总是循序渐进、螺旋前进，作为解读事物的物理模型的构建也是如此。例如，人们对宇宙观的认识由地方天圆说到地心说，到日心说，再到爆炸说……这是一个螺旋前进的认识过程。科学上，诸如此类的例子比比皆是。

在高中物理教学中，认识、理解某些概念、规律也是如此。对某一事物循序渐进、依据学情、按需层层构建模型，是一个符合教学规律，有利于学生认识、理解知识的有效策略，我们把它称为“多方建模”教学法。下面以闭合电路教学中运用“多方建模”为例。

由若干导线连接电源、用电器的闭合电路，一直是高中物理教学中一个难点，原因是认识它需要突破层层难点：第一是电源电动势概念的突破，第二是电动势、外电压、内电压之间关系的理解，第三是沿电流方向电势升降特点认知。新课标教材似乎也认识到这一点，把电源电动势与闭合电路的电压关系一分为二，分成两节内容来编写。

为了突破这些难点，在教学中做了如表1的处理，层次合理，遵循了“最近发展区”的认知理论，教学效果较好：采用类比法构建模型一，有利于理解电源在电路中的作用，最终促进电动势概念的构建，而这将有利于电压关系的推导；采用对比试验构建模型二，运用等效替代法突破了内电路、内电压等概念，并从实验数据上直接得出电压关系结论；构建模型三，进一步显示电动势在闭合电路中的意义，破除了电源两极电压即电动势的思维定势；模型四是教材中呈现的模型，虽然反映了闭合电路中电势升降情况，但是不利于理解电压关系，学生难以一下子接受。在构建模型二、模型三时，都基于真实的实验，从真实实验现象出发，简化、纯粹化，最终抽象得出模型。这有利于学生接受物理模型，最终促进对知识的理解。

就单个模型的构建来看，自成一体，前三个模型的构建都有直接的现象（类比现象或实验现象）为基础，依据现象构建物理模型，每一个模型解决问题的侧重点不同；四个模型联合来看，由易到难，层层递进，思维逻辑环环相扣，综合四个模型，能够很好地理解闭合电路有关概念和规律。

参考文献

[1] 陈运保、马亚强.高中物理教材科学方法显性化特点的文本分析[J].教学与管理，2014（11）.【责任编辑 郭振玲】