高中物理教学中建构物理模型的理论与实践研究

叶金福

摘 要：模型是对现实问题的简化描述和模拟，其主要用途是帮助人们更加简洁方便地研究问题本质继而更好地解决问题。中学物理以物理模型为载体描述物理知识和思维方法，物理模型是物理学解决物理问题一种非常有效的手段，它用一种简单的模型抽象表达实际的物理问题，将理解分析实际问题转化为理解分析物理模型，简化了解决问题的过程，还可以使问题得到有效解决。可以使学生更加牢固地掌握和记忆知识点。

关键词：物理模型;构建;物理教学;应用

物理学发展初期就已经开始研究物理模型。牛顿在提出万有引力定律时就使用了这种方法，将宇宙中的星体简化为质点，质点是一种仅有质量而无体积的点，建立了著名的质点模型。汤姆逊通过构建物理模型建立“枣糕模型"等等。

一、高中物理模型构建教学的意义

高中物理除了在知识内容方面与初中物理不同，更主要的不同在于高中物理更注重学生思维能力的培养和提升，初中物理的学习为学生由形象思维发展到抽象思维奠定基础，高中物理要帮助学生提升这种能力并且实现质的飞跃。因此，在教授高中课程时大部分研究对象都是物理模型，这些物理模型基于实际问题所提炼但是又不同于实际模型，是对实际问题的概括和抽象，所以在学习时学生必须熟练掌握物理模型的构建与使用，这个过程中教师必须起到积极的引导作用。古人云：“得一鱼可饱一餐，得一渔则受用终生。”因此，高中物理教师要想出色完成教学任务，就必须先培养学生利用模型简化解决问题的意识，从复杂、隐蔽的实际物理问题中抽象出简洁、明了、清晰的物理模型，使学生可以清楚地理解物理问题，只有学生建立了抽象模型，在解决物理问题时才更容易，学生才能建立学习的信心，教师的教学难度才能降低;只有锻炼了学生的抽象思维能力和构建物理模型能力，学生在遇到物理问题时才能根据条件构建出合适的物理模型，构建物理模型的过程还能激发学生的创新能力。所以中学物理教学中必须重视构建物理模型这一环节。

二、高中物理模型教学的目标

1、掌握知識，提高技能

高中物理模型教学方法主要是向学生讲解模型内容，帮助学生理解模型建立的依据与过程。教师在讲解过程中会穿插一些基础的物理知识并指导学生如何用物理知识去解决实际问题，帮助学生理清分析物理问题的思路，在实际运用中加深对知识的理解，继而培养学生的创新意识。以讲解电场为例，这章涉及的物理模型很多，比如：点电荷、电场力做功等，在讲解电场力做功时，就可以引导学生将电场力做功和重力做功联系起来，学生对重力场中重力做工的过程及模型都非常熟悉，学生通过将重力场中的模型类比到电场中就可以迅速建立相关的知识体系，对电场知识的理解也会得到强化。在模型之间进行比较就是在建立两种知识之间的联系，既帮助理解和学习新知识也是对已有知识的加固和重新认识，还可以充实和完善知识结构，学生如果可以建立所有的知识之间的网状关系，不仅可以建立科学的认知结构，对于培养学生的创新能力也是非常关键的一步。可以说不仅建立物理模型是一种创新，理解和使用物理模型的过程也是在锻炼创新能力。物理模型的学习需要学生先去分析实际物理问题，从中找到解决问题的关键，在掌握建立物理模型步骤的基础上根据抽象出来的特征建立合适的物理模型。学生的理解能力和知识水平毕竟有限，他们的建模只是仿建模，并不能称为真正意义上的科学家的建模，但是在建模过程中所培养的建模意识和建模能力完全是在科学水平上的探索研究。要想培养学生的创新思维，在教师辅导下让学生自己去学习建立物理模型和领悟物理模型思维不失为一种好方法。

2、掌握物理研究方法

物理模型的建立必须以科学知识和实验事实为基础，必须对科学知识和实验事实进行分析、综合、比较、抽象、概括、推理等逻辑论证，必须是一系列严格逻辑论证下的产物。学生在学习建立物理模型前，必须明确建立物理模型的意义以及如何建立正确的物理模型，必须掌握一定数量和较为科学严谨的物理学研究方法。物理科学研究最常用的方法是先对物理模型进行分析与研究，从中学习知识及运动变化规律，然后再延伸到原型客体中。在亲自建立物理模型并使用它的过程中，能够更好地理解物理学的研究过程及方法。不管是处理物理过程还是建立物理模型，都必须先对物理问题进行认真分析。物理教学的过程就是分析物理模型设计思想和设计思路的过程，在这个过程中教师要教会学生如何分析较为复杂的物理问题，如何将复杂的问题简化为一个一个的小问题，如何在众多条件中找到主要因素和次要因素，紧紧把握问题本质，运用抽象思维的方法去处理物理问题，同时注重提高自己的思维品质。

三、高中物理教学中构建模型的一般途径

学生在解决实际问题时要想在物理建模思想的指导下物理化实际问题，必须有一定的物理学知识储备，擅长在类比中学习，有一定的抽象概括能力，善于观察，分析问题比较透彻。但是在一天之内拥有这些技能是天方夜谭，能力的获得是一个日积月累的过程，这就要求教师在日常教学中始终坚持用物理建模解决问题的思想去引导学生，培养学生科学观察、分析问题的能力，培养学生建立物理模型解决实际问题的思维，最终完成利用模型解决实际问题。建立物理模型是解决物理问题的关键步骤，建立物理模型需要遵循科学的方法，不能只停留在思维层面。要想建立正确且合理的物理模型，离不开科学的程序思考。

1、观察——实验——建模

认识和了解自然现象离不开观察和实验，定性和定量分析实验现象离不开观察和实验，情感认识的获得必须建立在观察和实验的基础上，自然科学理论的形成以观察和实验为基础，发展和检验自然科学理论最终也必须回归到观察和实验中。观察和实验的目的就是认识研究对象，了解其变化过程，观察它们和其它物体之间的相互影响和联系。找到其主体，利用相应的物理模型，包括物理学对象模型及过程模型等，对其进行物理描述。以公路的路基铺设情况为例，教师应当要求学生观察公路转弯处路面倾斜情况，在学生掌握匀速圆周运动基本知识的前提下引入匀速圆周运动模型解释设计原理，让学生充分理解物理知识在交通中的应用，理论与实际相结合的教学方式使学生在头脑中形成清晰的实际情景。借此还可以解释火车的铁轨铺设原理等，让学生明白为何可以对车辆建立物理模型，将其看做质点，对车辆的运动模型建立物理模型即匀速圆周运动模型，并以受力情况为切入点解释其做圆周运动的原因。在讲解匀减速运动时结合车辆在公路水泥路面上由于刹车留下橡胶划痕的现象解释车辆的运动就可以建立为匀减速运动模型，还可以利用课本中匀减速运动的相关知识计算车辆的行驶速度。训练学生观察、实验、根据已有知识对问题进行抽象建立物理模型的能力。

2、类比——联想——建模

类比就是经过观察分析明确某些事物在某些方面具有相似之处时，可以根据已有的知识对它们某些性质进行相似的推论。类比可以帮助学生利用较为熟悉的物体的性质理解学生并不是很熟悉的物体的性质，以完成对问题的解答。以学习电势能为例，学生在理解电场的分布和电势能时可能并不容易，特别是涉及变化过程的知识并不好掌握，此时就可以将重力势能的知识与电势能的变化做对比，进行类比，降低理解上的难度。在两种能量变化相似的过程之间建立联系，建立一个与用来解释重力做功与重力势能变化关系的模型相近的物理模型。此外这种类比思想还可以应用到学习玻尔能级结构中，原子核外电子运动动能及电势能如何变化理解起来并不是很容易，尤其是发生电子轨道跃迁时二者大小变化理解起来更为困难。此时就可以引入人造卫星运动模型这种学生熟悉擅长的物理模型进行类比，电子可以与卫星进行类比，万有引力就可以等效为库仑力，电势能与万有引力势能进行类比，电子动能可以与卫星的运动动能形成一个类比。类比可以使解题的方向更加清晰，也可以帮助学生对情景有一个更清晰的构建，建立起的物理模型也就更有说服力。类比联想拓宽了学生的想象空间，思维方式也会更加发散和深入。

3、分析综合——抽象——建模

分析的过程可以看做是一个分解的过程，将整体问题分解成一个个局部问题，包括各个属性和各个部分都要进行分解，各个因素对解决问题产生的影响都要进行充分考虑，然后进行研究。综合的过程与分析的过程恰好相反，综合是将局部结合为一个整体，从整体的角度看待问题，抓住事物本质，对事物的不同部分、各个方面、不同特征进行有机整合。分析是研究问题的开始，综合是处理问题的最终步骤，分析和综合的结合使用为全面理解问题提供了保证。比如牛顿建立万有引力定律，就是先对太阳对地球，太阳对其他行星，地球对月亮的引力进行分析，在每一对引力分析结束后对它们进行综合，最后才提出存在于任意两个物体之间的引力模型。中学物理中许多物理模型都是利用分析和综合的方法得到的，例如理想气体、质点、杠杆、理想电表、单摆、点电荷等。

4、等效替代——迁移——建模

等效替代法也是物理研究经常用到的一种方法，这种方法的核心是相互替代，主要是基于两个研究对象在某一方面具有相同的作用效果。等效替代法以效果是否相同为依据，尽可能用具有相同效果的、简单的物理现象和过程去替换较复杂的物理现象和过程，以达到简化问题的目的。等效包含两个层面的意思。第一，据观察分析确定两个不同的物理过程在某一方面可以得到相同的结果或者不同的物理对象在某一方面有共同属性时，可以将对物理事物的研究转化为对模型的研究以简化研究过程，并且还可以更加深刻地认识物理对象或过程的物理实质。第二，从微观角度来说，如果在某些方面物理事物之间存在相似性，就可以在处理物理过程时选择一些较简便的方法，但是仍然可以得到相同的结果，而且不影响认识物理现象或物理过程的物理实质。这也是“相当于”实际上要表达的意思。等效模型就是利用等效方法得到的模型。等效方法不止可以用于构建等效模型，在不同物理模型进行转换时也经常用到。高中物理中需要计算匀强电场中带电摆球的周期就可以利用等效替代法，摆球在匀强电场中受到的作用和重力场对摆球的作用具有相似性，以此为前提就可以用重力场来等效替代匀强电场和重力场形成的复合场，从而计算出摆球的摆动周期。同样，用重力场等效替代匀强电场和重力场叠加成的复合场，机械等守恒定律也可以在这一重力场中进行等效替换，中学物理教学中多使用这种方法。

总而言之，物理模型方法在物理学研究以及学习中占据非常重要的地位。物理课堂在教授学生物理建模的过程中更好地锻炼了学生科学思维的能力，对于学生科学素养的提升也起到重要积极影响。教师在教学过程中应当格外关注物理模型促进学生学习的特性，不断的探索、有效的利用每一种方法，培养学生物理建模思想的形成。

参考文献

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