高中学生物理建模能力培养的策略

刘跃磊

在中学物理教学过程中必须注意学生多方面能力的培养，而且加强学生能力的培养是物理教学的一项重要任务。在这里，本文先来浅谈一下有关学生物理建模能力的培养。

那么如何来建立物理模型呢？主要是让学生抓住事物的本质解决问题，对复杂的事物简化，进行抽象后建立起理想模型。理想模型源于具体事物又高于具体事物，是感知和思维的产物，如质点模型是高中物理提出的第一个理想模型，因此对质点模型的建立既是一种典范，又具有普遍意义。质点是力学中的一个基本概念，它是一种科学抽象，一种理想化的模型。当我们在描述物体的运动时，若物体的形状、大小对运动的描述没有影响或影响可以不考虑的情况下，我们就可以撇开物体的形状、大小等起作用很小的次要因素，而把物体抽象成一个有质量的点，这样质点模型便建立起来了，用它来代表所研究的客体可以使复杂的问题简单化。但是当我们要研究的客体运动需涉及它自身的转动时，质点模型便不适用了，于是又抽象出刚体模型。真实的物体在受到力的作用时，多少会发生形状的变化，当这种形变可忽略不计时，便可以近似地看作是刚体，所以刚体也是一种简化的理想模型。只要我们所研究的运动仅涉及平动和转动，而不涉及到物体的形变时，刚体便是很有效的力学模型。另外，“点电荷”也是一种科学抽象，一种理想化的模型和研究问题的基本方法。例如在讲解库仑定律的公式时，应该强调指出这个公式只适用于两个相对静止的“点电荷”（所谓“点电荷”就是指这样的带电体：它们的大小比它们之间的距离小得多）。但也还应该把可以用库仑定律来求球形带电体之间的相互作用力的问题作简单的交代。有些学生由于对库仑定律的适用条件没有弄清楚，往往错误地把只适用于点电荷的库仑定律用以求任意两个带电体间的作用力。例如他们错误地应用库仑定律来求带电体在平行板电容器间的电场（匀强电场）中所受到的作用力，而造成原则性的错误。微观世界中的电子、质子等基本粒子可以看作质点，而且地球上的各种生物和其他物体，就是恒星、行星等各种天体也都可以看作质点。在高中物理中需要的理想模型就有很多，比如弹簧振子，在研究振动情况时，忽略了摩擦力和弹簧质量;物理学中所研究的“理想的摆”（单摆）;忽略分子本身体积和分子间作用力的“理想气体”等等。这种理想化的科学方法是物理学中经常使用的方法，因此应该让学生认真领会、逐步掌握，以便于为学生以后的学习打下基础。除此之外，我们还要注意引导学生逐步建立“系统”的物理模型。通常我们把相互作用的物体的全体叫做系统。在物理学中，可以把遵循牛顿第三运动定律、相互作用的全体物体叫做“力学系统”。在讲解重力势能时，我们应该有意识地引导学生建立力学系统的物理模型，也就是把地球和物体视为一个系统，它们因相互作用而联系着，重力势能是地球和物体所组成的这个物体系统所具有的，而不是地球上的物体单独具有的。我们习惯上说地球上的物体具有多少重力勢能，这只能理解为一种简略的说法。除了重力势能，还有其他形式的势能，例如弹性势能、分子势能、电势能。为了加深理解，我们还可以有目的地编选有关的练习题来让学生练习讨论一下。在讲解动量守恒定律时，也要把相互作用的物体作为统一的研究对象，也就是说相互作用的物体，组成一个系统。系统里的每个物体，既可以受到系统内其他物体的力，也可能受到系统外其他物体的力，前者叫做内力。后者叫做外力。而动量守恒定律的条件是：系统不受外力或所受外力的合力为零，则这个系统的动量就保持不变。这个定律并不限于两个物体的相互作用，一个系统里可以包括任何数目的物体，只要整个系统受到的外力的合力为零，那么系统的动量就守恒。

在学习的过程中，解决一个物理问题经常是与物理模型、数学推算交织在一起。而有没有一个正确的物理模型是关键，模型错了，就推算不出正确的结果。下面我们举例说明一下建立正确物理模型的必要性。（题一）以速度40米，秒运动的汽车，关闭油门后作匀减速运动，加速度为一10米/秒2，求5秒钟内汽车前进的路程。（题二）气球下悬挂一物体。当气球以20米，秒的速度匀速上升到离地面160米时，悬线断开。求①物体在第1秒末，②第2秒末，③第4秒末，④第6秒末，⑤第8秒末，⑥第10秒末的位置和速度。（为了计算方便，g取10米，秒：）学生对匀减速运动的物理过程在头脑中要建立一幅清晰的正确的物理图景是比较困难的，由于匀减速运动有两种情况：一种情况是像“题一”中的汽车，在它关闭油门后由于受到地面阻力的作用，开始做匀减速运动，当速度逐渐减小到零时，汽车做匀减速运动的阻力已消失了，于是汽车的运动状态就由匀减速运动转化为平衡状态而停下来了。另一种情况像“题二”中竖直上抛运动;当物体上升到“最大高度”的瞬时，虽然速度减到零，但使物体作匀减速的重力仍存在，因而此后物体即改变运动方向竖直向下继续运动，直到物体落到地面为止。为了纠正学生可能由于把上述两种不同情况的匀减速运动混淆起来而产生的错误，我们可以有计划地用“题二”跟“题一”进行对比。引导学生比较“题一”和“题二”所反映的物理现象和过程的异同点，对解题过程中帮助学生建立正确的物理图景是很具有启发和指导意义的。另外我们知道，实验是物理学的基础，而有些理想物理模型的建立就是通过实验来完成的。通常的方法是先做有关实验，使学生在脑海里留下一个直观的具体形象的物理模型，在此基础上作抽象引导，形成思维轮廓，变成具有思维特征的物理模型，然后再利用学生思维中已经建立起来的物理模型，去解决一些实际问题。作为科学抽象的结果，理想模型也是一种科学概念，广泛应用在各门科学中。例如：数学上所研究的不占有任何空间的“点”、没有粗细的“线”、没有厚度的“面”。在化学和生物学中也有类似的理想模型。因此说物理模型的建立是非常重要的，因为某种模型遵循一定的物理规律，同时物理模型和数学演算交织在一起，模型错了就会导致结论的错误，可见帮助学生理解和建立物理模型，并且能够运用到解决实际问题中去是中学物理教学的重点，更是难点。

综上所述，解题时如实反映物理过程，在头脑中建立一幅清晰的、正确的物理图景是很重要的。在此基础上才谈得上合理求解，才能有效地防止学生死记公式、乱套公式的现象。引入理想模型后，可以使问题的处理大为简化，从而便于人们去认识和掌握。从以上的浅谈中我们可以认识到：作为一名物理教师，在教学中培养学生的物理建模能力是十分必要的。因此在物理教学中我们要注意逐步培养学生建立合理的、正确的物理模型的能力。

（贵州省威宁县第九中学）