物理模型及模型建构能力的培养①

2022-08-08张国泉

物理之友 2022年6期

张国泉

(南京师范大学附属中学，江苏南京 210003)

1 问题的提出

图1

《普通高中物理课程标准(20217年版)》指出：物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面，模型建构是科学思维的重要要素。从上面对电视节目的分析过程不难看出，学生需具有建模意识，并经历建构模型的思维过程，才能分析出问题的本质，笔者将从建构模型的意义、物理模型的分类和模型建构能力的培养策略等三个方面进行探讨。

2 模型建构的意义

物理学研究物体运动的基本规律和物质的结构等。自然界中物质种类繁多，物体的运动错综复杂，物体间的相互作用也多种多样，每一个具体的问题都涉及几个甚至多个方面的因素。为了充分认识物理现象的本质，必须在客观事实的基础上对研究的物理事物(物理对象、条件和过程等)进行一定的简化，物理模型就是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理现象的本质而对物理事物所作的一种简化。遇到具体问题时，通过模型建构，简化和纯化研究对象的原型以及经历的过程，以发现物理现象或事物的本质属性。从物理学的发展历程看，模型建构的过程中因为突出了决定事物状态、影响事物发展变化的本质要素，因而更有利于发挥科学思维的力量。

3 物理模型的分类

从中学物理教学的特点以及模型的主要教学功能看，可以将物理模型作如下的分类。

(1)对象模型。常见的对象模型有两种，一是根据研究对象和问题的特点，舍弃次要的、非本质的因素，抓住主要矛盾和本质因素，建构一个易于研究、能反映对象主要特征、代替具体的研究对象的模型。如质点、点电荷、理想电表、绝对黑体、理想气体、轻质杆等；二是为了解释某些现象和特征，在观察、实验的基础上，对某一物理客体和研究对象的结构、相互作用、运动规律所作的简化描述。如哥白尼的太阳系模型、卢瑟福的核式结构模型、盖尔曼的夸克模型、金属导电中的自由电子模型等。

(2)条件模型。把研究对象所处的外部条件理想化，排除外部条件中干扰研究对象运动变化的次要因素，突出外部条件中最主要、最本质的方面。如在研究落体运动时，忽略空气阻力的影响，不考虑地表附近局部空间重力加速度g的变化，从而得出物体下落快慢与质量无关的结论。再如研究两异种点电荷相互作用时，常常不考虑万有引力的影响，还有常见的光滑面，即不考虑摩擦力的作用，再如在研究微观世界的带电粒子的运动时通常不考虑重力等。

(3)过程模型。把具体物理过程纯粹化、理想化，突出过程的主要因素，忽略次要因素，进而抽象出理想物理过程，比如我们常说的弹性碰撞过程、简谐运动过程、气体的等温过程、等容过程、等压过程、绝热过程、自由落体过程等。

(4)数学模型。把研究对象、运动变化中的状态和经历的过程以及遵循的客观物理规律数学化。比如我们通过建立坐标系的方法来描述物体的位置；利用数学的“+”“-”号，来反应不同的物理特性，如位移的方向、电势的高低、电荷的电性、内能的增减、热量的吸放；还常用数学函数来研究极值情况，借助图像来探究物理规律等。

广义的物理模型还包括了采用缩小与放大几何尺寸的方法，简化复杂部件，突出与工作原理紧密相关的部分，制作出与原型相似的实体模型，如实验室的发电机模型、内燃机模型等。

4 培养学生的模型建构能力的策略

物理模型是科学思维的产物，建构物理模型是一种高阶的创造性的思维活动，是在充分分析研究对象和问题的特点，经过一系列的分析、综合、比较、抽象、概括、推理等思维活动，从而做出的一种简化或模拟。为了培养学生的模型建构能力，必须从培养学生的建模意识、抽象思维、类比思维等方面入手，在以下几个方面加以落实。

4.1 培养学生模型建构的意识

(1)在概念、规律教学过程中让学生了解物理模型建构的方法，注重模型建构过程的教学。比如在自由落体运动的教学过程中，让学生体会到尽管在地球上不可避免存在空气阻力，但是通过建构一个无阻力的条件模型，可以有助于我们认识问题的本质，澄清一些错误的认识，并通过牛顿管实验，让学生意识到模型建构的合理性，提高学生模型建构的意识。

(2)鼓励学生对实际生活中出现的现象进行物理模型的建构，比如针对生活中奇异的“海市蜃楼”现象，引导学生利用所学的光在介质中传播的知识，将空气抽象成从海面竖直向上密度和折射率逐渐减小的不均匀介质模型，就可以很好地解释我们观察到的奇特现象。

4.2 培养学生的抽象思维能力

抽象思维就是摈弃具象中非本质的特征和属性，提取出本质特征和属性，形成关于物理事物的一般认识。比如对绝对黑体模型的教学中，让学生认识到各种物体由于不同的结构，因而它对外来辐射的吸收不尽相同，但若一个物体，其表面反射很少，能够吸收几乎所有的外来辐射，我们就可以忽略物体反射这一次要因素，认为物体能够吸收全部外来辐射，抽象成绝对黑体这样一个理想模型。高中物理中的理想变压器、理想气体等模型都是经历了类似的抽象思维活动而得到建构，在教学中应该给予学生思维活动的指引。

4.3 培养学生的类比思维能力

类比就是在比较的基础上，通过联想，把未知的事物与熟悉的事物进行对比，根据两者在一些属性上的相似，将熟悉事物的某种性质迁移到未知事物上。如我们在教学中可以重现德鲁德通过将金属中电子的运动与气体分子的运动进行类比，进而提出金属导电模型的思维过程，还有惠更斯通过类比水波和声波，提出了光的波动模型等。

4.4 培养学生的假说能力

假说就是对事物的现象以及本质、规律或原因的一种推测性的说明或推测其可能性的说明。由于物理事物的复杂性，或者实验条件的限制，某些物理事物的本质、组成、结构、规律等比较隐蔽，这就需要在一定观察、实验的基础上提出假说，建立一定的物理模型。比如在原子结构的教学过程中，让学生了解到汤姆生的枣糕模型、卢瑟福的核式结构模型、玻尔原子模型其实都是基于实验提出的假说，哥白尼的太阳系模型也是基于观察事实的一种假说，体现了物理学家对简洁美的追求。

4.5 在物理问题解决过程中培养学生的模型建构能力

比如课堂上首先让学生观察图2所示装置中二极管交替发光，而将二极管换为小灯泡时，灯泡亮度变化，也即说明电路中电流的方向、大小在交替变化，接下来让学生思考为什么装置会产生这样的电流呢？引导学生对实际情境进行简化抽象，抓住问题的主要方面，构建一个突出问题本质、易于着手研究的理想图景，即建构一个匀强磁场、同时线圈匀速转动的理想模型进行研究(图3)。在教学的过程中，教师要基于各种教学内容创设情境，促进学生模型建构能力的发展。