淺談物理學習中模型建立的思維分析

摘要：物理模型教學是高中物理教學中的主要部分，對物理知識的掌握與應用發揮著關鍵性的作用。本文旨在對物理模型建立過程進行思維分析，并提出作者的一點看法和建議，以期對一線教學能有一定的借鑒價值。

關鍵詞：物理模型；建模；解題方法；思維分析

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003—6148(2011)9(S)-0068—3

學生在物理學習過程中會遇到各種各樣的題目，對于不同題目有不同的解決方法，相同題目也有不同的解決方法。如何找到一種最恰當的方法，是我們順利解決問題的關鍵，更是衡量我們學習能力的關鍵。

對于解題方法，用數學的觀點來闡釋就是在某個準則下，我們所用來解決問題的工具，而這些準則其實就是一種建立了的“模型”。物理的學習中同樣存在著解題模型，本文旨在對物理模型建立過程進行思維分析，如何建立一種恰當的解題模型是本文討論的主要初衷。

如何形成對一類問題的建模，這是屬于理性思維的一個過程，如我們在解決物理運動問題時的理性思維活動可以綜述為：確定研究對象——觀察運動過程——進行分析受力、畫圖——列方程求解。其實物理抽象模型的建立涵蓋著一個將現實轉化為抽象思維的過程，而這個過程的轉化除了要用到我們所學的知識，還要求我們必須具備理論聯系實際的能力，并將理論知識和現實問題對接。除此之外，想象力、洞察判斷力以及直覺思維能力和靈感等也非常重要。

在學習安培分子電流假說的時候我們知道：一根導體棒在磁場中做切割磁感線運動的時候導體棒的兩端會產生電動勢，這其中的具體緣由是什么呢?我們知道，電動勢的產生是因為導體棒內部有規律的電荷運動，如何理解呢?電荷在磁場中運動會受到洛倫茲力的作用，而導體棒內部有大量電子，這些電子在導體棒做切割磁感線運動時會有規律地向一個方向運動，直到導體棒的一端聚集了足夠多的電子時，這個導體棒兩端就會形成一個電勢差，繼而產生了電動勢，而所有電子受到的洛倫茲力的宏觀表現即是安培力(圖1)。

課本上的這部分知識排序是先學習安培分子電流假說及安培力，再學習洛倫茲力及帶電粒子在磁場中的運動，通過前后所學知識的融合，我們就可以推斷只要導體內部存在電子的定向流動就會產生電動勢，如果導體存在于一個閉合回路中，那么它就相當于一個電源。通過課本知識的舉例，我們看到，學習物理不僅要將每一部分的知識學透徹，還要學而多思、多總結，將后面所學與前面知識結合起來，形成對這部分知識的一個整體架構。

下面以磁流體發電機為例來探討物理抽象模型的建立過程。

磁流體發電是一項新技術，它可以直接把物體的內能直接轉化為電能。如圖2所示，平行金屬板A、B之間有一個很強的磁場，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量正、負帶電粒子)噴人磁場，A、B兩板間便產生電壓。如果把A、B和用電器連接，A、B就是一個直流電源的兩個電極。

根據以上實例，經過對知識的整體架構完成以后，我們再用它來分析實際問題就變得簡單多了。我們知道，其實磁流體發電機的核心就是其內部存在帶電粒子在磁場中的定向運動，繼而在兩板間產生了電動勢，若將其接入回路，則A、B兩板即充當電源。將實物上升到純理論的分析，這其實是一個物理思維的抽象過程，也即是物理模型的建立過程。而這種從實體到理論的“上升”，很多同學是難以做到的，也是大多數學生在解題過程中停滯不前的地方。

那么到底如何將實際問題抽象為簡化了的理論分析呢?這其實也即是物理抽象模型的建立過程，筆者認為可以從以下幾點出發：

1.吃透理論知識是基礎

首先要充分理解和吃透所學的知識，能夠將前后知識串起來，建立起一種內在的聯系，即要求學生要學會融會貫通。當然，要做到這點，沒有達到對知識一定的提純和精煉是難以做到的。

2.聯系生活實際是關鍵

掌握了所學理論知識還不夠，還必須學以致用，即將所學知識多與實際生活進行聯系，明白所學知識在實際生活中都有哪些用處。其實物理知識點的教學實際就是物理建模的教學，只是很多同學并不善于將理論套用于實際而已。

3.由實際問題再回歸理論是最終目的

以上兩點做好了，還必須完成最后一步，即使在遇到實際問題時，也能夠將其抽象還原為物理模型。也就是解決物理實際應用題目的一般過程：

(1)審題。提取題目中與物理模型有關的信息，如：物理現象、物理事實、物理情景、物理狀態、物理過程等。

(2)提取題目中的主要因素。

(3)搜索與已有知識(如：實體、系統、過程等)相近的或直接的聯系，通過類比分析、聯想概括、邏輯推理或原型啟發等，建立物理模型，將新情景問題轉化為常規題。

(4)選擇與物理模型相關的物理規律求解。

在此基礎上，還要多思考物理模型之間的聯系，不斷領會物理學研究問題的思維方法，做到恰當選擇合適模型解題，全面提高物理建模能力。

物理學習中應深刻認識已有的物理模型，注意積累并善于聯系，把待解決的問題納入到已有的模式中，并通過物理規律的應用、過程的分析和數學知識的運用，使問題迎刃而解。物理建模思維作為研究物理的基本指導思想和學習物理的基本素質，教師在教學中應注重建模理念的灌輸、建模思維的滲透和建模方法的應用，逐步培養起學生的物理建模能力和創造能力。

(欄目編輯 鄧 磊)