建立中學物理模型應注意的問題

田維林

(重慶市巴南區土橋中學，重慶 巴南 400054)

如何建立物理模型是物理學中的一個重要問題．許多中學物理教科書都對具體問題建立了各自的物理模型，杠桿、斜面、輪軸、連通器、薄透鏡、光線、磁感線、質點、點電荷、剛體、理想氣體等，就是典型的物理模型．目前，已有許多文獻對物理模型的作用、特點、類型以及如何建立物理模型作了論述［1-5］，但對建立模型應該注意哪些問題，特別是如何針對中學生的特點和現代科技發展新形勢來建立物理模型以及如何通過建立模型來啟發學生思維等這些問題論述較少．本文結合自己多年的教學實踐，對這些問題進行探討．

1 物理模型的特點

1．1 直觀形象

物理模型是抽象性和形象性的統一．物理模型的建立是舍棄次要因素，把握主要因素，化復雜為簡單，完成由現象到本質、由具體到抽象的過程，而模型的本身又具有直觀形象的特點．

1．2 科學性和假定性的辯證統一

物理模型不僅再現了過去已經感知過的直觀形象，而且要以先前獲得的科學知識為依據，經過判斷、推理等一系列邏輯上的嚴格論證，所以具有深刻的理論基礎，即具有一定的科學性．理想模型來源于現實，又高于現實，是抽象思維的結果，所以又具有一定的假定性，只有經過實驗證實了以后才被認可，才有可能發展為理論．

2 建立物理模型應注意的問題

2．1 建立物理模型應結合中學生的特點

中學生的特點包括如下一些方面：

(1)中學生的物理感知

物理學的學習是建立在觀察和實驗之上的，而觀察和實驗又離不開學生的感覺和知覺．在感覺階段，學生對直接作用于感覺器官的刺激物的個別屬性進行反映，其成效取決于學生的感受性．但是，學生還需要從整體上把握和理解客觀事物，即要對客體進行知覺．中學生在對物理現象和客體感受時，由于缺乏學前專門的訓練，其感受性較差．這表現在常常因為物理現象和客體涉及因素太多而感受不到某一物理屬性的細微變化．例如，中學生在觀察水的沸騰時，很少能觀察到沸騰前后水中氣泡上升過程中體積大小變化的差異;在進行零刻度校正和測讀物理量時往往誤差很大．同時，因為缺乏相應的物理知識、經驗和物理知覺方法(觀察方法)，中學生對物理現象和客體知覺的理解性和整體性亦較差．研究表明，感受性可通過練習來提高，知覺的理解性和整體性可以通過感知方法學習得到培養．因此，教師應該有目的地通過增加觀察機會來訓練學生對物理客體的感受性，從方法上指導學生感知物理客體，提高學生物理感知的理解性和整體性．

(2)中學生的物理表象

讓學生在物理感知的基礎上形成正確的物理表象，對他們學習物理十分重要．一方面，學生在應用物理知識解決問題時，總要利用頭腦中已經形成物理形象特別是動態的物理形象來進行思維和推理．另一方面，大量的物理概念和規律都因為條件的限制而不可能搬進教室，中學生常常要根據教材的描述或物理教師的言語敘述，在頭腦中形成全新的物理形象，從而構造出物理圖景、表象．因此，物理教師必須幫助中學生形成正確的物理表象，培養他們在充分直接感知(觀察)或間接感知(接受描述)的基礎上概括物理表象的能力．中學生再造物理表象過程中，一方面，學生在學習物理之前已由于其它科目的學習和生活的經歷形成了大量所謂“物理表象”，而這些“物理表象”大多數是片面或不準確的．例如，中學生在學習“摩擦力”時往往認為物體所受摩擦力的方向總是與該物體的運動方向相反．另一方面，學生雖然通過積極的感知收集了大量具體信息，卻難以形成清晰、動態的物理表象．因此，物理教師應盡可能采用形象化的圖表、模型、實驗和生動的描述來豐富學生的物理表象，幫助學生在充分感知的基礎上順利完成再造想象;應盡可能正視而不是回避學生的前科學“物理表象”，在比較科學的物理表象和前科學“物理表象”的差異的基礎上，糾正學生的錯誤“物理表象”．

(3)中學生的物理思維

物理思維的主要特點是：概括性、間接性、邏輯性和精確性．中學生在學習物理過程中首先應完成物理抽象，即對研究對象進行合理簡化，舍去無關或次要因素，從而形成反映事物本質特征的抽象物理模型或理想物理過程．其次，學生應完成物理概括，即概括出系統化、條理化的物理概念和規律．第三，學生應學會物理判斷與推理，應逐步會運用推理判斷方法和數學方法去解決物理問題．第四，學生應學會運用物理表象進行形象思維．

中學生物理思維的核心問題是形成科學的物理概念和正確的物理圖景或物理表象．中學生往往不能對研究對象進行合理簡化和物理抽象．中學生在理解物理模型時常常感到困難的原因在于許多物理教師代替了學生完成了物理抽象，然后把物理模型“灌”給學生．中學生在把知識與經驗進行系統化、條理化方面也表現出弱點．為了幫助中學生形成正確的物理思維品質，教師必須讓學生經歷物理抽象、概括過程，讓他們自己把知識與經驗系統化、條理化．

我們的教學實踐表明，學生的思維定勢和生活觀念對概念的形成有非常大的影響，而這種影響又多表現為負面影響．例如，水應加熱到100℃ 時才能沸騰，這一概念在學生腦子里常被錯誤地“轉換”成“水加熱”到100℃時必然沸騰．又例如，中學生對“棉花重還是鐵重”、“冬天室溫下木頭‘冷’還是鐵塊‘冷’”這樣的問題常會爭論不休．這表現出中學生受思維定勢和生活觀念的影響，其“物理思維”缺乏邏輯性、概括性、精確性和嚴密性．因此，克服學生思維定勢和生活觀念的影響是培養學生物理思維能力的關鍵．

2．2 建立物理模型應密切聯系現代科學技術發展

在高新科技迅速發展的21世紀，中學生對高新科技的新成果非常感興趣．如何結合中學生的知識水平和接受能力，用簡單易懂的物理模型來闡明涉及近代科學技術中的新理論、新發現、新成果，是一個重要問題．

四川汶川5·12特大地震，也波及到重慶地區．這本身涉及到地球物理的高深理論和近代物理的科學知識，要用這些高深理論和知識把學生講懂是不可能的．這時，我們按照1987年Be K提出的理論，將地震形成和發生用“沙堆模型”來解釋，并演示給學生看，通過講解和演示，學生恍然大悟，原來地震發生如同沙粒堆積形成沙堆意義，是地球板塊的不斷運動，在巖殼演示中產生巨大應大，使地殼巖石產生變形(彎曲、壓縮、拉伸等)，不斷積累能量，當能量超過巖石的強度極限時，就發生斷裂，積聚的能量以地震波形式急劇釋放而形成地震．至于何時發生，如同沙堆何時垮塌，只能作一些可能性的預測，而不能肯定．采取這種沙堆模型，較形象和通俗地回答了涉及高深的近代物理知識的問題．

2．3 建立物理模型應盡可能聯系日常生活事例

日常生活中許多現象都可以用簡單的物理模型來解釋．例如，在四川和重慶地區流傳著“上坡兩腿軟，下坡筑腳桿”的俗語．它所描述的是人們在經歷長距離爬山之后，第二天會感到兩腿酸軟(大腿和小腿);如果經歷的是長距離的下山，第二天就會感到關節(膝關節和踝關節)活動不便，并且有些酸痛．如何建立物理模型來說明這一現象呢?首先對這一現象進行分析：兩腿酸軟的原因是肌肉里有乳酸沒有被吸收，而乳酸的產生是因為肌肉做功過程中無氧呼吸造成的，上山時人體能量的來源主要是兩腿，長距離爬山兩腿做功很多，肌肉里聚集乳酸較多，要很長時間才會被吸收;下山時其他作用的情況下，人體的重力勢能會轉化為動能，要保持一定的速率下山，關節隨時要產生沖擊力將增加的動量減下來，因此長距離下山關節受到沖擊很大，會遭受一定損傷，要經過較長時間才能恢復．在現象分析基礎上，找出主要因素，進而就可建立模型．本題上山時主要因素是，上山乳酸的產生在于做功，上山時人體消耗體能通過兩腿轉化為重力勢能;下山時主要因素是關節作用緩沖，關節產生沖量，以抵消因為重力勢能減少而增加的動量．

2．4 建立物理模型更有利于啟發學生思維，提高學生的創新能力

科學家構建出理想化的物理模型，是一種創新思維，學生在物理學習過程中培養起來的5種能力(理解能力、思維能力、判斷能力、綜合推理分析能力、用數學運算解決物理問題的能力)，往往通過解答物理問題體現出來．我們分析不同學生對同一物理問題的解答就會發現，他們一般不會按照同一模式進行思考．實際上，即便按照同一模式進行思考，將實際問題轉化成物理模型本身也是一種創新過程．不可否認，中學物理教學要順應時代的要求和社會的需要，除了培養學生基本能力外，也還要有一些功利思想(提高學生的解題能力以提高考試分數)才行，至少我們不應該拒絕高分．缺乏創新思維能力的中學生很難將實際問題轉化成物理模型．所以，要培養學生的物理建模能力，首先就需要培養和提高學生的創新思維能力，要讓學生能夠看見大家都看見的東西，也需要讓學生看得出別人看不出的東西，采用不同角度討論問題．按照心理學的理論，發散式思維是一種從多角度、多方位探索問題、得到答案的種種非常規、反常規的思考方式．學習和掌握這種思考方式對于增進創造性思維非常有益［6］．

我們在研究真空能否傳聲的時候，將一只小電鈴放在密閉的玻璃瓶內，接通電路，可清晰地聽到鈴聲，用抽氣機逐漸抽去玻璃瓶中的空氣，聽到鈴聲越來越弱．這說明空氣越稀薄，空氣的傳聲能力越弱．實驗中無法達到絕對的真空，但可以通過鈴聲的變化趨勢推測出真空不能傳聲．這與牛頓第一定律的建立過程是非常相似的．這屬于用理想化模型代替客觀原型的研究方法．如果教師在教學中注意很好地滲透這一方法，有利于啟發學生思維，提高學生的創新能力．

3 實踐效果

近5年來，我們在本校的初中物理課的教學中，結合本校學生的實際基礎，按照上述應注意的4個問題進行教學，已收到較明顯的效果．表現在：

(1)增強了學生的創新能力．過去，絕大多數學生在解答問題中，只會照葫蘆畫瓢，生搬硬套，少數甚至生搬硬套都困難．而現在，不僅這種現象和這類學生人數大為減少，近一半的學生能采取不同方法解題;而且，還有少數學生能在其它方面創新．

(2)培養了學生正確的思維方法．對生活、生產中的一些現象，過去，絕大多數學生都無法用所學的物理知識去分析解決;而現在，學生更加明確建立物理模型的過程，特別是如何抓住事物的特點，用盡可能簡單的物理圖像來描述，再用物理規律給予解釋．

(3)增強了學生學習的興趣．以往學生對學物理知識的重要性和實用性體會不深，學習是被動的．現在，學生學習物理的興趣和主動性大為增強，體現在上課更專心，課堂上主動提問題和思考問題，自然地學習成績大為提高．

［1］南景宇，岳建一．“理想實驗”在物理學中的應用［J］．物理通報，2004(2)：11-13．

［2］南紅娜．淺談中學物理中的物理模型［J］．華章，2011(11)：20-22．

［3］王善遠．通過物理模型培養思維能力［J］．新課程(中學版)，2008(12)：13-14．

［4］謝勝敏．中學物理中的模型教學［J］．中學課程輔導·教學研究，2011(19)：13-14．

［5］胡尊華．物理學習中建模能力的培養［J］．教學與管理，2006(31)：23-25．

［6］黃希庭．心理學［M］．上海：上海教育出版社，2004：205．