運(yùn)用物理模型提升學(xué)生物理思維品質(zhì)

姜煒星

（上海市金山中學(xué)，上海 201599）

高中階段學(xué)生的思維方式逐步由形象思維升華為抽象邏輯思維.這要求高中物理教學(xué)要切合學(xué)生的認(rèn)知和思維特點(diǎn)，融入方法教育，注重學(xué)生思維品質(zhì)的鍛煉.在處理物理問(wèn)題時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)把復(fù)雜的實(shí)際情況轉(zhuǎn)化成一定的容易接受的簡(jiǎn)單的物理情景，以便形成特定的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律，這就是物理模型的建立過(guò)程.物理模型的構(gòu)建不僅使許多抽象的物理問(wèn)題變得具體、直觀，易于理解，同時(shí)物理建模過(guò)程融合了觀察和實(shí)驗(yàn)、類比和遷移、歸納和演繹等多種方法，因此模型構(gòu)建的過(guò)程體現(xiàn)的是科學(xué)探究和學(xué)生思維躍遷的過(guò)程.在高中物理的學(xué)習(xí)過(guò)程中滲透物理建模思想是完善學(xué)生認(rèn)知，發(fā)展學(xué)生思維的需要，可以有效提升學(xué)生的物理思維品質(zhì)，提升高中物理的教育教學(xué)質(zhì)量.在教學(xué)實(shí)踐中，筆者就模型教學(xué)提升學(xué)生思維品質(zhì)做了一些嘗試和思考.

1 挖掘模型素材，將“隱性”模型“顯性”化

“科學(xué)方法與知識(shí)不同，它所涉及的不是物質(zhì)世界本身，而是認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的途徑與方式，是高度抽象的，如果只從隱性教育角度進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生從中也可能學(xué)到一些科學(xué)方法，但只能是零星的、不連貫的，收效甚微.”［1］模型方法本身是多種方法的綜合體，而物理教材中對(duì)知識(shí)點(diǎn)往往以知識(shí)的方式闡述，缺少模型方法層面的提煉和表達(dá)，造成了知識(shí)的“顯性”，模型方法的“隱性”.學(xué)生常常學(xué)過(guò)了知識(shí)點(diǎn)，但是卻根本不知道與知識(shí)關(guān)聯(lián)的物理模型特征，更談不上運(yùn)用物理模型類比遷移、歸納分析復(fù)雜物理問(wèn)題.因此要讓學(xué)生靈活處理物理模型問(wèn)題，必須充分挖掘和提煉模型素材，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理模型的本質(zhì)特征，將隱藏在課本和教輔資料中的物理模型顯性化.筆者在教學(xué)實(shí)踐中將物理模型按照對(duì)象模型、條件模型、過(guò)程模型等分類，提煉成表格式的模型認(rèn)知框架，配上典型問(wèn)題探究，組織學(xué)生進(jìn)行模型識(shí)記和辨析訓(xùn)練，強(qiáng)化建模意識(shí)和能力的培養(yǎng).

以等時(shí)圓模型為例，等時(shí)圓模型在高中物理教材中并沒(méi)有明示，是在學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用的過(guò)程中根據(jù)其特征條件，抽象概括出來(lái)的.表1是筆者設(shè)計(jì)的等時(shí)圓的識(shí)記辨析表的一部分.通過(guò)表格示例讓學(xué)生在識(shí)記的基礎(chǔ)上，比較、歸納和反思，從而加深對(duì)模型條件的認(rèn)知.

表1

2 運(yùn)用形象、動(dòng)態(tài)的物理情景加深模型理解

在物理教學(xué)的過(guò)程中，可以借助形象生動(dòng)的物理情景使學(xué)生對(duì)抽象的物理模型形成簡(jiǎn)單直觀的認(rèn)識(shí).例如電磁學(xué)中的電場(chǎng)線和磁場(chǎng)線模型，可以將不同電荷的電場(chǎng)分布和不同磁體（電流）的磁場(chǎng)分布，以PPT的形式展現(xiàn)出來(lái)，配上一些形象的描述，如正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)線可以描述成“光芒萬(wàn)丈”，負(fù)點(diǎn)電荷可以描述成“萬(wàn)箭穿心”，既形象直觀，又增強(qiáng)了趣味性.對(duì)于一些動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程模型，在教學(xué)中可借助多媒體課件，通過(guò)慢放、回放、暫停等方式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，幫助學(xué)生克服思維障礙，形成形象思維的習(xí)慣.例如在講授彈簧振子模型的時(shí)候，播放Flash動(dòng)畫(huà)，通過(guò)設(shè)置不同的振子質(zhì)量、彈簧勁度系數(shù)，直觀反映振子質(zhì)量、勁度系數(shù)等對(duì)彈簧振子特征物理量的影響，同時(shí)還能動(dòng)態(tài)展示振子的位移、回復(fù)力、加速度、速度、彈性勢(shì)能、動(dòng)能的變化過(guò)程等.這樣的示例還有很多，比如單擺模型、天體運(yùn)動(dòng)模型、機(jī)械波傳播模型等，這些動(dòng)態(tài)的物理模型情景可以幫助學(xué)生準(zhǔn)確抓住物理模型的本質(zhì)特征，加深對(duì)模型的理解.

3 精心設(shè)計(jì)模型教學(xué)范例，準(zhǔn)確把握模型本質(zhì)規(guī)律

在模型教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)范例，體現(xiàn)模型建構(gòu)的層次性.從模型概念識(shí)記辨析到模型條件抽象再到運(yùn)用基本模型知識(shí)解決復(fù)雜的新穎物理問(wèn)題，循序漸進(jìn)地讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)模型知識(shí)的遷移，準(zhǔn)確把握模型本質(zhì)規(guī)律，體會(huì)模型建構(gòu)的思維樂(lè)趣，完成思維品質(zhì)的飛躍.

例如在講授斜面模型時(shí)，讓學(xué)生熟悉斜面模型的特點(diǎn)和物體沿斜面運(yùn)動(dòng)的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的特征.然后引出下面的例題，進(jìn)行示例分析，在反思中進(jìn)行復(fù)雜斜面模型的知識(shí)遷移.

圖1

例1.如圖1所示，用一根長(zhǎng)為L(zhǎng)的光滑鋼絲均勻地繞成一個(gè)高為h的彈簧.現(xiàn)將該彈簧豎直固定在水平桌面上讓一個(gè)小球穿在鋼絲上，并使其由靜止開(kāi)始下滑，假設(shè)整個(gè)過(guò)程中彈簧的形變可以忽略，求小球從最高點(diǎn)滑到桌面所用時(shí)間.

再比如在遷移彈簧振子模型時(shí)，先分析水平彈簧振子和豎直彈簧振子的區(qū)別和聯(lián)系，然后引出更深層次的復(fù)雜模型遷移問(wèn)題.

圖2

例2.一皮帶傳動(dòng)裝置如圖2所示，皮帶的速度v足夠大，一根質(zhì)量不計(jì)的、勁度系數(shù)為k的彈簧一端固定，另一端連接一個(gè)質(zhì)量為m的滑塊，已知滑塊與皮帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，當(dāng)滑塊放到皮帶上時(shí)，彈簧的軸線恰好水平，若滑塊放到皮帶上的瞬間，滑塊的速度為0，且彈簧正好處于自由長(zhǎng)度，則當(dāng)彈簧第一次伸長(zhǎng)到最長(zhǎng)時(shí)，滑塊與皮帶間所產(chǎn)生的熱量是多少？

解析：假設(shè)這一過(guò)程傳送帶的位移s1，滑塊位移s2，滑塊與皮帶間所產(chǎn)生的熱量就是Q＝f（s1－s2）＝μmg（s1－s2），但是滑塊到底是如何運(yùn)動(dòng)的，怎樣確定彈簧伸長(zhǎng)到最長(zhǎng)時(shí)滑塊的具體位置呢？此時(shí)循序漸進(jìn)，引出學(xué)生熟知的豎直彈簧振子模型，如圖3（a）所示，分析豎直彈簧振子的受力特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律.發(fā)現(xiàn)豎直彈簧振子始終受到豎直向下不變的重力和變化的彈簧彈力作用，做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，且平衡位置在合力為0的地方，振子運(yùn)動(dòng)相對(duì)平衡位置具有對(duì)稱性.然后讓學(xué)生類比本題，分析滑塊的受力特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，并確定平衡位置.發(fā)現(xiàn)滑塊始終受到水平向左的滑動(dòng)摩擦力和變化的彈簧彈力，如果將恒定的滑動(dòng)摩擦力類比成豎直彈簧振子恒定的重力，顯然滑塊是做的類似豎直彈簧振子的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，滑塊的最遠(yuǎn)距離為2倍的振幅，即s2＝2A.受力分析如圖3（b）所示.平衡位置受力滿足f＝μmg＝kA，而傳送帶勻速前進(jìn)的位移為

圖3

聯(lián)立后得

通過(guò)教學(xué)范例的分析，強(qiáng)化模型的遷移和理解，讓學(xué)生了解雖然物理模型的外在表現(xiàn)各有不同，但卻有著共同的模型本質(zhì).顯然，將熟悉的物理模型遷移到新穎的物理題型中，降低了解題難度，而且借助這樣的示范互動(dòng)教學(xué)，開(kāi)闊了學(xué)生的視野，提升了學(xué)生的思維品質(zhì).

總之，物理模型方法是物理學(xué)研究的重要科學(xué)方法.在日常的物理教學(xué)過(guò)程中，積極進(jìn)行物理模型構(gòu)建的滲透教學(xué)，可以有效地提升學(xué)生的建模能力和思維品質(zhì)，提升物理教育教學(xué)質(zhì)量.

1 邢紅軍.物理科學(xué)方法顯化教育的理論與實(shí)踐研究［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011（24）.

2 李宏偉.建立物理模型，培養(yǎng)學(xué)生思維能力［J］.物理教學(xué)探討，2006（8）.

3 張靜，郭玉英，姚建欣.論模型與建模在高中物理課程中的重要價(jià)值［J］.物理教師，2014（6）.