論高中物理教學中建模思維的運用

陳海群

【摘 要】物理是一門涉及范圍廣，且復雜難懂的學科，因此在學習過程中建立物理模型是非常必要的，恰當的建立物理模型，幫助學生能夠更加直觀的掌握物理知識，將抽象變為具體，加深學生對物理知識的理解。

【關鍵詞】高中物理；建模思維；運用

著名的教育家吉爾伯特（Gilbert）認為：科學本身是建模的過程，而學習科學是學習建模的過程。高中物理學習中，建立物理模型是一種常見的傳授知識的方式，且主要是透過現象看本質，將生活中隱藏的物理知識通過具體的數字表述出來，以此來解決一些實際問題。建模思想對于物理學習起了很大的幫助，因此，在教學過程中，教師必須培養學生獨立建模的意識，有效地提高物理學習效率。先通過建模思想在物理教學中的具體運用展開分析。

一、概念教學中 培養學生建模意識

物理中有許多抽象概念，比如質點、點電荷、電場、磁場、理想氣體等，就是基本的物理模型。模型是對實際問題的抽象，每一個模型的建立都有一定的條件和使用范圍。學生在學習和應用模型解決問題時，要弄清模型的使用條件，要根據實際情況加以運用。

以質點為例：在一些情形下，我們可以忽略物體的形狀和大小，把物體看成一個有質量的點，叫做質點；它是由實際物體抽象而成的一個理想模型，為一些問題的研究帶來了方便；但不是任何情形下的物體都可以忽略其形狀和大小。比如一列火車，能否看成質點，就要根據情況而定，在研究火車過橋所需時間時，火車的長度相對于橋長來說，一般不能忽略，所以不能看成質點；在研究火車從北京到上海所需的時間時，火車的長度遠遠小于北京到上海的距離，可忽略不記，因此火車就可以看成為質點。

在概念的教學中，就要培養學生建模的意識，幫助學生分析次要因素，然后抓住要表達的主要因素，進行分析，學習建立相應的物理模型。伽利略的理想斜面實驗：假如沒有摩擦：理想氣體：分子勢能不計等等都是如此。

二、實驗建模 提高學生實踐能力

在物理實驗中建模，能夠讓學生通過具體的實驗操作，了解物理知識。如自由落體運動，利用實驗，讓學生親自將小球之類的物體從高處釋放，在不同的高度，計量小球下落的時間，讓學生更加直接的參與到實驗當中，對物體的物理運動過程有了更為直觀的了解，同時也明白物理實驗應該怎么進行，進而學會自己進行物理實驗，然后建模，這樣能夠加深學生對知識的理解。

現就高一物理《自由落體運動》通過實驗建模的方式來加深學生理解：

首先在這個實驗中，學生是實驗的主體，教師對其起到引導作用。首先準備一角錢和一元錢的硬幣各一枚，讓學生讓兩個硬幣從同一高度落地，觀察是否能夠同一時間落地，得出結論是一元錢先落地，學生通常有了初步的猜想；然后再讓學生準備兩張同樣的紙，其中一張揉團，讓紙片和紙團同一高度同時下落，觀察結果為紙團先落地，學生可以得出相同重量的物體落地時間不同的結論。

然后教師再為學生演示牛頓管實驗，通過演示羽毛和金屬片在未抽氣、抽氣到一半、抽完氣這三種空間內落地情形，結果是未抽氣和抽一半氣的玻璃管內金屬片先落地，且未抽氣的玻璃管內金屬片落地較快。而抽完氣的玻璃管內金屬片和羽毛同時落地。這時教師可以引導學生得出：現實生活中物體下落的快慢因是受空氣阻力的影響的，而在真空環境下，所有物體下落速度都是一樣的。然后教師引導學生思考：“如果不考慮空氣阻力的影響，那所有物體做的是什么運動？繼而通過教師引導學生最終引出自由落體運動的概念模型：只受重力作用，由靜止開始下落的運動叫自由落體運動。

最后教師通過帶領學生做打點計時器實驗，通過觀察打點計時器將自由落體運動中所拍攝的頻閃照片，讓學生了解自由落體運動的運動軌跡，知道自由落體運動是加速直線運動，通過觀測可得重物下落過程中加速度大小不變，做的是初速度為零的勻加速直線運動，空氣阻力很小，可看成只有重力作用的自由落體運動。自由落體運動時的加速度叫重力加速度g=9.8m/s，其方向豎直向下。

因自由落體屬于初速度為0，加速度為g的勻加速直線運動，我們由勻變速直線運動公式可得自由落體的運動公式如下：

在物理教學過程中，教師可以指導學生多做實驗，鍛煉學生的物理建模能力，盡量的讓每個學生都參與實驗過程，將課本中的理論知識在實踐操作中進行驗證，同時也能對學生在學習過程中存在的問題，進行指導。因此，通過實驗來建模，能夠鍛煉學生的實踐操作能力，學生在碰到類似的習題時，不再只是靠死記硬背來解題。

三、設立情境 激發學生學習興趣

將抽象難懂的物理知識，聯系生活實際，建立情境模式，無疑能夠使學生更好的掌握物理建模方法。因為很多物理知識都是來源于實際生活當中，比如電路問題、運動問題等等，因此在講授這類知識時，可以引入現實生活的實例，然后結合物理知識講解，通過這樣的方法，激起學生對物理的興趣。

比如在講解曲線運動時，可以利用多媒體播放一段煙花燃放的情形，讓學生觀察有什么特點。將炸開的煙花想象為很多個小球，只受重力的作用，可以將其運動分解為沿V0方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動，各球由于自由落體都將下落h=1/2gt2，但同時又在各自的V0方向上運動了x=V0t，即它們各自實際位置在同一球面上，球半徑R=V0t，因此可以得到結論，任何時間下，在空間運動的煙花都處于一個球面上。通過使用多媒體創設情境，讓學生能夠了解得更為具體。

對學習感興趣是最重要的，根據實際生活情況，創設情境來教授物理知識，應用建模理論，使學生熟悉建模方法，能夠激發學生繼續探索物理現象和物理知識的求知心理，有助于提升學生對物理的興趣，同時也能將沉悶的物理知識轉為生動具體的實際現象，既活躍了課堂氣氛豐富教學內容，還能有效提高教學效率。

四、結合其他學科 提高學生建模能力

基于物理學科的特殊性，因此常常與數學知識相互聯系，教師應在遇到相關的習題時，告訴學生可以運用數學思維來解題，在解題過程中運用數學模型和物理相結合，多維度的來看待問題。

例如習題：將合力F分解為F1和F2兩個分力，若已知F的大小，F1和F2夾角θ，且θ為鈍角，則當F1、F2大小相等時，求它們的大小；當F1有最大值時，F2又為多大？此類的分解力的習題，物理中有多種方法來解答，根據題目已知條件，F1和F2夾角θ為鈍角已確定，因此F可以和F1和F2構成一個矢量三角形，合力F為外接圓的一條弦，如圖所示，其所對的圓周角為π-θ.，當F1、F2大小相等時，對應的力矢量關系為等腰三角形，表示F1和F2的線段為腰，底角為θ2，故F1、F2大小相等為F1=F2=F2cosθ2。當表示F1的線段處于直徑位置時，即表示相應的力有最大值，且三力關系矢量三角形呈直角三角形，這時F2大小為Fcot（π-θ）=-Fcotθ。這道題雖然是物理題目，但是解題思路使用的確實數學中“同弧所對的圓周角相等”的知識，因此，需要將兩門學科互相結合。教師在教學過程中要指引學生進行多維度的思考，深度的學習課本中所教授的物理模型，提高答題速度。

五、總結

物理教學中合理的使用物理模型能夠有效的幫助學生記憶物理知識，提高物理成績。由于物理現象在實際生活中非常多見，教師在授課途中不應只局限于書本內容，多和實際生活相結合，多實驗，培養學生的實際動手能力，指導學生在實踐體驗的過程中運動物理建模思維。因為高中物理的知識都有相關的物理模型，教師要教會學生透過現象看本質，通過建立正確的模型來解題，進一步的鞏固知識，進而提升學生的綜合學習能力和學習效率。

參考文獻：

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