高中物理教學中物理模型建構能力的培養(yǎng)

吳紅琴

物理學主要是對自然界中存在的各種物質(zhì)運動形態(tài)、結構和相互作用的學科，一般來說，物質(zhì)在運動變化的過程中會受到自身及周圍環(huán)境的影響或制約，因此這就要求我們在研究實際問題的過程中，要全面地考慮到所有因素，才能化解難題.在解決物理問題時應該遵循化繁為簡的原則，在解題時將研究對象的主要因素突出，忽略次要因素，然后根據(jù)這些條件構建反應事物本質(zhì)的理想模型.最后能夠根據(jù)理想模型來建立一個科學的抽象模型，從而能夠?qū)⒈谎芯繂栴}的本質(zhì)特征反映出來，在呈現(xiàn)出來的問題中能夠包含其中的主要矛盾，能夠便于進一步分析物質(zhì)運動規(guī)律.

1 物理模型概念

由于自然界具有種類繁多的物質(zhì)種類以及錯綜復雜的運動狀態(tài)，因此事物在運動的過程中會呈現(xiàn)出多方面特征，并且還會牽涉到許多方面的因素.而人們在研究自然界的過程中，遵循的是從簡到繁、先易后難、循序漸進的原則，基于人們對較為復雜的問題進行處理時的思維過程，從而建立一個突出主題且便于研究的物理模型.對于高中物理教學來說，在傳授物理知識時更為重要的是幫助學生掌握物理學研究方法，抽象研究對象的本質(zhì)特征，并將物體及其運動進行理想化，從而建立物理模型.而學生對物理問題進行分析和解答時，就是對物理模型進行識別、還原、建構以及利用的過程.高中物理作為一門較難的學科，在教學的過程中學生一聽就懂，但做起題目來卻感到無從下手.高中教學中的物理模型能顯著地提高學生學習能力，屬于學習的科學方法.物理模型概念包括概念模型、數(shù)學模型以及理論模型，現(xiàn)對三種模型概念以及構建方法進行如下分析.

1.1 概念模型

概念模型就是為了對物體或物體運動進行描述，而將其進行抽象化.比如單擺、質(zhì)點、光線、電場線、彈簧振子以及自由落體運動等.高中生在學習這類概念模型的過程中需要注意：①概念模型本質(zhì)以及抓住主要矛盾辯證思維，如自由落體運動初速度為零，只受重力而忽略其他阻力.②概念模型適用條件.③區(qū)別易混淆的概念模型，如單擺和圓錐擺，單擺是在豎直平面內(nèi)運動，圓錐擺在水平面內(nèi)運動；單擺是將重力沿切線方向分解，圓錐擺是將重力沿水平方向分解.

1.2 數(shù)學模型

為了反映物質(zhì)屬性及物質(zhì)運動過程，采用適當?shù)臄?shù)學工具建立數(shù)學模型來對其進行簡化和假設.在建造物理模型的過程中，也會不斷地建造出反映物理狀態(tài)及過程規(guī)律的數(shù)學模型.但數(shù)學公式只有量值關系，無法具體地反映出物理的規(guī)律，因此為了確保解題的準確性，就需要根據(jù)具體的物理情景尋求問題解答.

1.3 理論模型

理論模型就是在研究物理學的過程中，對一些存在的物理現(xiàn)象與現(xiàn)有物理學客觀規(guī)律不相符的狀況進行解釋.因此也提出多種假說，其中包括安培說、玻爾氫原子理論等.高中生在學習這些理論模型的過程中，需要尤其注意任何物理理論模型都具有一定的假定性，這些假設的正確性需要依靠實踐進行檢驗.因此，高中物理教師在教學的過程中建構物理模型時，需要積極地引導學生歸納及總結物理模型，從而可以建立最為基本的物理模型方陣.如此，便能讓高中生在解題的過程中遇到實際物理問題時，能夠迅速且準確地建構物理模型，理清解題的思路.

2 物理模型構建

2.1 抽象法

構建物理模型中抽象法是其主要方法之一，也就是從具體的事物中抽取出具有某方面特征或?qū)傩詠順嫿ㄎ锢砟Ｐ停跇嫿ㄎ锢砟Ｐ偷倪^程中采用抽象法主要應用于如下幾個方面：①確定研究對象；②確定研究范圍，抽取客體中擁有某一方面或某一共同具有的屬性；③抽取物理客體共同屬性.例如，某類物體在受到外力作用時，會使其形狀發(fā)生改變，而一旦外力撤去此類物體形狀又將恢復原狀，因此我們便可以根據(jù)其具有的共同特性來建立彈簧體模型.

2.2 理想化

在構建物理模型中理想化作為其重要的方法，在構建物理模型的過程中能將所研究的物理對象進行理想化處理.在構建物理模型時應用理想化具有較多的方法：①理想化物理形態(tài)；②理想化所處環(huán)境；③理想化運動變化過程.例如理想剛體及理想彈簧都是將物理形態(tài)進行理想化，絕熱和光滑等均是將其所處環(huán)境進行理想化，而等壓過程就是將運動變化過程進行理想化后建立起來.

2.3 類比法

高中生在解題的過程中對于類比法的應用常常感覺無從下手，本文根據(jù)一道類比應用來進行分析.例如，在同一水平面上有A、B兩點，且弧長ABR.在A點靜止釋放一個小球，求小球從A點運動到B點所用的時間.

解題思路 小球受重力及指向圓心的支持力作用類似于單擺的擺球只受重力及指向懸點的拉力作用，槽對小球所產(chǎn)生的支持力對小球不做功相同于單擺懸線的拉力對擺球不做功，并且弧長ABR相似于單擺最大擺角.因此，我們可知小球的運動與單擺的擺球運動具有相同的規(guī)律，故小球從A點運動到B點的時間相當于單擺振動的半個周期.因此可以將兩者可歸結為同一物理模型.

2.4 歸納法

在構建物理模型的過程中采用歸納法就是結合歸納和演繹，通過個別來認識一般.學生在物理模型構建的過程中，可以在大量物理實驗以及所得到的數(shù)據(jù)基礎上對物理定理及定律進行歸納，然后根據(jù)歸納的物理定理及定律來演繹出新的物理規(guī)律.例如牛頓三大定律就是通過大量的實驗，利用歸納法而建立起來的物理模型，而通過牛頓三大定律可以延伸出力學定律.因此高中物理教學的過程中構建物理模型的過程中要遵守一定的原則，物理模型必須在滿足研究對象本質(zhì)特征的基礎上，做出正確的抽象；然后通過主要因素以及事物之間的復雜聯(lián)系建立模型.除此之外，物理模型在構建的過程中必須將實驗作為基礎，并在此基礎上不斷地完善及發(fā)展，從而體現(xiàn)出物理模型的實效性.

2.5 等效替代法

對于研究比較復雜和隱蔽的物理問題時，通常會采用等效替代法來建立物理模型，其中主要包括等效過程、等效作用以及等效結構替代三種方式.現(xiàn)對三種等效替代法的應用過程進行如下分析.

2.5.1 等效過程

比如，從O點沿著水平方向向一堵豎直且光滑的墻壁拋出一個彈性小球，彈性小球拋出點距離水平地面的高度為h，與墻壁的水平距離為s，當彈性小球與墻壁發(fā)生碰撞后將落在水平地面上，而落地點距離墻壁的水平距離為2s，如圖1所示.因此，在分析的過程中可以對小球拋出后的運動過程設定為等效，這是由 于彈性小球在碰撞墻壁前后的入射與反射速度對稱，因此彈性小球的運動可以采用平拋運動進行處理，也就相當于彈性小球從墻壁水平拋出而進行的運動.

2.5.2 等效作用

在對物體受力進行分析過程中常用的一種方法為力的合成與分解，利用等效作用進行替代，其中可以將合力與分力互相進行替代，從而建立物理模型.

2.5.3 等效結構

利用不同結構但機理相同的物理模型等效替代所研究物理問題的內(nèi)部結構，從而建立替代模型.

綜上所述，隨著新課程改革的實施，近年來在物理高考題型中越來越多的物理情境為教學過程中常見的物理模型.學生遇到此類題目時會束手無策，不知從何方向進行思考，更不懂得如何利用物理概念及規(guī)律進行解題.究其原因主要在于高中學生缺乏對物理模型建構的能力.因此在高中物理教學中為了拓寬學生思維，使學生學會解決實際問題，充分地調(diào)動學生學習的積極性，就需要不斷地培養(yǎng)學生物理模型的構建能力，從而提高學生的解題能力.