如何在物理教學中構建物理模型

林軍

摘 要： 物理教學在注重知識傳授的同時更應該注重知識體系的建立過程和建立過程中采用的方法。教學過程中，往往過多關注對已有知識的傳授和掌握程度的檢測，而忽略學生對知識體系建立過程的體驗和方法的傳授，導致學生知識遷移能力和發現新知的能力非常欠缺。物理模型的建構是物理學中非常重要的研究方法，通過平時教學有意識地讓學生體驗其過程，掌握其方法在某種程度上比掌握知識體系本身更重要和迫切。

關鍵詞： 物理模型建構 聯想 虛擬 歸納 數學函數

物理學是一門研究自然界最普遍物質運動及其形態，物質組成，以及各層次的結構，相互作用和運動的基礎性學科。在物理學發展過程中，科學家經過對生活中的一些自然現象產生疑惑后通過構建物理模型，運用實驗手段得出的物理規律和原理締造了整個物理學的主體結構。實驗是物理學中獲取一些普遍規律的重要手段，而構建合適的物理模型是進行實驗的前提，所以物理教學中應該通過一系列手段和方法使學生掌握構建物理模型的方法，在建立模型后通過自我體驗獲得結論。教學中構建物理模型的主要方法有以下幾種。

一、展開聯想，在生活中找類似的物理模型

物理來源于生活，在生活中存在很多現成的物理模型，初中階段講述超聲波測速的原理——多普勒效應的時候，由于聲波在空氣中不可見，對于剛接觸物理的初中學生而言實在太抽象。光憑教師的語言恐怕難以讓學生理解在聲源前進方向上聲波的疏部和密部被壓緊而導致音調變高。聯想到幾乎每個孩子都有在湖邊扔石頭的經歷，不難引導學生構建一個以水波替代聲波的物理模型。若干個石頭等時間間隔地自由下落至湖面上同一點，可以看到同心圓的水波，間隔相等；在扔下第一個石頭后水波像四周傳遞的過程中在原入水處等距離間隔和時間間隔扔下石頭，可以看見水面上的波紋在入水點改變的方向上排列比較緊密，而在反方向上比較稀疏。通過類似比較將聲音的多普勒效應在湖面上呈現得一清二楚，這就是構建物理模型給我們帶來的無可比擬的優越性，它將抽象化形象，將無形化有形。在物理教學過程中，還有許多類似的地方，如探索微觀粒子世界中將原子結構類比成太陽系的結構模型，電學中將電流類比成水流模型，將電壓類比成水壓模型等。

二、建立虛擬模型描述客觀物理規律

物理學是一門從具體形象的生活現象中歸納出抽象結論的學科。其中有許多學生無法用肉眼直接觀察到的物理現象和物質的存在形式，而這些現象和物質的存在形式是學生對相關知識有所了解的前提。如在光現象中光的傳播規律，磁現象中磁場的基本規律等。光的傳播和磁場在物理學中是確實存在的，但是在具體現象中表現為不可見。為了使學生對這部分內容有更直觀的了解，我們可以引入一個虛擬模型，在形象與抽象之間建構一個橋梁，借助這些模型幫助學生通過對虛擬模型的了解認識不可見的客觀存在的物質形式特點的了解。光線模型和磁感線模型的引入很好地解決了學生在認識層面上的障礙，幫助學生從形象向抽象思維的過渡，不失為一種精妙的方法。

三、通過比較大量實際物體和事例分析共同點，通過歸納和簡約化處理建立理想模型

物理學中往往會研究一些物體在特定條件下的物理規律，而在現實生活中往往有多種條件作用，這就需要我們建立一個可以忽略其他次要因素的物理模型。如研究運動的物體在不受力的狀態下的運動規律的時候，由于實驗者所處的環境條件的限制，不可能存在不受力的物體，我們通常采取只研究水平方向運動的物體在水平方向運動狀態的改變忽略重力和支持力對物體的影響，再通過逐漸減小摩擦力通過對水平運動的物體在摩擦減小后運動距離遠近的變化忽略摩擦的影響，最終推斷運動的物體不受力時做勻速直線運動的規律。在研究物體機械運動的時候，我們不考慮物體自身的轉動，建立了質點模型，有效地解決了物體受力分析的處理。再如點光源模型，點電荷模型等，這些都是理想模型的例子。這些模型的建立可以很好地忽略掉一些次要因素對研究系統的影響，使學生對于這部分知識體系的學習變得更輕松和條理化。

四、等效法物理模型的建立

敘拉古城國王希倫懷疑金匠用一些合金偷換了他王冠上的黃金，就請阿基米德來測定王冠的真正含金量。阿基米德一直解不開這道難題。但有一天，在洗澡中他忽然找到了答案——同等質量形狀不同的黃金浸沒在水中的時候排開的水的多少是一樣的。這是物理學史上最著名的發現之一，等效模型在此起到了舉足輕重的作用。在分析問題的客觀表現后抓住問題的歸一本質，等效法物理模型在物理研究中是一種常用的方法。等效物理模型在多樣化的具體表象特征和歸一化的本質特征之間構架了一座橋梁，引導著研究者追尋事物的本質特征，給人一種“百川終歸海”的感覺。曹沖稱象是其又一次生動的演繹，將其精妙表現得淋漓盡致。物理學中的總電阻、合力等都是其具體體現，使我們研究的問題化繁為簡，掌握它有助于發散性思維和創造性思維的培養。

五、通過與數學知識的聯系，建立數學函數模型

物理學中常常研究物體的某種變化過程，如運動物體的速度時間和路程的關系，我們借助于數學函數和圖像模型可以非常直觀且全程性精確描述物體在運動中各個時段的各物理量的關系。如建立時間為橫軸速度為縱軸的函數圖像可以清晰地顯示物體在各個時刻的速度變化，構成的面積可以顯示通過路程的變化。在電學中研究與定值電阻串聯的滑動變阻器的功率隨變阻器阻值的變化規律時候，通過構建二次函數的數學圖像模型可以將變阻器的功率變化在圖像中全面直觀地展示出來，一覽無余。可見將物理與數學結合建立的模型不僅密切了學科之間的聯系，而且使研究物理方法多樣性。對于更科學、更實效地學習和研究物理規律起到了巨大的推動作用。

在中學物理教學中，通過多種嘗試和引導學生體驗多種建立物理模型的過程并使他們初步具備這樣的能力是中學物理教學的目標之一。不僅能使學生更好地掌握所學的知識體系，更能使他們成為有想法、敢質疑、有做法的學生，對于其后續學習和發展有不可估量的作用。所以我們在中學物理教學過程中應該多多注重學生在這方面的體驗過程，逐漸培養學生在這方面的能力素養，讓學生帶著“想法和做法”在學習的道路上前行。