多種方式引導 促進物理模型思維的發(fā)展

管雪琴

【內(nèi)容摘要】法國科學方法論學者阿雷曾經(jīng)說過：“科學的基本活動就是探索和制定模型。”筆者在多年高中物理教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了幫助學生正確認識物理模型的意義、建立發(fā)展物理模型抽象思維，進而熟練使用模型解決實際問題的多種方式。

【關(guān)鍵詞】物理模型 物理學史 實驗 多媒體 實際應(yīng)用

經(jīng)常聽到有學生說，老師好厲害，一道題一下子就解出來了，我們?yōu)槭裁凑也坏浇忸}的方向呢？究其原因，在教師的頭腦中存在著一個個基本的物理模型，能很快地舉一反三，因此能適應(yīng)題目的任何變化。而學生的頭腦中若沒有形成這種基本的物理模型，就很難靈活地舉一反三。因此，促進學生物理模型思維的發(fā)展就顯得尤其重要了。在高中物理教學中，可以通過多種方式引導，促進學生物理模型思維的發(fā)展。

一、物理學史引導，認識物理模型的意義

高中物理教材中有許多物理學史的教育內(nèi)容。如“原子模型的建立與發(fā)展”：從湯姆遜葡萄干布丁模型到盧瑟福行星模型，到玻爾模型的建立，再到現(xiàn)代的電子云模型。通過史實介紹，幫助學生建立原子結(jié)構(gòu)模型，明確原子結(jié)構(gòu)模型是一個假想結(jié)構(gòu)，并且是隨著人們對微觀世界認識的進步發(fā)展而逐步完善的。

再如學習“牛頓第一定律”時，可以引導學生回顧史實材料：伽利略對“有力才有運動，力撤去運動就停止”的精心研究；伽利略對接斜面的理想實驗；伽利略從觀察教堂中的燈擺動到伽利略針和單擺實驗。通過一系列的小故事不僅滲透物理學科的研究方法和物理思想，也讓學生理解正是伽利略和牛頓構(gòu)建了光滑這一理想化的模型，才有了慣性定律的重大發(fā)現(xiàn)。

考查物理學史的過程中，師生一起循著前人的足跡，體會物理知識的形成過程，會發(fā)現(xiàn)物質(zhì)世界是復雜多樣的，物理現(xiàn)象和物理規(guī)律也是復雜多樣的，前人在物理學研究中抓住了其主要因素，突出了其本質(zhì)特征，建立了一種理想物質(zhì)、理想過程或假想結(jié)構(gòu)，才使復雜的事物、過程簡單化。使學生體會這就是建立物理模型的抽象思維過程，也正是模型的建立，才不斷促進物理學研究的發(fā)展。

二、實驗引導，建立物理模型思維

物理實驗有助于學生更好地理解自然現(xiàn)象的本質(zhì)。通過實驗引導，學生體驗建立模型的過程方法，在體驗中思考、感悟以至升華。因此實驗是幫助學生建立物理模型思維的基本途徑。

如建立“勻變速直線運動”模型時，先讓學生做分組實驗，然后通過對紙帶數(shù)據(jù)的處理判斷物體是否做勻變速直線運動，體會逐差法在數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢；再引導學生用圖像法表示速度隨時間的變化關(guān)系，繪制“v-t”圖像，培養(yǎng)學生利用圖像處理數(shù)據(jù)的能力，體會數(shù)學工具在物理問題中的應(yīng)用。在學生實驗及數(shù)據(jù)處理、圖像處理的過程中，不可見的“加速度”躍然紙帶和圖像上，在學生腦海中形成直觀且形象具體的物理模型，拉近了模型與實際的距離，抽象的“勻變速直線運動”漸漸變成具有思維特征的物理模型。這樣通過學生自主體驗建立起來的物理模型也因此令人印象深刻。

三、多媒體引導，發(fā)展物理模型思維

物理同生活密切相關(guān)，而學生生活經(jīng)歷較少，平時對生活中的物理現(xiàn)象又缺乏觀察與思考，造成抽象思維缺失，很難建立物理模型思維。在課堂教學中，利用多媒體技術(shù)，用直觀的影像可以彌補學生抽象思維的不足和生活經(jīng)歷的缺失。如很難讓學生直觀了解的布朗運動、電磁場、盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)、光的粒子性、光電效應(yīng)等。再如講授“圓周運動”時，利用多媒體手段讓學生觀察摩托車比賽時，彎道路面的傾斜角、飛機轉(zhuǎn)彎時，機翼的傾斜情況等。

物理教學中抽象知識理論比較多，學生不易理解，利用多媒體引導，有助于將這些抽象的知識理論具體化、形象化、直觀化，有助于學生進一步發(fā)展物理模型思維。如“電磁流量計”中的“液柱”模型、“理想氣體”模型、“分子勢能”的“彈簧”模型等。

有些物理過程漫長或稍縱即逝，都不易觀察。通過多媒體引導，可將這些物理過程變?yōu)榭煽氐摹⒂行虻难菔具^程，使學生獲得完整、清晰、形象的體驗過程。如“海市蜃樓”等。再如學習“萬有引力”時，通過多媒體模擬再現(xiàn)卡文迪許的經(jīng)典實驗、展示根據(jù)萬有引力和圓周運動理論逐步發(fā)展起來的航天事業(yè)和天文事業(yè)。不僅讓學生建立了物理模型，也使學生認識到物理模型的重要性、實用性。

四、實際應(yīng)用中引導，強化物理模型思維

學生解題困難，其中一個重要原因就是學生對題目的物理過程不甚理解，頭腦中即使有了相關(guān)的物理模型，但是不能靈活地舉一反三，不能與相關(guān)模型建立對應(yīng)關(guān)系。作為教師，我們不妨告訴學生，物理習題雖然千變?nèi)f化，但都是依據(jù)一定的物理模型，考查各相關(guān)物理量之間的關(guān)系。我們解題的過程就是根據(jù)題目給出的已知條件，將題中隱含的物理模型還原，找出各物理量之間的關(guān)系，然后列式求解的過程。這個過程需要學生在實際應(yīng)用中體驗，然后頓悟。因此，在課堂教學中，教師應(yīng)強化物理模型在問題解決中的實際應(yīng)用。

（1）例題教學中著重引導分析。實際題目中，錯綜的信息材料包含著復雜的物理因素。教師應(yīng)充分利用例題教學，引導學生學會如何對題目信息進行加工提煉，再通過抽象、概括、聯(lián)想類比、啟發(fā)遷移等思維活動，理解題中的物理圖景，構(gòu)建出相關(guān)的物理模型（如對象模型、條件模型和過程模型等）。例如在題目中出現(xiàn)“接觸面光滑”即不考慮摩擦，“兩物體間的距離遠大于它的線度”意為物體可以視為質(zhì)點，“輕質(zhì)彈簧”或“輕繩”即指不考慮彈簧或繩的質(zhì)量。在有關(guān)電磁流量計、霍爾效應(yīng)等問題中，一般是先建立“勻強電場模型”；研究靜電除塵問題時，則往往將均勻分布的塵粒看做“質(zhì)心位于電間中點位置”的模型等。

例1：設(shè)月球表面均勻帶負電，一電子粉塵懸浮在距月球表面1000km的地方不動；又若將同樣的電子粉塵帶到距月球表面2000km的地方，相對月球無初速釋放，則此電子粉塵（ ）。

A.向月球下落

B.仍在原處懸浮

C.推向太空

D.無法判斷

【解析】依題意，月球表面均勻帶負電，可以建立模型，即負電荷全部集中在月球中心。

由 可知，電子粉塵在距月球表面同一位置時，所受萬有引力與庫侖力相等。故選B。

通過例題教學，教師還應(yīng)引導學生學會如何根據(jù)題設(shè)條件，發(fā)現(xiàn)物理過程的本質(zhì)特征，然后建立熟悉、簡單的等效模型，使復雜問題簡單化，求解過程優(yōu)化。

例2：偵察衛(wèi)星在通過地球兩極上空的圓軌道上運行，它的運行軌道距地面高度為h，要使衛(wèi)星在一天的時間內(nèi)將地面上赤道各處在日照條件下的情況全都拍攝下來，衛(wèi)星在通過赤道上空時，衛(wèi)星上的攝像機至少應(yīng)拍攝地面上赤道圓周的弧長是多少？設(shè)地球的半徑為R，地面處的重力加速度為g，地球自轉(zhuǎn)的周期為T。

【解析】依題意，可將極地偵查衛(wèi)星看做質(zhì)點，建立其運動模型：勻速圓周運動。設(shè)其周期為T1，

設(shè)周期為T1，則： ①

地面重力加速度為g，則有：

②

由①②可得衛(wèi)星周期：

其中r=h+R

地球自轉(zhuǎn)周期為T，則衛(wèi)星繞行一周，地球自轉(zhuǎn)角度為：

∴衛(wèi)星每經(jīng)赤道上空時，攝像機至少拍攝赤道圓周的弧長為：

由以上兩道例題可知，復雜的問題往往可以拆解為多個相關(guān)聯(lián)的物理模型，我們只有理解出題者設(shè)計題目的意圖，建立清晰、準確的物理模型，才能理清思路，順利解題。

（2）通過圖形化訓練強化學生的模型思維。高中物理問題的解決需要學生具備較高的抽象思維能力，學生若對物理過程的“難以想象”，勢必在分析物理過程時會“難以理解”。因此，教師可通過畫圖分析引導學生建構(gòu)物理模型，通過圖象把難以想象的問題情景直觀形象地展現(xiàn)出來。如探究物體的運動規(guī)律時，可以畫物體受力圖、運動狀態(tài)圖，還可以利用數(shù)學知識畫運動規(guī)律二維圖象，畫圖過程既是對物理過程的有序分析過程，也是學生建立物理模型的抽象思維過程，有時，隨著圖形圖像的畫出，所求問題即迎刃而解。

綜上所述，幫助學生正確認識物理模型的意義、建立發(fā)展物理模型抽象思維，進而熟練使用模型解決實際問題是高中物理課堂教學的重要任務(wù)。建立物理模型抽象思維是高中物理學習者應(yīng)該具備的基本物理素質(zhì)，物理問題的解決過程，實際上也是正確選用并使用物理模型的過程。正如法國科學方法論學者阿雷所說：“科學的基本活動就是探索和制定模型。”

【參考文獻】

[1] 全日制普通高級中學教科書（必修）物理第一冊[M]. 人民教育出版社.

[2] 翟杰予. 例析天體的運動問題[J]. 中學生數(shù)理化（高一版），2009.

[3] 袁振國. 教育新理念[M]. 科學教育出版社.

[4] 閻金鐸、田世昆. 中學物理教學概論[M]. 高等教育出版社.

[5] 田進昆、胡衛(wèi)平. 物理思維論[M]. 廣西教育出版社，1996.12.

（作者單位：江蘇省昆山中學）