物理模型的建構及其教學

程柱建

摘 要 物理模型是人們對物理研究對象和過程的結果表達與解釋，是一種理想化、有意義的物理表達。物理模型建構能力是物理核心素養培養的一個重要方面，因此，物理模型的教學要給學生以方法的掌握、模型的存儲、應用的體驗和實踐的突破。

關鍵詞 物理模型 核心素養 高中教學

《普通高中物理課程標準（征求意見稿）》指出物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，是學生科學素養的重要構成?？茖W思維是物理核心素養的一個方面，其主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。物理模型的建構不僅能夠解釋物理現象與解決物理問題，而且能夠有效地促進學生的思維發展，提升學生問題解決的能力，為學生的終身發展奠基。

一、物理模型的分類

物理模型是人們對物理研究對象和過程的結果表達與解釋[1]，是一種理想化、有意義的物理表達。物理模型是由客觀物質世界過渡到物理概念、物理規律、物理理論的中間環節，是物理概念和物理規律賴以建立的基礎[2]。例如，質點是牛頓運動定律、萬有引力定律等規律建立的基礎。

根據物理問題解決過程中的要素，物理模型通常分為以下四類：1.對象模型：忽略研究對象（物體或系統）的次要因素，建構反映對象本質的理想模型。例如：質點、輕繩、輕桿、輕彈簧、點電荷、電場線、純電阻、磁感線、彈簧振子、單擺等。2.狀態模型：表示研究對象的某種理想狀態。例如：物體的平衡狀態、理想氣體的狀態等。3.過程模型：研究對象運動過程的理想化結果。例如：勻變速直線運動、平拋運動、完全彈性碰撞等。4.條件模型：實際問題的某些條件理想化以簡化問題而建立的模型。例如：光滑斜面、忽略空氣阻力、不計導軌電阻、理想電表、足夠長的導軌、磁場區域足夠大等。

二、物理模型的建構

1.物理模型建構的三個階段

模型建構是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程，是基礎知識的高度概括和典型思維的概括?；诮嬛髁x學習理論，“建構”是物理模型的形成和建立的過程，也是學生認識和能力“同化”和“順應”的過程。

物理模型的建構是抓住物理情境的主要因素，忽略次要因素，通過科學抽象去認識其物理本質的過程。一般來說，對某一物理情境建構物理模型需要經歷三個階段：（1）科學抽象階段。對物理情境進行思維加工，抽象出物理對象的本質特征。（2）模型形成階段。將人們頭腦中存儲的相關物理模型和物理對象的本質特征進行比較，建構出適當的模型，同時進一步表征物理對象。（3）模型確認階段。根據建構的物理模型尋找解決問題的相關物理規律和解決問題的路徑，并嘗試解決問題。問題的順利解決即意味著物理模型的成功建構，否則需要重新建構。

2.高中生模型建構的五級水平

根據問題情境的復雜程度、內容的抽象程度、應用的水平高低等，《普通高中物理課程標準（征求意見稿）》給出了學業質量的五級水平劃分，涉及模型建構的水平劃分如下：

水平1：能說出一些簡單的物理模型。

水平2：能在熟悉的情境下應用常見的物理模型。

水平3：能在較為熟悉的情境中根據需要選用恰當的模型并用以解決簡單的物理問題，能判斷現實物體和理想模型的異同。

水平4：能根據解決問題的需要建構物理模型。

水平5：能根據解決問題的需要建構恰當的物理模型。

其中水平2是針對高中畢業的水平要求，水平4是針對進入高校相關專業學習應達到的水平要求。從以上五級水平的描述，高中物理模型教學大致可以分為這樣兩個層次：（1）合格層次：知道物理模型、應用物理模型；（2）優秀層次：選用物理模型、建構物理模型。

三、物理模型的教學

1.物理學史幫助學生了解模型建構的方法

物理學史就是一部物理模型史，伽利略的理想斜面，牛頓的萬有引力理論模型，盧瑟福、玻爾的原子模型都是物理模型的典型范例。物理學史上的經典物理模型建構的過程，不僅能讓學生了解模型建構的方法，而且是對學生進行科學態度與責任教育的極佳素材。在解決物理問題時，人們常常利用抽象法、理想化、類比法、歸納法、等效替代法等方法，根據研究對象的主要因素建構反映事物本質的理想模型，將被研究問題的本質特征反映出來。

例如，自由落體運動是一種過程模型。人教版高中物理必修1將“伽利略對自由落體的研究”單列一節，是因為伽利略在研究自由落體運動時運用了科學方法和巧妙的實驗。首先，伽利略用歸謬法對亞里士多德的“重物的下落速度比輕物大”落體學說進行了反駁，然后從“自由落體運動應該是簡單的”認識出發提出假設，猜想出v∞x和v∞t兩種可能性，接著通過推理排除了前者，并通過數學推導得出檢驗v∞t即是檢驗v∞t2。在當時的實驗條件下，伽利略進行了“沖淡重力”減緩下落運動的著名斜面實驗，證實了落體“所經過的各種距離總是同所用時間的平方成比例”。為了把斜面實驗的結論推廣到豎直情況下的自由落體運動，他還提出了“等末速度假設”，即靜止物體不論是沿豎直方向還是沿不同斜面從同一高度下落，到達末端時具有相同的速度，并利用單擺實驗檢驗了這個假設[3]。伽利略在研究中應用了多種物理方法，思想豐富，值得學生細細學習和品味。

2.思維對話引導學生體驗模型建構的過程

課堂是學生學習的場所，包括學習的主體—學生、客體—課程文本和組織者—教師。這三個課堂要素間的思維對話可以讓課堂靈動起來。學生的頭腦中需要存儲一定量的物理模型，以便于在模型建構的形成階段進行物理對象和已有模式的比較。物理模型建構的教學中要引導學生更易、更準確地提取已有的物理模型和形成新的物理模型。教學中教師要用好教材，引導學生和教材上的閱讀材料對話。如學生閱讀人教版必修2“宇宙航行”一節的“科學漫步：黑洞”，可以掌握黑洞的研究過程及產生原因，自主建構出黑洞的模型。endprint

課堂上的思維對話更重要的應該發生在師生、生生之間，正是因為有人的存在，課堂才顯得靈動和精彩。課堂上，教師可以進行知識的重演，讓學生體驗模型建構的過程，提升學生遷移應用的能力。

例如，電場線是為了直觀形象地描述電場分布，在電場中引入的一些假想的曲線。新課教學時，教師一般會直接給出電場線這一理想模型：在畫出一根電場線的基礎上，說明電場線上每一點的切線方向和該點電場強度的方向一致；然后讓學生觀察教材上的正點電荷或負點電荷周圍的電場線，得到電場線密集的區域場強強、電場線稀疏的區域場強弱，即可用電場線的疏密表示電場強度大小的結論；最后用等量異種電荷和等量同種電荷的電場線分布圖鞏固習得的知識。然而，從學生模型建構的水平來說，這樣的教學僅僅是讓學生知道和應用電場線這一模型，是低水平的層次。

法拉第是最先嘗試用“線”描述磁場和電場的科學家。為了具體地設想電荷之間的作用，他曾想象在它們之間的空間中充滿了能夠拉或推的“某種東西”。他談到了某種膠皮管之類的東西，它們在兩個相反的電荷之間張開并把它們拉在一起；而當電荷的符號相同時，這種類似膠皮管的東西就向各個方向伸出并把它們推開。在電場的情況下，利用電極化可以探測到這些法拉第管的方向[4]。

教師可以讓學生“從特殊到一般”自主建構電場線的模型。首先，教師可以讓學生自己畫出正點電荷周圍眾多點的電場方向，學生會發現，正電荷周圍各點的電場方向都是發散的，從而可以建構出像太陽光線一樣的電場線；在此基礎上，教師輔助學生觀察等量異種點電荷周圍一些對稱點的電場方向，建構等量異種點電荷周圍的電場線；最后讓學生觀察并總結電場線分布和電場強度的關系。通過這樣的教學過程，讓學生自己經歷了電場線模型的建構過程，使他們在今后的學習工作中可能用到同樣的方法來研究問題。教師再適時地介紹法拉第建構電場線的過程，進一步激發學生建構物理模型的熱情。

3.題組訓練促進學生重視模型建構的應用

所謂題組訓練是指將類似的物理模型組合成系列問題，讓學生在解決問題中學會比較、選擇和應用相關物理模型，強化模型建構的意識。題組訓練要重視物理思維的滲透，體現濃濃的物理味，要淡化純粹的數學運算。

物理學習過程中，學生會遇到多種重要的典型物理模型。例如，在進行“豎直平面內的圓周運動”教學時，教師可以在學生熟悉了輕繩模型的基礎上設計一組問題，讓學生區別輕繩（圓軌道）模型和輕桿（圓管道）模型，還可以用水流星等小實驗增強學生對相關模型的認識。

學生對物理問題進行分析和解答的過程，就是對物理模型進行識別、建構以及應用的過程，題組訓練能幫助學生拓展和延伸物理模型應用的情境。例如，在掌握速度選擇器模型后，學生再分析磁流體發電機、霍爾效應、電磁流量計等實際應用時，一旦受力分析后就會想到利用速度選擇器模型來分析解決問題。

4.原始物理問題提升學生進行模型建構的能力

原始物理問題是指對自然界及社會生活、生產中客觀存在且未被加工的物理現象的描述[5]。原始物理問題是真實存在的問題，能否有效建構物理模型解決生活中的真實問題是衡量學生物理核心素養高低的重要標準。

全國物理高考命題委員會進行科研測試時曾使用過如下一道題目：一籃球自某一高度自由下落，撞到地面后又彈起，升到一定高度后又自由下落，之后又彈起、下落，一次又一次，直至籃球靜止，試定性畫出在整個過程中籃球的加速度a隨時間t的變化圖線。這道題目要求學生在分析籃球的受力、運動和能量轉化過程的基礎上，能夠構建出籃球在空中是自由落體運動或豎直上拋的過程模型；籃球與地面的碰撞為非彈性碰撞的條件模型；籃球與地面接觸過程中類似彈簧發生形變的對象模型。

教育部考試中心主任姜鋼提出探索構建“一體四層四翼”的高考評價體系，“應用性”為考查要求的“四翼”之一。“應用性”要求主要體現在學生要能夠善于觀察現象、主動靈活地應用所學知識分析和解決實際問題，學以致用，具備較強的理論聯系實際能力和實踐能力[6]。近年的一些高考試題也體現了物理情境真實性的要求。

例如，回旋加速器模型是帶電粒子在電場中運動的一種簡化模型，常見的簡化有忽略高能粒子的相對論效應、忽略帶電粒子的加速時間、電壓在粒子加速過程中不變等。2008年高考改革以來，江蘇高考物理卷對回旋加速器模型均以計算題的形式進行了考查，2009年命題的切入點是考慮回旋頻率與加速頻率匹配程度對加速器出射粒子動能的影響，2011年命題的切入點是考慮高能帶電粒子的相對論效應，2016年命題的切入點是粒子被電場加速的過程被視為勻加速運動，需要考慮加速時間引起的相移。這3道高考題為學生提供了部分真實的物理問題情境，考查了學生解決實際問題的能力[7]。

原始物理問題的解決呼喚理論分析和實踐操作的結合。例如，必修1學習結束后，教師可以布置“估測人騎自行車時車受到的阻力”的實踐作業。該實踐作業要求學生通過分析將人和車整體作為研究對象，并聯想到頭腦中已有的滑塊在地面上運動的模型。考慮實際可以利用的測量器材情況，學生不便于直接測量力，則可以從由運動求力的角度來間接測量力。學生便于直接測定人和車的質量、運動的時間和位移，則可以選擇從人停止蹬車到車停止的過程來計算出加速度，再根據牛頓第二定律就可以計算出人騎自行車時車受到的阻力。教師可以將學生分成若干實驗小組，在學生用紙筆進行理論分析的基礎上，再讓實驗小組到操場上去實際測量，進一步提升科學探究的素養。

參考文獻

[1] 曹寶龍.物理模型的建構與教學建議[J].物理教學探討，2016（5）.

[2] 張憲魁，李曉林，陰瑞華.物理學方法論[M].杭州：浙江教育出版社，2007.

[3] 劉筱莉，仲扣莊.物理學史[M].南京：南京師范大學出版社，2001.

[4] 喬治·伽莫夫.物理學發展史[M].高士圻，譯.北京：商務印書館，1981.

[5] 邢紅軍，石堯.原始物理問題教學：一個本土化教學理論的創生[J].教育學術月刊，2016（9）.

[6] 姜鋼.探索構建高考評價體系，全方位推進高考內容改革[N].中國教育報，2016-10-11（03）.

[7] 蔣霖峰，陸建隆.高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”的賞析與啟示[J].物理教師，2017（2）.

【責任編輯 郭振玲】endprint