物理建模思想在高中教學中的重要性

張順鋒

摘要：物理模型既是物理學賴以建立的基本思想方法，也是物理學在應用中解決實際問題的重要途徑和方法，這種方法的思維過程要求學生在分析實際問題中研究對象的條件、物理過程的特征，建立與之相適應的物理模型，通過模型思維進行推理?；谶@種方法，高中物理學習從某種意義上來講主要是建立基本物理模型并分析、應用、提升的過程。教師在教學中能有效地提高基本物理模型的教學有效性，學生能在學習中提高基本物理模型學習和應用的有效性，那么在學習和理解高中物理內容中將會取得事半功倍的效果，并且近幾年的高考中建模思想也體現得很明顯。

關鍵詞：高考；物理基本模型；建模思想

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2017）09-0004

物理模型是科學地進行物理思維從而進行物理研究的一種方法。理想的物理模型，既是物理科學體系中光輝的典范，也是解決現實物理問題不可或缺的依據，其重要性不言而喻。它能具體、形象、生動、深刻地反映物理的本質和規律。物理教學應該把物理模型作為重要環節，而物理教學中的基本建模思想正是在這種研究思想的指導下提出的通過一定的抽象思維，適當地對物理研究對象進行理想化設想形成物理模型，進而解決物理問題的一種方法。有效地掌握，合理地運用基本物理模型是提高物理學習效率和提升考試效益的有效方法。尤其是現在課程改革后所使用的教科版物理教材，更加注重對物理基本模型和基本建模思想的培養與應用。所以，加強物理基本模型和基本建模思想的培養對學好物理是大有益處的。

下面，筆者針對高中物理教學中建模方面的問題談談自己的看法。

一、物理建模的含義

模型一詞，在西文中源于拉丁文“modulus”，意思是“尺度、樣本、標準”。錢學森給模型下了這樣的定義：“模型就是通過對問題現象的分解，利用我們考慮得來的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所創造出來的一幅圖畫……”。

物理學是與實際聯系很密切，且理論性、系統性很強的學科，其所研究的對象寬泛而繁雜，往往研究對象并不是以一個孤立系統而存在，同時還有可能存在許多的外部影響，為了方便進行物理的理論分析，要將一些對研究會造成影響的因素忽略。當然不能忽略問題研究的本質。這就要求在研究問題時，要根據本質，分析其影響因素的主次，進而拋去次要因素，抓住主要因素，從中抽象出研究對象的簡化的理想的物理模型，這樣才能更加充分地抓住問題關鍵，這就是物理建模。

二、物理模型的特點

建立基本的物理模型，應該具有三個特點：即代表性、方法性和美學性。首先是代表性，物理模型是從許多的物理對象中經過有針對性地刪減外部因素后保留下來的，它抓住了研究對象的本質，因此每個物理模型都具有非常典型的代表性；其次是方法性，每一個物理模型的確立都不是憑空想象就可以得出來，而是由眾多的物理研究人員經過反復思考才最終形成的，物理模型反映了物理學科的研究方法；最后是美學性，我們現在接觸到的物理模型都是非常簡單但又準確地反映了研究對象的本質狀況的，通過物理模型能夠簡明扼要地揭示物理問題，體現了物理學科的形式美。

三、物理模型的分類以及使用的規律

1. “子彈打木塊”模型：三大定律：摩擦生熱，臨界問題，數理問題；2. “爆炸”模型：動量守恒定律，能量守恒定律；3. “單擺”模型：簡諧運動：圓周運動中的力和能問題：對稱法，圖像法；4. “限流與分壓器”模型：電路設計：串并聯電路規律及閉合電路的歐姆定律，電能，電功率，實際應用；5. “電路的動態變化”模型：閉合電路的歐姆定律：判斷方法和變壓器的三個制約問題；6. “磁流發電機”模型：平衡與偏轉。力和能問題；7. 電磁場中的單桿模型：棒與電阻。棒與電容。棒與電感。棒與彈簧組合。平面導軌。豎直導軌等，處理角度為力電角度：電學度，力能角度；8. 電磁場中的“雙電源”模型：順接與反接，力學中的三大定律：閉合電路的歐姆定律，電磁感應定律；9. 交流電有效值相關模型：圖像法，焦耳定律，閉合電路的歐姆定律，能量問題；10. “能級”模型：能級圖，躍遷規律，光電效應等光的本質綜合問題；11. 遠距離輸電升壓降壓的變壓器模型；12. “回旋加速器”模型：加速模型（力能規律），回旋模型（圓周運動），數理問題；13. “質心”模型：質心（多種體育運動）。集中典型運動規律。力能角度；14. “掛件”模型：平衡問題。死結與活結問題，采用正交分解法，圖解法，三角形法則和極值法；15. “追碰”模型：運動規律，碰撞規律，臨界問題，數學法（函數極值法、圖像法等）和物理方法（參照物變換法、守恒法）等；16. “運動關聯”模型：一物體運動的同時性、獨立性、等效性。多物體參與的獨立性和時空聯系；17. “皮帶”模型：摩擦力，牛頓運動定律，功能及摩擦生熱等問題；18. “平拋”模型：運動的合成與分解，牛頓運動定律，動能定理（類平拋運動）；19. “行星”模型：向心力（各種力）。相關物理量。功能問題。數理問題（圓心、半徑、臨界問題）。20. “全過程”模型：勻變速運動的整體性。保守力與耗散力，動量守恒定律，動能定理，全過程整體法；21. “人船”模型：動量守恒定律，能量守恒定律，數理問題；22. “斜面”模型：運動規律，三大定律，數理問題；23. “對稱”模型：簡諧運動（波動）、電場、磁場、光學問題中的對稱性、多解性、對稱性；24. “繩件、彈簧、桿件”三件模型：三件的異同點，直線與圓周運動中的動力學問題和功能問題。

四、物理建模的重要性和必要性

高中物理內容抽象、邏輯性強是其難度所在，如果單純地進行知識灌輸，學生很難理解和掌握。而在學習中逐漸地建立物理模型，使難以琢磨的物理理論變得實在，變得可以想象，那么對于物理的學習就能起到很大的幫助。

高中物理建模，將解題過程化繁為簡，降低了物理解題難度，增強了學生對物理學習的興趣和自信。同時，正確建立物理模型的過程本身也是不斷提高學生自身思維品質的過程。通過物理建模，能夠有效地提高學生的綜合能力。例如平拋運動。我們知道，平拋運動其本質就是在初速度方向上的勻速直線運動，在與初速度垂直方向上的勻加速直線運動的合成。電場中，在研究帶電粒子在勻強電場中的偏轉運動時，就可以很快地發現這個運動和平拋運動具有十分相似的受力特點和運動情況，那么就將平拋運動的受力分析和運動分析，以及相關的數學運算都進行套用。endprint

五、物理建?？梢宰寣W生體驗到探求規律的過程，以強化對客觀世界的認識過程

通過建立模型，可以讓學生充分體驗到物理探索過程中的困難，磨煉學生的學習意志，同時建立模型的過程也是學生掌握物理研究方法的一種手段，有利于培養學生運用科學抽象的思維方法來處理實際問題的能力。其實，運用基本物理模型的過程也是一種發現和探索的過程。

六、培養基本的物理建模思想的方法

1. 充分利用好物理實驗教學

高中物理建模教學工作應充分借助物理實驗教學開展，因為物理實驗是客觀實在的東西呈現在學生面前，不需要學生空想。要看到實在的東西才能進入思考狀態是從初中進入高中的學生學習物理的普遍特點。那么，通過實驗，讓學生先感性認識，知道實驗原理、研究過程和過程分析、數據處理，在實際動手中親身感受模型與實物的區別，這樣更有助于學生加深對物理模型的理解和應用?？偟膩碚f，模型建立的步驟：第一步：通過觀察現象積累經驗；第二步：為了解經驗建立模型；第三步：用你的模型預言未知現象；第四步：用實際物質做實驗來驗證你的預言，用這種方法試著探索你的模型適用范圍；第五步：在這個適用范圍內運用你的模型解決實際問題。

2. 培養學生對物理信息的抽象能力

物理模型的建立，是對物理對象的抽象，抓住研究問題的主要方面。物理教師教學時要強調培養學生對于物理信息的抽象能力，尤其是在訓練從考試題目中的相關信息中抽象出基本的物理模型，然后運用已有的基本知識和模型儲備，進行合理的套用。高中階段的考試都是在基本物理模型的基礎上進行考查，所以，當學生在接觸到物理信息后應該快速分辨出哪些因素會影響研究目的，而哪些因素是無關緊要的，找出運用基本模型的突破口，快速上手，這樣學生才能在后續的研究過程中有針對性地開展研究活動，從而解決問題。

波利亞曾說過：“在教一個科學的分支（或一個理論、一個概念）時，我們應當讓孩子重蹈人類思想發展中的那種最關鍵的步子，不應該讓他們重蹈過去的無數個錯誤，而僅僅是重蹈關鍵性步子。”所以，讓學生去領悟模型，感悟建模思想，理解模型的重要性。

參考文獻：

[1] 喬際平等.物理學科教育學[M].北京：首都師范大學出版社，2000.

[2] 呂明德.學習建構主義理論 培養學生創新能力[J].中學物理教學探討，2001（5）.

[3] 史獻計.物理模型建構的心理過程分析[J].物理教師，2005（4）.

（作者單位：河南省三門峽市一高 472000）endprint