建立理想模型 發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

朱忠海

(江蘇省靖江市第一高級(jí)中學(xué) 214500)

物理學(xué)的研究對(duì)象是自然界中最普遍的運(yùn)動(dòng)形式，比如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)等等.由于我們所處的世界紛繁復(fù)雜，任何一個(gè)具體問(wèn)題都涉及到多種因素相互作用，且各具特征，這也增加了我們分析和研究的難度，為此科學(xué)家在研究相關(guān)現(xiàn)象時(shí)，都要采用抽象、假設(shè)等探究方法，建立理想模型，以實(shí)現(xiàn)問(wèn)題分析和研究的簡(jiǎn)化.

一、理想模型的定義和優(yōu)點(diǎn)

理想模型是從實(shí)際情境提取出來(lái)，并經(jīng)過(guò)理想化處理的模型，這其中涉及到理想化思維，它是物理研究最基本的方法之一.一般來(lái)講，如果所研究的物理問(wèn)題牽扯到諸多元素，且非常復(fù)雜，研究時(shí)我們都要區(qū)分對(duì)象中哪些因素是主要的，哪些因素是次要的，進(jìn)一步的研究一般會(huì)保留主要因素而忽略次要因素，對(duì)一些無(wú)關(guān)的干擾更是要徹底排除其影響，如此即可突出事物的本質(zhì)，讓問(wèn)題處理的過(guò)程簡(jiǎn)便而快捷.

結(jié)合上述分析方法簡(jiǎn)介，我們可以看出，建立理想模型之后，某些不太重要的影響因素都會(huì)被屏蔽掉，這樣的處理將能把主要因素凸顯出來(lái)，這也有助于人們一眼看穿問(wèn)題的關(guān)鍵所在，將其運(yùn)用于物理教學(xué)，也可以讓學(xué)生更加清晰地把握物理規(guī)律，提升他們物理問(wèn)題分析和解決的效率.

二、高中物理的理想模型分類(lèi)

理想模型大多是研究者從客觀存在的場(chǎng)景出發(fā)，把握其最根本的特征，結(jié)合抽象思維的運(yùn)用，對(duì)其進(jìn)行了純化處理，由此建立起各種理想模型.高中物理中常見(jiàn)的理想模型包括三種，它們分別是理想實(shí)體模型、理想過(guò)程模型和理想狀態(tài)模型.

1．理想實(shí)體模型

在正式開(kāi)始高中物理學(xué)習(xí)的第一課上，學(xué)生所接觸的第一個(gè)物理概念是“質(zhì)點(diǎn)”，即把物體的體積和形狀徹底忽略掉，將其視為一個(gè)有質(zhì)量的“點(diǎn)”，這一模型源于真實(shí)的物理實(shí)在，是理想思維的產(chǎn)物，是一種典型的理想化模型.在物理研究中，我們對(duì)具體的物體進(jìn)行抽象化的處理，提煉出來(lái)的物理模型就是理想實(shí)體模型，類(lèi)似的概念還包括：點(diǎn)光源、光滑平面、輕桿、理想氣體等等.

2．理想過(guò)程模型

物理研究的對(duì)象包括很多物理過(guò)程，我們?cè)诜治鰡?wèn)題時(shí)將過(guò)程進(jìn)行純粹化和理想化的處理，把握其中的主要因素，由此所提煉出來(lái)的過(guò)程就是所謂的“理想過(guò)程模型”，比如自由落體運(yùn)動(dòng)，此類(lèi)運(yùn)動(dòng)需要物體在只受到重力影響的環(huán)境中無(wú)初速地釋放，而一般在地球表面所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)都會(huì)受到空氣阻力的影響，為了研究的方便，某些質(zhì)量大體積小的物體在下落過(guò)程中所受的空氣影響都很小，因此我們將這些次要因素忽略掉，這樣就可以采用自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和方法來(lái)研究和處理問(wèn)題.類(lèi)似的問(wèn)題包括：?jiǎn)螖[運(yùn)動(dòng)、氣體的絕熱膨脹、兩個(gè)小球的彈性碰撞等等.

3．理想狀態(tài)模型

某些物理狀態(tài)比較復(fù)雜，面對(duì)相關(guān)問(wèn)題時(shí)，我們也要對(duì)狀態(tài)進(jìn)行理想化的抽象，由此建立理想化的模型，比如動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題，多個(gè)力作用下物體保持平衡，如果緩慢調(diào)節(jié)某個(gè)外力，但是物體的平衡狀態(tài)依然保持不變，由此探索其他力的變化特點(diǎn).上述問(wèn)題的調(diào)整過(guò)程中，物體往往會(huì)發(fā)生一些運(yùn)動(dòng)，但是為了處理的方便，我們往往對(duì)這些微小的變化視而不見(jiàn)，將整個(gè)狀態(tài)視作一個(gè)理想狀態(tài)，以此來(lái)提升問(wèn)題分析的效率.

三、理想模型在高中物理教學(xué)中的運(yùn)用

在物理教學(xué)過(guò)程中，教師要建立這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)：理想模型是一種科學(xué)化的思維，將其引入教學(xué)能夠提升學(xué)生理解的效率；但同時(shí)教學(xué)過(guò)程中，我們切忌直接將模型灌輸給學(xué)生，因?yàn)檫@樣的教學(xué)很容易割裂知識(shí)與情境的關(guān)聯(lián)，長(zhǎng)此以往，學(xué)生的眼中就只有公式和規(guī)律，而沒(méi)有物理情境，這顯然不利于學(xué)生的成長(zhǎng)，因此我們?cè)诮虒W(xué)中一定要合理使用模型，尤其應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷理想模型的建立過(guò)程.

將模型引入到物理教學(xué)中，就是要讓學(xué)生能夠輕松靈活的使用模型，但是模型不能直接灌輸給學(xué)生，而應(yīng)該讓他們?cè)谧灾魈骄康倪^(guò)程中經(jīng)歷模型的建立，這樣才能更好地提升學(xué)生建模的意識(shí)和能力.

比如在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)“質(zhì)點(diǎn)”這個(gè)概念時(shí)，我們要引導(dǎo)學(xué)生明確“質(zhì)點(diǎn)”概念建立的目的和意義.我們可以提出問(wèn)題：一列從南京開(kāi)往北京的火車(chē)，研究它運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，是否有必要研究火車(chē)上每一個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)？這樣的問(wèn)題將讓學(xué)生明確在上述情境中，物體的體積和形狀對(duì)問(wèn)題的影響很小，因此可以忽略，隨后教師再提出問(wèn)題：一列火車(chē)即將經(jīng)過(guò)一段鐵路橋，如果要研究它通過(guò)鐵路橋的時(shí)間，是否可以忽略它的形狀和體積呢？通過(guò)這樣的比較，學(xué)生經(jīng)歷著“質(zhì)點(diǎn)”模型的建立過(guò)程，他們也明確了“質(zhì)點(diǎn)”這個(gè)模型也不是普遍適用的，具體在什么時(shí)候需要使用這個(gè)概念，在什么時(shí)候才能使用這個(gè)概念，這些問(wèn)題都是我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中，需要讓學(xué)生辨析清楚的.再比如，部分教師在教學(xué)中還和學(xué)生總結(jié)：“一般情形下，平動(dòng)物體可以視為質(zhì)點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)物體不可以視為質(zhì)點(diǎn).”上述表達(dá)有一定的正確性，但是如果只是將概念教給學(xué)生，讓學(xué)生死記硬背，這就沒(méi)有任何意義.我們要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合具體的問(wèn)題展開(kāi)分析：為什么平動(dòng)的物體在一般情形下可以視為質(zhì)點(diǎn)，這個(gè)“一般情形”指的是什么？我們要啟發(fā)學(xué)生展開(kāi)思考和討論，進(jìn)而明確：平動(dòng)物體的特點(diǎn)在于其上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同，如果要研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，則可以選用其上的某一個(gè)點(diǎn)作為代表來(lái)研究即可，這就是物理研究中的“質(zhì)點(diǎn)”.而且到底什么時(shí)候可以將物體視為“質(zhì)點(diǎn)”，還是要結(jié)合具體問(wèn)題來(lái)研究，即便是平動(dòng)的物體，如果問(wèn)題不合適，我們也不能將其視為“質(zhì)點(diǎn)”，比如一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的均勻木板放在水平桌面上，其一端與桌邊齊平，整根木板與桌子的邊緣垂直，現(xiàn)在將木板以恒定速度v向著桌邊平移，經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間木板會(huì)掉下桌面？這個(gè)問(wèn)題的處理過(guò)程中顯然不能再將木板視為質(zhì)點(diǎn).

綜上所述，在物理研究過(guò)程中，研究者采用抽象方法從原始的物理問(wèn)題中提煉出理想化模型，這是一種常見(jiàn)的科研方法，也是高中生所必須掌握的探究思路，需要我們?cè)诮虒W(xué)中予以充分的關(guān)注.