高中物理建模能力的培養

張永健

【內容摘要】物理模型方法是物理學中最常見、最重要的科研方法之一。物理模型也是中學物理的重要內容，正確建立物理模型的能力是高中學生必備的能力，作為一名物理教師，我們在平時的教育教學過程，應給有意識的培養學生的建模能力，使得學生能夠適應物理的學習，最終能夠讓所學的物理知識用于生活，服務于生活。

【關鍵詞】中學物理 建模能力 培養

在平時的物理教學中教師都很注重物理模型和物理過程模型的建立，但是學生總不能從中得到領悟，問題處在哪里？可能是我們教師的一廂情愿，認為學生都領悟到了，但是如果我們教師自己都沒有引起重視，那就是我們自己做的很不夠，縱觀十幾年的物理教學，物理建模能力一直是師生們永遠的傷痛，所以作為教師我們平時更應該不厭其煩的加于強調，強調，再強調。

一、物理模型及其特點和分類

（一）物理模型的特點

物理模型是從同類的物理問題中，只抓問題的本質，忽略次要因素。故典型性是物理模型的首要特點；其次，物理模型作為一種研究問題的方法，在整個物理學研究，以及其他學科領域的研究中發揮出了不可替代的作用。故其還具有方法性。

（二）物理模型的分類

物理模型通常可以分為四類，即“實體（物理對象）模型”、“理論（物理過程或物理狀態）模型”、“物理條件模型”和“數學模型”。

1.“實體模型”是在研究的一定限度內，按照物理客體的本來面貌，相當精確地抽象出其本質特征。這類模型一般用于建立物理概念和探索物理規律。如質點、彈簧振子、點電荷、理想變壓器、無限長直導線，原子的模型，點光源……另外，像光線、電場線、磁感線等是根據物理客體表現出來的物理性質，用理想化的圖形來模擬物理客體而引入的一類理想模型。

2.“理論（物理過程或物理狀態）模型”是在觀察、實驗的基礎上，經過物理思維，對某一物理研究對象的相互作用、運動規律等進行一種簡化、深入的描述。這類模型一般用于分析物理事件發生的過程，建立物理情景。

3.“物理條件模型”是把物體所處條件理想化。例如，當研究微觀粒子在場中運動時，因為G

4.“數學模型”我們在構建物理模型的同時，也在構建表現物理狀態及過程規律的數學模型。（1）可以借助數學模型描述物理概念和定律，如ρ=m/V，F=Gm1m2/r2，E=n（△Φ/△t）；（2）可以借助數學工具推導出具有普遍性的結論；（3）借助數學知識順利地歸納和計算實驗結果，快速解決物理問題。

二、物理建模能力的培養

從物理學的角度看，“建模”，就是把我們要研究的物理對象或物理過程通過抽象、理想化、簡化和類比等方法形成物理模型。

例如，在處理天體問題時的“行星模型”和“球體模型”。“行星模型”是將星體繞中心天體的橢圓軌道運動，近似看作勻速圓周運動。“球體模型”則是忽略了星球的自轉，認為萬有引力等于該星球表面物體所受的重力。這樣建立了物理模型后，學生便可以自己將勻速圓周運動的知識應用于天體運動，從而避免了眾多繁瑣公式的記憶，同時也抓住了此類問題的本質。又如，“交變電流”一章中“理想變壓器”模型的建立是解決中學物理中變壓器問題的基礎。由于實際變壓器在變壓過程中受“漏磁”、“原、副線圈本身的電阻”等因素的影響較小，作為次要因素可以被忽略掉。這樣便建立了一種“無漏磁，線圈無電阻”的“理想變壓器模型”。再根據互感的原理才得到了變壓器的變壓原理，即：U1/U2=n1/n2和I1/I2= n2/n1。學生理解、掌握了這種變壓器模型，便給解決這一類問題奠定了堅實的基礎。

“模型轉換”是培養學生建立物理模型的一種切實可行的辦法。如果說學生認識模型是“建立模型”的話，那么解題則是“建立模型”的逆過程。在研究物理時碰到的新模型，通常是由一些我們熟悉的舊模型中發展或轉變而成。因此對于與原模型有相近的運動狀態或相似的物理性質對象，應把待解問題納入到已有的模型中去。由于客觀事物是無限的，而物理模型是有限的，尤其是對于中學物理教學，由于學生的認知水平的制約，很多時候學生不能快速、準確的建立起他們熟悉的物理模型，所以需要我們多對學生進行“模型轉換”的引導。

由于學科特點，使得物理學科對培養學生的建模能力有其獨具的優勢。從物理學的發展歷史來看，“建模”起著推動其前進的作用，建立物理模型在解決物理問題中起著至關重要作用。不管問題是否簡單，都需要正確建立模型，建模可以從“數、形、鏈”三個方面進行，所謂“數”，即物理量，可以是具體數據，也可以是符號；所謂“形”，就是將題設物理情境以圖形的形式呈現出來；所謂“鏈”，即情境鏈接和條件關聯，情境鏈接就是將物理情境分解成物理子過程，并將這些子過程由“數、形”有機地鏈接起來，條件關聯即“數”間關聯或存在的臨界條件關聯等。“數、形、鏈”三位一體，三維建模。

總之，物理新課標突現出兩大鮮明特征：一是提倡從生活走進物理，從物理走向社會；二是科學探究貫穿始終。這說明：授之以魚不如授之以漁。以模型為載體培養學生科學探究能力符合物理學科的特點，這不僅能夠有效地促進物理成績的提高，還會使學生會學物理，最終提高學生們分析、解決實際問題的能力和創新能力。

（作者單位：福建省永安市第一中學）