物理模型與中學物理實驗教學關系研究

李殿勝

摘要：理想物理模型在中學物理實驗教學中具有不可或缺的地位，是學生學習物理知識的基礎。并且物理模型還穿插全部中學物理課本的各類知識點，學生對大多數主要物理知識、規律的理解、掌握及其物理思維能力的提升都取決于對理想物理模型的掌握程度和理解程度。模型的構建不僅可以純化相關問題，有利于學生對知識點和物理規律的理解掌握，而且有助于科學鍛煉學生思維的張度。在物理教學中要充分加強對學生各項能力的訓練，提升模型構建的能力。本文闡述了物理模型與教學的關系并且分析了物理模型在教學中的作用以及運用。

關鍵詞：物理模型；物理模型教學；規律；培養

1 物理模型特點及主要功能

1.1 物理模型的特點

1.1.1 思維的抽象性和模型的形象性的統一

通過抽象進行建模，使物理模型更加形象化。比如外斯塞格和波爾提出的原子液滴模型。他們在實驗的基礎上提出了它具有均勻的密度并且不可壓縮，就像液滴的特性那樣。于是他們把原子對比液滴，提出了原子液滴模型。通過這個例子我可以很清楚的看到，用液滴作為模型去了解我們看不到的原子，其過程是抽象的，結果卻是形象的。

1.1.2 模型的科學性及假定性的辯證統一

物理模型具備深刻的理論知識，即具備必然的科學性。理想模型是人類抽象思維的成果，因此也有一定的假定性。例如，我們之前所說的原子核液滴模型。它是在實驗的基礎上提出了它具有均勻的密度并且不可壓縮的特性，所以在一定程度上具有科學性。他們也把原子比作液滴，構建液滴模型去了解原子的特性。但兩者始終并非同一物，各自肯定存在些許差別，所以一定程度上具有假定性。

1.2 物理模型的主要功能

①將問題簡化，從中快捷地看出其中物體運動的基本規律。

②運用模型可以解釋現實情境中的物理現象。

③經常構建模型可以鍛煉人的邏輯思維能力，促進人的全面發展。

④物理模型促進人對事物的理解，理解才能合理的改造，促進社會的發展。

2 中學物理中常見的物理模型

2.1 “質點”物理模型

“質點”模型在中學實驗教學活動中是接觸最多的模型。它是中學物理中最簡單的物理模型之一，是許多物理模型的基礎。因此實驗教學中應給以足夠的重視。在“質點”模型的實驗教學中，首先要講清引入“質點”模型的目的性和必要性。當我們在探究一個物體的運動時，首先要確定物體的具體位置。因為每個物體都具有一定體積、形狀、大小，內部結構也不盡相同。在物理發生運動時，這些狀態的位置變化一般都各有規律可循，要把這些規律都描述出來不是容易的事。

2.2 剛體物理模型

在某些條件下，物體的體積形態的變化屬于非本質特征，那么我們就可以將物體抽象為剛體。所謂剛體就是各個點能保持相對靜止的物體。任何堅硬的實際物體作為一個質點系，在外力作用下，各質點之間的距離都有變化。反映為物體大小、形狀或內部各組元相對位置的變化。但在很多情景下，這種變化都很小，對所討論的對象的影響能夠忽略掉。這樣把它當作剛體來研究從而可以使問題大大簡化。但是在實際條件下，判斷一個物體是否能看作剛體還要看具體情況。我們常見固體轉移一般形變很小，都可以看作是剛體。

2.3 彈性體與范性體物理模型

對一個物理施加外力，使之發生形變，去掉外力后物體能恢復原狀的物體叫彈性體。這種形變稱為彈性形變。在教材中的彈性碰撞的物體和彈簧都是我們說的彈性體。物體間彈力是作用在彼此接觸而產生彈性形變的物體之間，其彈力大小遵循胡克定律。與彈性體對應的模型就是范性體。它是指材料在外加力作用下超出彈性極限后仍變形而不斷裂，這時若去掉外力，仍有部分形變不能還原，該物體稱為范性體。

2.4 杠桿物理模型

在初中物理中講到了“杠桿”，在實際運用杠桿時，影響杠桿平衡的因素是很多的，除了加在杠桿上的動力和阻力外，杠桿本身的重量，撓曲變形，支點處的光滑程度等等都影響杠桿的平衡。通過對主體探究后把握主要特征，忽略次要特征，可以抽象出了“杠桿模型”。我們所說的杠桿模型是指重量能夠忽略且光滑的剛體。經過探究發現了理想杠桿的平衡條件與動力、動力臂、阻力與阻力臂有關，即平衡條件為動力與動力臂的乘積等于阻力與阻力臂的乘積。

3 物理模型對中學物理實驗教學的促進作用

3.1 培養正確的科學思維方法

在中等物理實驗教學中，物理思維能力就顯得尤為重要，而增強中學生物理思維能力的前提是讓學生保持獨特的思維習慣。剛剛接觸物理的學生大多數只專注于書本知識點的死記硬背，這種死記硬背的思維方式肯定是不合適的，而且在中學物理的不同階段，也要求學生掌握不同的思維方法。這些思維方法的要領和特點的駕馭水平直接決定著學生的學習效果以及物理思維的發展，所以要重視培養學生構建以及使用正確的思維方法。在平時的中學物理講授中，讓學生對物理模型的分析經過也就是思維方法訓練經過。確保學生能夠運用正確的科學的思維方法了解物理規律和概念。

3.2 理解物理學中的難點

中學物理中有許多比較抽象知識點，學生在短時間內要掌握和理解這些知識通常比較費力。但學生如果能運用物理模型來理解就不一樣了，它是以現實生活中的物體經過一系列科學抽象后的結果，反映了該物體的主要特征。物理模型實驗教學可以突出問題的主要特點并且忽略一般因素，有利于學生構建起準確的物理模型，使研究的物理問題由繁到簡、由難到易的過渡，達到教學難度降低的作用，使學生容易掌握和理解該物理現象的規律和本質特征。例如“點電荷”、“質點”的概念。學生初次接觸這幾個概念時，往往抓不住概念的本質，這時候構建概念模型就可以解決這個問題。

3.3 形成科學的預見

由于物理理想模型的構建過程中忽略了大部分的次要因素，主要反映事物的主要特點，這樣方便學生發展物理思維的能力，也可以使得探究事物的成果可以跨越現有生活條件，引導事物探究的方向，構成科學的預見，從而得到正確的物理規律和定理。例如在探究平拋運動的規律時，我們一般先將該問題簡化為兩個過程：第一個過程，質點在水平方向上受力為零，因此做勻速直線運動；第二個過程，質點在重力方向上僅受重力的作用，就會預見到質點做自由落體運動。通過這樣處理可以使曲線問題得到大大的簡化，從而總結出其運動的規律。

4 物理模型在中學物理實驗教學中的運用

4.1 建立模型概念，理解概念實質

為了使人類大腦中的客觀事物有深刻的反思，它必須與人類的大腦有聯系起來，使之具體化、可視化。概念模型是暫時忽略掉非本質特征，以及對當下探究影響不大的小小因素。抓住該物理現象的主要特征，了解事物的條件，然后使用理想化的概念模型來解決現實的物理現象。如學習“點電荷”、“質點”這些概念時，構建概念模型可以使學生更容易理解其中的本質。

4.2 突出模型的主要矛盾

條件模型就是為討論和求解問題起到排干擾、做鋪墊的作用。把給出的物理條件進行建模，忽略條件中的次要矛盾，突出條件中的核心矛盾。如我們在探究球拍與乒乓球碰撞時，因為拍跟球相互接觸的時間很短，可以不計摩擦和其他阻力。能夠認為該體系的總動量不變。條件模型的構建可以大大簡化我們探究的物理現象。

4.3 通過過程模型構建物理圖景

過程模型顧名思義就是把物理過程進行理想化在進行建模。其錯綜復雜的變化過程經過人為處理成為容易理解的物理過程。如熱學中的等壓過程，它是撇開了次要因素突出本質因素的過程模型，這條件在現實中是不存在的。我們知道過程模型可以由無數個狀態模型累積而成，將這些狀態模型在坐標系表示出來，最后得到的軌跡就是過程模型。不難看出過程模型的構建不僅可以純化相關問題，有利于學生對知識點和物理規律的理解掌握，而且有助于科學鍛煉學生思維的張度。

4.4 轉換物理模型，深入理解模型

采用理想化模型進行探究，我們可以完全避免次要條件的影響。在腦海里與討論的對象的核心要點進行思考，可以快速，了當地掌握該對象的主要特征和結論。在學習單擺模型后，我們可以利用該模型公式解決相關類似的物理現象。比如受重力的小球在圓形軌道的往返時間。也就是說，在深入了解某種模型之后，我們可以把這種模型思維擴展到其他物理問題。

5 培養中學生的模型思維能力

5.1 中學生思維發展的特點

大部分的初中生逐漸形成一定邏輯思維水平。然而，理論水平還不夠成熟，只能依靠具體的形象來引導思維發散。思維的品質不夠穩定，思維程度的差距更為明顯。高中生的邏輯思維有顯著的提升，抽象和概括水平更強。但還需要圖示來促進推理過程。在某種程度上，他們的自我認識能夠有意識地控制和調節他們的思維。并且數學上表現出來的思維能力也達到了比較高的水平。

5.2 重視學生的觀察、綜合分析和思維能力

很多信息通過觀察都是可以得到的，很多信息與我們所探究的對象各個方面的問題均有關系在探究和觀察某種物理現象后，我們要總結歸納出它們的共同特征，這是我們在構建物理模型時需要注意的。一個人的綜合分析能力體現在是否能把“一分為多”的能力。長期訓練模型思維，也有助于鍛煉學生發展想象能力，而想象能力又可以推動模型思維能力的培養。不妨借助某些設備幫助我們訓練學生的聯想能力，如計算機能夠把因為運動太快導致人眼看不清楚的過程，或現實生活中不容易看清的現象都展示出來，有助于我們對其進行想象。

5.3 理解物理模型的特點和功能

鑒于這些現象，我們一定要加強學生的模型思維意識。因為模型是理想化的探究，它發揮的功能是簡化探討的對象。在學習活動中，我們都要與學生一起商討概念，商討其屬于哪一種模型，這種模型在哪些情況下才會成立？構建模型的準則有哪些，理想化了什么非本質特征以及它擁有的主要特征。同時要明確理想化模型和實際物理現象的差別。通常建立一個模型是從多個物理現象中歸納建立起來的，所以一個物理模型可以對應多個物理情景。當在學習活動中使用舊的物理模型探究新的物理現象時，必須要注意如何將新現象歸納進舊模式中。學生只有經過連續不斷的訓練，才能使物理模型的認識不斷提高。

5.4 了解構建物理模型的方法和要求

通過實際不斷的培養和持續的訓練掌握構建正確的物理模型。在日常的物理課或者自習中若是碰到與模型相關的物理現象時，讓學生了解構建模型來分析該現象，明白物理模型發展的意義。在物理授課活動時，要有計劃、有方針的指導學生觀察實驗和現實生活中的物理情景。然后對實驗觀察的資料加以概括，構建出體現該現象本質特征的模型。

總結

在倡導素質教育的環境下，物理實驗教學不能一昧的進行灌輸教育，應該要重點培養學生的各種能力，比如模型思維能力。利用物理模型授課有利于學生對物理現象、概念的理解，因為其可以突出對象的主要特征，忽略次要特征。在實驗教學活動中，一定要以物理模型為中心點進行展開教學，讓學生掌握模型的構建方法，以長期的訓練來促進學生各項能力的培養。

參考文獻

[1] 路慧奇. 解讀平拋運動的內容和推論[J]. 中學生數理化：高一版，2011（1-2）：38-39

[2] 鄭艷秋.中學理科學生物理模型能力的評價研究[D]. 上海：華東師范大學大學，2007.

[3] 梁麗儀. 淺談中學物理教學中的建模[J]. 教育管理與藝術，2014（05）：86

（作者單位：山東省青島第六十六中學）