中學(xué)物理模型構(gòu)建與轉(zhuǎn)換能力的培養(yǎng)

楊求銀

一、物理模型的類型

（一）按模型的設(shè)計(jì)思想分類

1.理想化物理模型

特點(diǎn)是突出研究客體的主要矛盾，忽略其次要因素，將物體抽象成只具有物體主要因素但并不客觀存在的物質(zhì)（過程），從而使研究問題簡化。如中學(xué)物理教材中的質(zhì)點(diǎn)、剛體、諧振子、單擺、理想流體、氣體分子結(jié)構(gòu)、點(diǎn)電荷、勻速直線運(yùn)動、完全彈性碰撞等模型。

2.探索性物理模型

特點(diǎn)是依據(jù)觀察或?qū)嶒?yàn)的結(jié)果，假想出物質(zhì)的存在形式，但其本質(zhì)屬性還在進(jìn)一步探索之中，如原子結(jié)構(gòu)模型、光的波粒二象性模型、宇宙大爆炸模型、黑洞模型等等。是以間接的實(shí)驗(yàn)和理論，將某種尚不清楚的實(shí)際物體形態(tài)假想為另一種通過理論構(gòu)思的形態(tài)，再通過一步一步的探討深入實(shí)際。這種模型可能離現(xiàn)實(shí)很遠(yuǎn)，但它是逐步接近現(xiàn)實(shí)的必經(jīng)之路。

（二）按模型研究的對象分類

1.實(shí)物模型；2.物質(zhì)模型；3.系統(tǒng)模型；4.結(jié)構(gòu)模型；5.狀態(tài)模型；6.過程模型。

（三）按照物理模型的數(shù)學(xué)處理方法分類可將物理模型分為公式模型、圖表模型、結(jié)構(gòu)模型

當(dāng)今數(shù)學(xué)教育中提倡“問題解決”“建模”與“應(yīng)用”，是站在數(shù)學(xué)的角度研究實(shí)際問題，當(dāng)然也包括物理問題。數(shù)學(xué)是一門工具學(xué)科，在物理研究中要大量地用到數(shù)學(xué)方法，客觀世界的一切規(guī)律原則上都可以在數(shù)學(xué)中找到它們的表現(xiàn)形式。前述物理狀態(tài)模型實(shí)質(zhì)就是將數(shù)學(xué)量與物理量相對應(yīng)，物理量之間的關(guān)系即反映了物理規(guī)律，對應(yīng)地可以利用數(shù)學(xué)公式、圖表或結(jié)構(gòu)圖等數(shù)學(xué)語言進(jìn)行描述。由此建立數(shù)學(xué)公式模型、圖表模型和結(jié)構(gòu)模型。

二、培養(yǎng)模型轉(zhuǎn)換能力

（一）加強(qiáng)有關(guān)物理模型特點(diǎn)及作用的認(rèn)識和理解，掌握模型的適用范圍

理想模型最明顯的特點(diǎn)就是忽略原型中影響問題的各種次要因素，對研究問題作了極度的簡化和理想化的處理，從而使我們可以通過模型去認(rèn)識原型的各種主要特征和必然聯(lián)系。就如質(zhì)點(diǎn)模型是動力學(xué)運(yùn)動定律的基礎(chǔ)；點(diǎn)電荷模型是庫侖定律、電磁理論等建立的基礎(chǔ)；理想氣體是分子動理論賴以建立的基礎(chǔ)；薄透鏡、電光源等式幾何光學(xué)理論建立的基礎(chǔ)。

對于一個實(shí)際研究對象要抽象成什么樣的物理模型，并不是以其外貌的相似為依據(jù)，而是要視其具體情況具體分析。即使同一個物體，在不同的物理問題情境中也可能抽象成不同的模型。以質(zhì)點(diǎn)模型為例：一般在以下這兩種情況下可把物體視為質(zhì)點(diǎn)：（1）當(dāng)物體本身的幾何線度比所研究的空間范圍小得多時可當(dāng)成質(zhì)點(diǎn)；（2）當(dāng)物體平動時，由于物體各部分運(yùn)動情況完全相同可看作質(zhì)點(diǎn)。再如理想氣體是實(shí)際氣體在一定程度上的理想化模型，只能在壓強(qiáng)不太大、溫度不太低的條件下才可把實(shí)際氣體看作理想氣體來考慮。物理模型都有適用的條件，因此，只有真正的掌握物理模型的適用范圍才有助于正確的進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換。

（二）提高學(xué)生抓住事物的主要因素去研究、學(xué)會問題的簡化方法

看上去讓學(xué)生困惑頭疼的物理題，學(xué)生要是能懂得將抽象、復(fù)雜的模型轉(zhuǎn)換成原有的物理模型，將會很輕松的解完此題。由此看來提高學(xué)生科學(xué)分析事物的方法不僅可以提高學(xué)生模型轉(zhuǎn)換的能力，還可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的信心了。

（三）對物理模型進(jìn)行變式[21]訓(xùn)練，更有利于學(xué)生對各類物理模型的組織構(gòu)建

對物理模型的理解不可以太機(jī)械化，如杠桿是一個簡單機(jī)械模型，一根硬棒在力的作用下可繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動，那么它就是杠桿。這個模型是較抽象的，實(shí)際原型是非常具體的，有各式各樣的結(jié)構(gòu)特征。可采取的做法是杠桿教學(xué)中經(jīng)常進(jìn)行直與曲的變換、固定點(diǎn)變換等等。對學(xué)生進(jìn)行較多地這種具體模型的變式訓(xùn)練，有利于學(xué)生對物理模型的深層理解。

物理模型看上去也許是獨(dú)立的，但設(shè)計(jì)模型的思想基本是相通的。物理模型體系也應(yīng)當(dāng)是前后呼應(yīng)，觸類旁通的。個體通過對物理模型的組織構(gòu)建，會更利于對模型材料的保持與提取。構(gòu)建物理模型體系，有利于人們解新的物理模型并將其歸入自己已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置中，還有利于有序提取相應(yīng)模型知識以解決問題。

（四）讓學(xué)生掌握常用的“模型轉(zhuǎn)換”方法

1.創(chuàng)設(shè)物理情景進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換

在解題訓(xùn)練中通過創(chuàng)設(shè)物理情景進(jìn)行物理模型轉(zhuǎn)換，多角度、多方位，全面地看問題可以更加科學(xué)的解題。

2.等效條件進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換

等效思想是在相同結(jié)果的情況下采用的轉(zhuǎn)換代替思想方法。在應(yīng)用等效思想方法的同時再引入物理模型，可在抓住主要的物理?xiàng)l件、過程和方法的基礎(chǔ)上，找出解決物理問題的切入點(diǎn)，把實(shí)際問題加以簡化。因此，在解題中利用等效物理模型不僅能起到事半功倍的效果，還能培養(yǎng)學(xué)生分析、概括問題和推理的能力。

3.改變思維視角進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換

真實(shí)世界只是量的特征世界，它的差異只是數(shù)的差異。客觀世界的各種事物都不是孤立存在的，他們之間存在著相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系。一個或一些現(xiàn)象的產(chǎn)生會影響到另一些現(xiàn)象的產(chǎn)生。前者是后者的原因，后者就是前者的結(jié)果。物理學(xué)中的研究對象同樣也是符合客觀事物的因果聯(lián)系。在解決物理問題倘若可以抓好各個對象間的聯(lián)系，靈活的改變你的思維，往往會有更加巧妙的解法。

總之“模型轉(zhuǎn)換”為我們提供了一種解題的方法和思路，但是物理模型是有限的，而客觀事物是無限的，尤其對于中學(xué)學(xué)生而言，由于他們所學(xué)物理知識的局限和數(shù)學(xué)能力的制約，許多物理情景并不能直接抽象成學(xué)生熟悉的模型。這就需要通過一定的方法培養(yǎng)和提高學(xué)生模型轉(zhuǎn)換能力，讓他們會用一種他們熟悉的模型去代換另一陌生的模型——只要在保證效果相同的前提下。經(jīng)過這種模型的轉(zhuǎn)換，往往使問題變得更簡單、更具體、更生動，也更容易把握。這樣即使物理學(xué)枯燥難學(xué)，但物理學(xué)豐富的內(nèi)涵和獨(dú)特的思維方法在物理模型的建立與應(yīng)用的過程中必將被學(xué)生所理解與應(yīng)用、信服與欣賞。要充分科學(xué)地用足用活物理模型，就需要一定的模型轉(zhuǎn)換能力，更需要久而久之的培養(yǎng)訓(xùn)練。