高中物理教學(xué)中建構(gòu)物理模型的理論與實(shí)踐研究

葉金福

摘 要：模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的簡(jiǎn)化描述和模擬，其主要用途是幫助人們更加簡(jiǎn)潔方便地研究問(wèn)題本質(zhì)繼而更好地解決問(wèn)題。中學(xué)物理以物理模型為載體描述物理知識(shí)和思維方法，物理模型是物理學(xué)解決物理問(wèn)題一種非常有效的手段，它用一種簡(jiǎn)單的模型抽象表達(dá)實(shí)際的物理問(wèn)題，將理解分析實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為理解分析物理模型，簡(jiǎn)化了解決問(wèn)題的過(guò)程，還可以使問(wèn)題得到有效解決?？梢允箤W(xué)生更加牢固地掌握和記憶知識(shí)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物理模型;構(gòu)建;物理教學(xué);應(yīng)用

物理學(xué)發(fā)展初期就已經(jīng)開始研究物理模型。牛頓在提出萬(wàn)有引力定律時(shí)就使用了這種方法，將宇宙中的星體簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)是一種僅有質(zhì)量而無(wú)體積的點(diǎn)，建立了著名的質(zhì)點(diǎn)模型。湯姆遜通過(guò)構(gòu)建物理模型建立“棗糕模型"等等。

一、高中物理模型構(gòu)建教學(xué)的意義

高中物理除了在知識(shí)內(nèi)容方面與初中物理不同，更主要的不同在于高中物理更注重學(xué)生思維能力的培養(yǎng)和提升，初中物理的學(xué)習(xí)為學(xué)生由形象思維發(fā)展到抽象思維奠定基礎(chǔ)，高中物理要幫助學(xué)生提升這種能力并且實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。因此，在教授高中課程時(shí)大部分研究對(duì)象都是物理模型，這些物理模型基于實(shí)際問(wèn)題所提煉但是又不同于實(shí)際模型，是對(duì)實(shí)際問(wèn)題的概括和抽象，所以在學(xué)習(xí)時(shí)學(xué)生必須熟練掌握物理模型的構(gòu)建與使用，這個(gè)過(guò)程中教師必須起到積極的引導(dǎo)作用。古人云：“得一魚可飽一餐，得一漁則受用終生?！币虼?，高中物理教師要想出色完成教學(xué)任務(wù)，就必須先培養(yǎng)學(xué)生利用模型簡(jiǎn)化解決問(wèn)題的意識(shí)，從復(fù)雜、隱蔽的實(shí)際物理問(wèn)題中抽象出簡(jiǎn)潔、明了、清晰的物理模型，使學(xué)生可以清楚地理解物理問(wèn)題，只有學(xué)生建立了抽象模型，在解決物理問(wèn)題時(shí)才更容易，學(xué)生才能建立學(xué)習(xí)的信心，教師的教學(xué)難度才能降低;只有鍛煉了學(xué)生的抽象思維能力和構(gòu)建物理模型能力，學(xué)生在遇到物理問(wèn)題時(shí)才能根據(jù)條件構(gòu)建出合適的物理模型，構(gòu)建物理模型的過(guò)程還能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。所以中學(xué)物理教學(xué)中必須重視構(gòu)建物理模型這一環(huán)節(jié)。

二、高中物理模型教學(xué)的目標(biāo)

1、掌握知識(shí)，提高技能

高中物理模型教學(xué)方法主要是向?qū)W生講解模型內(nèi)容，幫助學(xué)生理解模型建立的依據(jù)與過(guò)程。教師在講解過(guò)程中會(huì)穿插一些基礎(chǔ)的物理知識(shí)并指導(dǎo)學(xué)生如何用物理知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題，幫助學(xué)生理清分析物理問(wèn)題的思路，在實(shí)際運(yùn)用中加深對(duì)知識(shí)的理解，繼而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。以講解電場(chǎng)為例，這章涉及的物理模型很多，比如：點(diǎn)電荷、電場(chǎng)力做功等，在講解電場(chǎng)力做功時(shí)，就可以引導(dǎo)學(xué)生將電場(chǎng)力做功和重力做功聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生對(duì)重力場(chǎng)中重力做工的過(guò)程及模型都非常熟悉，學(xué)生通過(guò)將重力場(chǎng)中的模型類比到電場(chǎng)中就可以迅速建立相關(guān)的知識(shí)體系，對(duì)電場(chǎng)知識(shí)的理解也會(huì)得到強(qiáng)化。在模型之間進(jìn)行比較就是在建立兩種知識(shí)之間的聯(lián)系，既幫助理解和學(xué)習(xí)新知識(shí)也是對(duì)已有知識(shí)的加固和重新認(rèn)識(shí)，還可以充實(shí)和完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，學(xué)生如果可以建立所有的知識(shí)之間的網(wǎng)狀關(guān)系，不僅可以建立科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力也是非常關(guān)鍵的一步。可以說(shuō)不僅建立物理模型是一種創(chuàng)新，理解和使用物理模型的過(guò)程也是在鍛煉創(chuàng)新能力。物理模型的學(xué)習(xí)需要學(xué)生先去分析實(shí)際物理問(wèn)題，從中找到解決問(wèn)題的關(guān)鍵，在掌握建立物理模型步驟的基礎(chǔ)上根據(jù)抽象出來(lái)的特征建立合適的物理模型。學(xué)生的理解能力和知識(shí)水平畢竟有限，他們的建模只是仿建模，并不能稱為真正意義上的科學(xué)家的建模，但是在建模過(guò)程中所培養(yǎng)的建模意識(shí)和建模能力完全是在科學(xué)水平上的探索研究。要想培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，在教師輔導(dǎo)下讓學(xué)生自己去學(xué)習(xí)建立物理模型和領(lǐng)悟物理模型思維不失為一種好方法。

2、掌握物理研究方法

物理模型的建立必須以科學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，必須對(duì)科學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行分析、綜合、比較、抽象、概括、推理等邏輯論證，必須是一系列嚴(yán)格邏輯論證下的產(chǎn)物。學(xué)生在學(xué)習(xí)建立物理模型前，必須明確建立物理模型的意義以及如何建立正確的物理模型，必須掌握一定數(shù)量和較為科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)研究方法。物理科學(xué)研究最常用的方法是先對(duì)物理模型進(jìn)行分析與研究，從中學(xué)習(xí)知識(shí)及運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，然后再延伸到原型客體中。在親自建立物理模型并使用它的過(guò)程中，能夠更好地理解物理學(xué)的研究過(guò)程及方法。不管是處理物理過(guò)程還是建立物理模型，都必須先對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真分析。物理教學(xué)的過(guò)程就是分析物理模型設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)思路的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中教師要教會(huì)學(xué)生如何分析較為復(fù)雜的物理問(wèn)題，如何將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)一個(gè)的小問(wèn)題，如何在眾多條件中找到主要因素和次要因素，緊緊把握問(wèn)題本質(zhì)，運(yùn)用抽象思維的方法去處理物理問(wèn)題，同時(shí)注重提高自己的思維品質(zhì)。

三、高中物理教學(xué)中構(gòu)建模型的一般途徑

學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)要想在物理建模思想的指導(dǎo)下物理化實(shí)際問(wèn)題，必須有一定的物理學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，擅長(zhǎng)在類比中學(xué)習(xí)，有一定的抽象概括能力，善于觀察，分析問(wèn)題比較透徹。但是在一天之內(nèi)擁有這些技能是天方夜譚，能力的獲得是一個(gè)日積月累的過(guò)程，這就要求教師在日常教學(xué)中始終堅(jiān)持用物理建模解決問(wèn)題的思想去引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀察、分析問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生建立物理模型解決實(shí)際問(wèn)題的思維，最終完成利用模型解決實(shí)際問(wèn)題。建立物理模型是解決物理問(wèn)題的關(guān)鍵步驟，建立物理模型需要遵循科學(xué)的方法，不能只停留在思維層面。要想建立正確且合理的物理模型，離不開科學(xué)的程序思考。

1、觀察——實(shí)驗(yàn)——建模

認(rèn)識(shí)和了解自然現(xiàn)象離不開觀察和實(shí)驗(yàn)，定性和定量分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象離不開觀察和實(shí)驗(yàn)，情感認(rèn)識(shí)的獲得必須建立在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自然科學(xué)理論的形成以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，發(fā)展和檢驗(yàn)自然科學(xué)理論最終也必須回歸到觀察和實(shí)驗(yàn)中。觀察和實(shí)驗(yàn)的目的就是認(rèn)識(shí)研究對(duì)象，了解其變化過(guò)程，觀察它們和其它物體之間的相互影響和聯(lián)系。找到其主體，利用相應(yīng)的物理模型，包括物理學(xué)對(duì)象模型及過(guò)程模型等，對(duì)其進(jìn)行物理描述。以公路的路基鋪設(shè)情況為例，教師應(yīng)當(dāng)要求學(xué)生觀察公路轉(zhuǎn)彎處路面傾斜情況，在學(xué)生掌握勻速圓周運(yùn)動(dòng)基本知識(shí)的前提下引入勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型解釋設(shè)計(jì)原理，讓學(xué)生充分理解物理知識(shí)在交通中的應(yīng)用，理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)方式使學(xué)生在頭腦中形成清晰的實(shí)際情景。借此還可以解釋火車的鐵軌鋪設(shè)原理等，讓學(xué)生明白為何可以對(duì)車輛建立物理模型，將其看做質(zhì)點(diǎn)，對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)模型建立物理模型即勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型，并以受力情況為切入點(diǎn)解釋其做圓周運(yùn)動(dòng)的原因。在講解勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)結(jié)合車輛在公路水泥路面上由于剎車留下橡膠劃痕的現(xiàn)象解釋車輛的運(yùn)動(dòng)就可以建立為勻減速運(yùn)動(dòng)模型，還可以利用課本中勻減速運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)計(jì)算車輛的行駛速度。訓(xùn)練學(xué)生觀察、實(shí)驗(yàn)、根據(jù)已有知識(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象建立物理模型的能力。

2、類比——聯(lián)想——建模

類比就是經(jīng)過(guò)觀察分析明確某些事物在某些方面具有相似之處時(shí)，可以根據(jù)已有的知識(shí)對(duì)它們某些性質(zhì)進(jìn)行相似的推論。類比可以幫助學(xué)生利用較為熟悉的物體的性質(zhì)理解學(xué)生并不是很熟悉的物體的性質(zhì)，以完成對(duì)問(wèn)題的解答。以學(xué)習(xí)電勢(shì)能為例，學(xué)生在理解電場(chǎng)的分布和電勢(shì)能時(shí)可能并不容易，特別是涉及變化過(guò)程的知識(shí)并不好掌握，此時(shí)就可以將重力勢(shì)能的知識(shí)與電勢(shì)能的變化做對(duì)比，進(jìn)行類比，降低理解上的難度。在兩種能量變化相似的過(guò)程之間建立聯(lián)系，建立一個(gè)與用來(lái)解釋重力做功與重力勢(shì)能變化關(guān)系的模型相近的物理模型。此外這種類比思想還可以應(yīng)用到學(xué)習(xí)玻爾能級(jí)結(jié)構(gòu)中，原子核外電子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能及電勢(shì)能如何變化理解起來(lái)并不是很容易，尤其是發(fā)生電子軌道躍遷時(shí)二者大小變化理解起來(lái)更為困難。此時(shí)就可以引入人造衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)模型這種學(xué)生熟悉擅長(zhǎng)的物理模型進(jìn)行類比，電子可以與衛(wèi)星進(jìn)行類比，萬(wàn)有引力就可以等效為庫(kù)侖力，電勢(shì)能與萬(wàn)有引力勢(shì)能進(jìn)行類比，電子動(dòng)能可以與衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能形成一個(gè)類比。類比可以使解題的方向更加清晰，也可以幫助學(xué)生對(duì)情景有一個(gè)更清晰的構(gòu)建，建立起的物理模型也就更有說(shuō)服力。類比聯(lián)想拓寬了學(xué)生的想象空間，思維方式也會(huì)更加發(fā)散和深入。

3、分析綜合——抽象——建模

分析的過(guò)程可以看做是一個(gè)分解的過(guò)程，將整體問(wèn)題分解成一個(gè)個(gè)局部問(wèn)題，包括各個(gè)屬性和各個(gè)部分都要進(jìn)行分解，各個(gè)因素對(duì)解決問(wèn)題產(chǎn)生的影響都要進(jìn)行充分考慮，然后進(jìn)行研究。綜合的過(guò)程與分析的過(guò)程恰好相反，綜合是將局部結(jié)合為一個(gè)整體，從整體的角度看待問(wèn)題，抓住事物本質(zhì)，對(duì)事物的不同部分、各個(gè)方面、不同特征進(jìn)行有機(jī)整合。分析是研究問(wèn)題的開始，綜合是處理問(wèn)題的最終步驟，分析和綜合的結(jié)合使用為全面理解問(wèn)題提供了保證。比如牛頓建立萬(wàn)有引力定律，就是先對(duì)太陽(yáng)對(duì)地球，太陽(yáng)對(duì)其他行星，地球?qū)υ铝恋囊M(jìn)行分析，在每一對(duì)引力分析結(jié)束后對(duì)它們進(jìn)行綜合，最后才提出存在于任意兩個(gè)物體之間的引力模型。中學(xué)物理中許多物理模型都是利用分析和綜合的方法得到的，例如理想氣體、質(zhì)點(diǎn)、杠桿、理想電表、單擺、點(diǎn)電荷等。

4、等效替代——遷移——建模

等效替代法也是物理研究經(jīng)常用到的一種方法，這種方法的核心是相互替代，主要是基于兩個(gè)研究對(duì)象在某一方面具有相同的作用效果。等效替代法以效果是否相同為依據(jù)，盡可能用具有相同效果的、簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象和過(guò)程去替換較復(fù)雜的物理現(xiàn)象和過(guò)程，以達(dá)到簡(jiǎn)化問(wèn)題的目的。等效包含兩個(gè)層面的意思。第一，據(jù)觀察分析確定兩個(gè)不同的物理過(guò)程在某一方面可以得到相同的結(jié)果或者不同的物理對(duì)象在某一方面有共同屬性時(shí)，可以將對(duì)物理事物的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)模型的研究以簡(jiǎn)化研究過(guò)程，并且還可以更加深刻地認(rèn)識(shí)物理對(duì)象或過(guò)程的物理實(shí)質(zhì)。第二，從微觀角度來(lái)說(shuō)，如果在某些方面物理事物之間存在相似性，就可以在處理物理過(guò)程時(shí)選擇一些較簡(jiǎn)便的方法，但是仍然可以得到相同的結(jié)果，而且不影響認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象或物理過(guò)程的物理實(shí)質(zhì)。這也是“相當(dāng)于”實(shí)際上要表達(dá)的意思。等效模型就是利用等效方法得到的模型。等效方法不止可以用于構(gòu)建等效模型，在不同物理模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)也經(jīng)常用到。高中物理中需要計(jì)算勻強(qiáng)電場(chǎng)中帶電擺球的周期就可以利用等效替代法，擺球在勻強(qiáng)電場(chǎng)中受到的作用和重力場(chǎng)對(duì)擺球的作用具有相似性，以此為前提就可以用重力場(chǎng)來(lái)等效替代勻強(qiáng)電場(chǎng)和重力場(chǎng)形成的復(fù)合場(chǎng)，從而計(jì)算出擺球的擺動(dòng)周期。同樣，用重力場(chǎng)等效替代勻強(qiáng)電場(chǎng)和重力場(chǎng)疊加成的復(fù)合場(chǎng)，機(jī)械等守恒定律也可以在這一重力場(chǎng)中進(jìn)行等效替換，中學(xué)物理教學(xué)中多使用這種方法。

總而言之，物理模型方法在物理學(xué)研究以及學(xué)習(xí)中占據(jù)非常重要的地位。物理課堂在教授學(xué)生物理建模的過(guò)程中更好地鍛煉了學(xué)生科學(xué)思維的能力，對(duì)于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升也起到重要積極影響。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)格外關(guān)注物理模型促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的特性，不斷的探索、有效的利用每一種方法，培養(yǎng)學(xué)生物理建模思想的形成。

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