物理模型及模型建構能力的培養①

張國泉

(南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210003)

1 問題的提出

圖1

《普通高中物理課程標準(20217年版)》指出：物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面，模型建構是科學思維的重要要素。從上面對電視節目的分析過程不難看出，學生需具有建模意識，并經歷建構模型的思維過程，才能分析出問題的本質，筆者將從建構模型的意義、物理模型的分類和模型建構能力的培養策略等三個方面進行探討。

2 模型建構的意義

物理學研究物體運動的基本規律和物質的結構等。自然界中物質種類繁多，物體的運動錯綜復雜，物體間的相互作用也多種多樣，每一個具體的問題都涉及幾個甚至多個方面的因素。為了充分認識物理現象的本質，必須在客觀事實的基礎上對研究的物理事物(物理對象、條件和過程等)進行一定的簡化，物理模型就是人們為了研究物理問題的方便和探討物理現象的本質而對物理事物所作的一種簡化。遇到具體問題時，通過模型建構，簡化和純化研究對象的原型以及經歷的過程，以發現物理現象或事物的本質屬性。從物理學的發展歷程看，模型建構的過程中因為突出了決定事物狀態、影響事物發展變化的本質要素，因而更有利于發揮科學思維的力量。

3 物理模型的分類

從中學物理教學的特點以及模型的主要教學功能看，可以將物理模型作如下的分類。

(1)對象模型。常見的對象模型有兩種，一是根據研究對象和問題的特點，舍棄次要的、非本質的因素，抓住主要矛盾和本質因素，建構一個易于研究、能反映對象主要特征、代替具體的研究對象的模型。如質點、點電荷、理想電表、絕對黑體、理想氣體、輕質桿等；二是為了解釋某些現象和特征，在觀察、實驗的基礎上，對某一物理客體和研究對象的結構、相互作用、運動規律所作的簡化描述。如哥白尼的太陽系模型、盧瑟福的核式結構模型、蓋爾曼的夸克模型、金屬導電中的自由電子模型等。

(2)條件模型。把研究對象所處的外部條件理想化，排除外部條件中干擾研究對象運動變化的次要因素，突出外部條件中最主要、最本質的方面。如在研究落體運動時，忽略空氣阻力的影響，不考慮地表附近局部空間重力加速度g的變化，從而得出物體下落快慢與質量無關的結論。再如研究兩異種點電荷相互作用時，常常不考慮萬有引力的影響，還有常見的光滑面，即不考慮摩擦力的作用，再如在研究微觀世界的帶電粒子的運動時通常不考慮重力等。

(3)過程模型。把具體物理過程純粹化、理想化，突出過程的主要因素，忽略次要因素，進而抽象出理想物理過程，比如我們常說的彈性碰撞過程、簡諧運動過程、氣體的等溫過程、等容過程、等壓過程、絕熱過程、自由落體過程等。

(4)數學模型。把研究對象、運動變化中的狀態和經歷的過程以及遵循的客觀物理規律數學化。比如我們通過建立坐標系的方法來描述物體的位置；利用數學的“+”“-”號，來反應不同的物理特性，如位移的方向、電勢的高低、電荷的電性、內能的增減、熱量的吸放；還常用數學函數來研究極值情況，借助圖像來探究物理規律等。

廣義的物理模型還包括了采用縮小與放大幾何尺寸的方法，簡化復雜部件，突出與工作原理緊密相關的部分，制作出與原型相似的實體模型，如實驗室的發電機模型、內燃機模型等。

4 培養學生的模型建構能力的策略

物理模型是科學思維的產物，建構物理模型是一種高階的創造性的思維活動，是在充分分析研究對象和問題的特點，經過一系列的分析、綜合、比較、抽象、概括、推理等思維活動，從而做出的一種簡化或模擬。為了培養學生的模型建構能力，必須從培養學生的建模意識、抽象思維、類比思維等方面入手，在以下幾個方面加以落實。

4.1 培養學生模型建構的意識

(1)在概念、規律教學過程中讓學生了解物理模型建構的方法，注重模型建構過程的教學。比如在自由落體運動的教學過程中，讓學生體會到盡管在地球上不可避免存在空氣阻力，但是通過建構一個無阻力的條件模型，可以有助于我們認識問題的本質，澄清一些錯誤的認識，并通過牛頓管實驗，讓學生意識到模型建構的合理性，提高學生模型建構的意識。

(2)鼓勵學生對實際生活中出現的現象進行物理模型的建構，比如針對生活中奇異的“海市蜃樓”現象，引導學生利用所學的光在介質中傳播的知識，將空氣抽象成從海面豎直向上密度和折射率逐漸減小的不均勻介質模型，就可以很好地解釋我們觀察到的奇特現象。

4.2 培養學生的抽象思維能力

抽象思維就是擯棄具象中非本質的特征和屬性，提取出本質特征和屬性，形成關于物理事物的一般認識。比如對絕對黑體模型的教學中，讓學生認識到各種物體由于不同的結構，因而它對外來輻射的吸收不盡相同，但若一個物體，其表面反射很少，能夠吸收幾乎所有的外來輻射，我們就可以忽略物體反射這一次要因素，認為物體能夠吸收全部外來輻射，抽象成絕對黑體這樣一個理想模型。高中物理中的理想變壓器、理想氣體等模型都是經歷了類似的抽象思維活動而得到建構，在教學中應該給予學生思維活動的指引。

4.3 培養學生的類比思維能力

類比就是在比較的基礎上，通過聯想，把未知的事物與熟悉的事物進行對比，根據兩者在一些屬性上的相似，將熟悉事物的某種性質遷移到未知事物上。如我們在教學中可以重現德魯德通過將金屬中電子的運動與氣體分子的運動進行類比，進而提出金屬導電模型的思維過程，還有惠更斯通過類比水波和聲波，提出了光的波動模型等。

4.4 培養學生的假說能力

假說就是對事物的現象以及本質、規律或原因的一種推測性的說明或推測其可能性的說明。由于物理事物的復雜性，或者實驗條件的限制，某些物理事物的本質、組成、結構、規律等比較隱蔽，這就需要在一定觀察、實驗的基礎上提出假說，建立一定的物理模型。比如在原子結構的教學過程中，讓學生了解到湯姆生的棗糕模型、盧瑟福的核式結構模型、玻爾原子模型其實都是基于實驗提出的假說，哥白尼的太陽系模型也是基于觀察事實的一種假說，體現了物理學家對簡潔美的追求。

4.5 在物理問題解決過程中培養學生的模型建構能力

比如課堂上首先讓學生觀察圖2所示裝置中二極管交替發光，而將二極管換為小燈泡時，燈泡亮度變化，也即說明電路中電流的方向、大小在交替變化，接下來讓學生思考為什么裝置會產生這樣的電流呢？引導學生對實際情境進行簡化抽象，抓住問題的主要方面，構建一個突出問題本質、易于著手研究的理想圖景，即建構一個勻強磁場、同時線圈勻速轉動的理想模型進行研究(圖3)。在教學的過程中，教師要基于各種教學內容創設情境，促進學生模型建構能力的發展。

圖2

圖3

5 結語

法國科學方法論學者阿雷指出：“科學的基本活動就是探索和制定模型”。物理模型是在綜合運用各種科學思維方法的基礎上得到的，作為高中物理教師應該有意識地培養學生的模型建構能力，加強物理模型的建構、識別和應用的教學是提升學生科學思維能力的重要途徑，對學生的物理學科思維過程素養的提升具有十分重要的意義。