陳劍剛

一、物理模型的概述

物理模型是理論知識的一種初級形式，就是將我們研究的物理對象或物理過程、情境通過抽象、理想化、簡化、和類比等方法，進行“去次取主”、“化繁為簡”的處理，把反應(yīng)研究對象的本質(zhì)特征抽象出來，構(gòu)成一個概念或?qū)嵨锏捏w系，就形成物理模型。物理模型既源于實踐，而又高于實踐，在我們的生活、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域中帶有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。物理模型的構(gòu)建是一種重要的科學思維方法，通過對物理現(xiàn)象或過程，從而尋找出反映物理現(xiàn)象或物理過程的內(nèi)在本質(zhì)及內(nèi)在規(guī)律達到認識問題的目的。

物理模型的構(gòu)建是建立在建構(gòu)主義的基石上的。建構(gòu)主義對學習的解釋主要有以下幾點：1、學習是一種建構(gòu)的過程。知識來之于人們與環(huán)境的交互過程中。學習者在學習新的知識單元時，不是通過教師的傳授而獲得知識，而是通過個體對知識單元的經(jīng)驗解釋從而將知識變成了自己的內(nèi)部表述。因此，教學的目標是使學生形成對知識的深刻理解，即“為理解而學習”。2、學習是一種活動的過程。學習過程并非是一種機械的接受過程，在知識的傳遞過程中，學習者是一個極活躍的因素。教學的過程就是引導學生的高級思維活動來解決問題的過程，即“通過問題解決來學習”。

二、構(gòu)建物理模型的作用

1.物理模型是物理規(guī)律和理論賴以建立的基礎(chǔ)

物理學的目的是探索自然界廣泛存在的各種最基本的運動形態(tài)、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其相互作用，為自然界物質(zhì)的運動、結(jié)構(gòu)及相互作用提供一幅絢麗多彩、結(jié)構(gòu)嚴謹?shù)膱D畫，以便人們認識世界和改造世界。要達到這樣的目的，必須得出反映物理現(xiàn)象、物理過程在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化的規(guī)律，揭示物理事物本質(zhì)屬性之間的聯(lián)系，此即物理規(guī)律，并要求在此基礎(chǔ)上形成系統(tǒng)的、自洽的、嚴密的物理理論。而由于自然界物質(zhì)的復(fù)雜性和多樣性，完全按照物理客體的本來面目進行研究，問題將變得很復(fù)雜，很難得出定量的物理規(guī)律和系統(tǒng)的物理理論，這就要求我們對其進行抽象，得出反映物理客體本質(zhì)屬性的物理模型。

法拉第在1852年，對帶電體、磁體周圍空間存在的物質(zhì)，設(shè)想出電場線、磁場線一類力線的模型，并用鐵粉顯示了磁棒周圍的磁力線分布形狀，從而建立了場的概念，對當前的傳統(tǒng)觀念是一個重大的突破。1905年愛因斯坦受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，大膽地建立了光子模型，并提出著名的愛因斯坦光電效應(yīng)方程，圓滿地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。盧瑟福以特有的洞察力和直覺，抓住α粒子轟擊金箔有大角度偏轉(zhuǎn)這一反?，F(xiàn)象，從原子內(nèi)存在強電場的思想出發(fā)，于1911年構(gòu)思出原子的核式結(jié)構(gòu)模型?！肮伞彼从车拇蟊ㄓ钪婺Ｐ停赋隽宋覀冎車挠钪娌⒉皇庆o態(tài)的、恒定的、而是動態(tài)的、膨脹的。從而沖破了傳統(tǒng)觀念的束縛，為研究宇宙的起源和演化掃清了道路。

2.利用物理模型可解釋物理現(xiàn)象和實驗定律

利用物理模型，可得出一些是實驗事實相符合的理論結(jié)果，從而解釋物理現(xiàn)象和實驗定律。例如愛因斯坦建立光的波粒二象性模型來解釋光電效應(yīng)實驗事實。光電效應(yīng)是當光照射到金屬上時，有電子從金屬中逸出。這種電子稱為光電子。實驗證明，只有當光的頻率大于一定值時，才有光電子發(fā)射出來；如果光的頻率低于這個值，則不論光的強度多大，照射時間多長，都沒有光電子產(chǎn)生；光電子能量只與光的頻率有關(guān)，而與光的強度無關(guān)，光的頻率越高，光電子的能量就越大；光的強度只影響光電子的數(shù)目，強度增大，光電子的數(shù)目就增多。按照愛因斯坦光的波、粒二象性模型，當光照射到金屬表面時，能量為hγ的光子被電子吸收。電子把這個能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引力做功（逸出功），另一部分就是電子離開金屬表面后的動能。這個能量關(guān)系可寫為。這樣就利用愛因斯坦光的波粒二象性對光電效應(yīng)的實驗結(jié)果作出了完美的解釋。

3.利用物理模型可作出科學的預(yù)言

作為對物理事物簡化描述的物理模型，不僅能夠解釋物理現(xiàn)象和實驗定律，而且也常常能夠作出科學的預(yù)言，指明進一步研究的方向。

教學中物理模型的構(gòu)建實質(zhì)上就是培養(yǎng)物理的創(chuàng)造性思維。

三、在高中物理教學中如何建模？

在研究物理問題當中，將物理對象、物理過程或物理情境處理成簡單的模型后進行分析與計算十分常見。

1.對物理概念建模

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是物理事物的抽象，是觀察、實驗和物理思維的產(chǎn)物。任何物理概念的形成都離不開物理思維。

2.對物理過程建模

在中學物理中建立的理想化的物理過程有勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動、勻速圓周運動、簡諧運動、簡諧波、絕熱過程等。它們從不同的側(cè)面和角度描述和揭示了各種問題中實際過程的特征，也標志著物理學研究的深化。

3.對物理情境建模

“情境”教學是建構(gòu)主義當然也是物理教學中特別提倡的，讓學生在情境中，能給枯燥的學習生活帶來活力，尤其是從學生喜聞樂見的生活實際出發(fā)，以圖畫、情境、過程展現(xiàn)出來，使學生親身體驗物理就在生活當中，物理就在我們身邊，給學生提供充分動手操作，自主探索和交流的機會，讓學生主動研究充滿物理規(guī)律的實際問題，思維能力，情感態(tài)度等方面都得到進步。在創(chuàng)設(shè)情境中要注意情境的生活化、現(xiàn)實性。

4.對物理實驗建模

實驗是物理學的基礎(chǔ)，真實實驗是一種可實現(xiàn)的、科學的實踐活動，其目的在于獲得物理思維的材料，檢驗物理理論或假說是否正確；理想實驗也叫“假想實驗”，是人們在真實實驗的基礎(chǔ)上，在理想或極端條件下，充分發(fā)揮想象力，利用邏輯推理又輔助以形象變換的思維過程。是物理學家源于自身經(jīng)驗而又超出自身經(jīng)驗的一種高級思維活動，它以實踐為基礎(chǔ)，是在科學實踐的基礎(chǔ)上，對實際研究過程中出現(xiàn)的問題進行辯證的、深入的、十分抽象的思維。根據(jù)理想實驗的結(jié)果，對某種看法或斷言作出檢驗或評判，有時還能得出一些新的物理規(guī)律，而不必顧慮技術(shù)上的困難。