侯繼淦

談到物理模型，人們會立刻想到是模擬實(shí)物制作的一種教具，它比板畫、掛圖更具有立體真實(shí)感。而這里所談的“模型”，是為研究物理問題方便，通過抽象思維和形象思維，運(yùn)用理想化、簡化和類比等方法，建立的描述某一物理問題的模型方法。我這里根據(jù)自己多年的教學(xué)積累，聯(lián)系別人的看法，對建立物理模型和使用模型方法作一總結(jié)。在倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的今天，物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的模型意識，培養(yǎng)創(chuàng)造性地建立模型和分析組合模型的能力是十分重要的，這也是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)方面。

模型方法的主要特征是具有創(chuàng)造性。模型方法的使用，能夠激發(fā)人們的創(chuàng)造性思維。教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的模型意識，創(chuàng)建模型和使用模型的能力，能夠提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在這里，我想就如何培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)建模型，如何使用模型方法等問題做一些探索，提出自己的一些做法。

一、教學(xué)中如何建立物理模型

在物理教學(xué)中，我們要充分利用每一條物理原理、定理或定律，與之相聯(lián)系的物理模型，在解決實(shí)際問題時(shí)，也可以建立一系列特殊的物理模型。物理習(xí)題本身就是依據(jù)一定的物理模型進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)而成的。因此，正確識別、建立物理模型，熟練使用模型方法，是物理教學(xué)中應(yīng)特別注意的，關(guān)鍵培養(yǎng)學(xué)生對模型的內(nèi)涵的掌握、再現(xiàn)、轉(zhuǎn)換等活化模型，發(fā)掘模型的能力，樹立模型意識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

二、建立基本概念和規(guī)律的物理模型

物理學(xué)中的理想模型，是物理規(guī)律和物理理論賴以建立的前提和基礎(chǔ)?；靖拍詈鸵?guī)律是與一定的物理模型相聯(lián)系的，因而建立基本概念和規(guī)律的物理模型，是利用模型方法解決問題的基礎(chǔ)。

為描述物體運(yùn)動(dòng)的方便，我們建立質(zhì)點(diǎn)這個(gè)理想模型。有了“質(zhì)點(diǎn)”這個(gè)模型，不管怎樣大的和怎樣復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體，只要它的線度在研究問題中起的作用很小，我們就可以暫時(shí)撇開它，把物體看作有質(zhì)量的點(diǎn)——“質(zhì)點(diǎn)”。在分析物體受力時(shí)，如果受共點(diǎn)力作用，就可以把物體看成質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，能比較方便地畫出受力圖。在電學(xué)中建立“點(diǎn)電荷”這個(gè)理想模型，也是這個(gè)道理。熱學(xué)中的理想氣體，電學(xué)中的理想變壓器、理想電壓表、電流表以及彈簧振子、單擺等都是對實(shí)物忽略某些次要因素的影響，建立起的理想模型。

在近代物理中，對原子結(jié)構(gòu)的描述，都利用了模型方法。開始湯姆生建立的“棗糕式 ”模型，后來α散射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，盧瑟福建立了“核式”結(jié)構(gòu)模型，由于在原子穩(wěn)定性方面的欠缺，玻爾又建立了原子有穩(wěn)定軌道和能級的“玻爾模型”，成功地對氫原子的穩(wěn)定性和光譜譜線做出解釋，現(xiàn)代量子理論又建立了“電子云”描述等模型。從模型的建立過程，愈能反映出事物的本質(zhì)特征來。通過模型的建立，使人們對事物的認(rèn)識更加形象化、本質(zhì)化。良好的模型，更能反映出物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來。

三、建立一般問題的“單元模型”

每一物理問題，可以看成是簡單一般的“單元模型”組合而成的。每個(gè)單元模型可以看作積木塊，而復(fù)雜的物理問題則是積木塊組合成的造型。造型是否優(yōu)美精巧，就看組合得是否巧奪天工。物理習(xí)題的優(yōu)劣，則是通過“單元模型”組合得是否有新意，組合得是否巧妙來判斷。

在教學(xué)中，應(yīng)注意一般問題模型積木塊的建立。教師不僅應(yīng)做出示范，而且應(yīng)教給學(xué)生怎樣建立問題的模型，發(fā)掘培養(yǎng)學(xué)生建立模型的能力。

四、建立特殊問題的模型.

在物理習(xí)題中，有一類問題，利用特定的方法進(jìn)行思維，解決問題比較方便。在平常我們就需要建立這類問題的“特殊模型”。

如“人船模型”：質(zhì)量為M的木船長l，質(zhì)量為m的人站在船頭，它們靜止在平靜的水面上。不計(jì)水的阻力，人從船頭走到船尾，求船移動(dòng)的距離。

這是所為“人船模型”的原始題型。確實(shí)理解該題，對解決這一類問題，有很重要的作用。研究時(shí)以人和船組成的系統(tǒng)為研究對象，它們受到的重力和水的浮力平衡，合外力為零，動(dòng)量守恒。人在船上由靜止開始運(yùn)動(dòng)，是船對人向前的摩擦力使人向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)人對船向后的摩擦力使船向后運(yùn)動(dòng)。人減速靜止，船也減速靜止，即他們同時(shí)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)靜止，同時(shí)加速，同時(shí)減速。

由于船是相對地面移動(dòng)的，必須選大地為參照系（在動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用中通常都選地面為參考系）。人、船移動(dòng)的距離（對地）和所用時(shí)間的比值，就是人和船運(yùn)動(dòng)的平均速度，而人、船運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同，消去時(shí)間，就把用質(zhì)量和速度組成的動(dòng)量守恒表達(dá)式，變成描述質(zhì)量和距離的關(guān)系。由此就可以求出人和船移動(dòng)的距離。

五、模型方法與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面構(gòu)成。模型思維是科學(xué)思維很重要的一個(gè)方面，模型方法在培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)識能力、轉(zhuǎn)化處理能力和創(chuàng)造能力方面，不失為一種可取的行之有效的方法。

模型方法關(guān)鍵在于建立模型和應(yīng)用模型。建立模型的過程，本身就是創(chuàng)造的過程，應(yīng)用模型的過程，就是識別、轉(zhuǎn)化、再創(chuàng)造的過程。從某種角度來說，解題的過程，就是分析和還原物理模型的過程。即通過題中所給模型與自己頭腦中已建立的模型間的對比，迅速再現(xiàn)已有模型，通過轉(zhuǎn)換、移植，將那些物理過程復(fù)雜的，已知條件模糊的物理模型，變換成與之等效的、簡單明了的另一種物理模型，或者分解成一些基本的物理模型組合，從而根據(jù)基本模型的解法解決問題。

教學(xué)中教師要引導(dǎo)學(xué)生正確建立模型， 固化模型，從而正確理解概念和規(guī)律，真正了解表示概念和規(guī)律的基本模型的內(nèi)涵。一般問題的單元模型和特殊問題的模型，要引導(dǎo)學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)，逐步建立和收集。這樣，頭腦中的“模型知識塊”收集愈多，創(chuàng)造性地應(yīng)用模型方法才有可能，才能更有靈活性。所以，教師要注重培養(yǎng)學(xué)生積極探索、刻苦鉆研的精神，培養(yǎng)應(yīng)用基本知識構(gòu)建基本模型的能力，培養(yǎng)創(chuàng)造性地利用基本模型分析、比較、解決實(shí)際問題的能力?？傊?，模型方法的培養(yǎng)，有利于學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的培養(yǎng)，符合當(dāng)前培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。