陳克利

摘 要：物理模型是中學物理知識、思維方法的載體，構(gòu)建物理模型不僅有助于學生形成完整的知識體系，而且還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。當前高中物理教學偏重于概念的形成，規(guī)律的掌握，而對于物理模型的建構(gòu)一直處在被忽視的狀態(tài)，即使有也是簡單機械地局限于模型的定義和數(shù)學公式的推導而已，缺乏科學指導。由于電磁感應(yīng)中綜合應(yīng)用知識倚重于物理模型的建構(gòu)，故本文基于“物理模型”在“電磁感應(yīng)”教學中的建構(gòu)進行探討，以期培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞：物理學；思維障礙；物理概念；思維定勢；物理建模；策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）5-0069-4

物理模型是中學物理知識、思維方法的載體，是根據(jù)所研究問題的需要，把實際研究對象及其狀態(tài)過程等進行合理抽象的一種簡化描述和模擬[1]?；趩栴}解決的角度，可將物理模型劃分為理想模型和理論模型這兩類[2]。此外，還可以將物理模型分為實體物理模型、狀態(tài)物理模型和過程物理模型[3]。

物理學的發(fā)展史是科學家們大膽質(zhì)疑、猜想、構(gòu)思和不斷創(chuàng)新科學模型且不斷完善的過程[4]。而物理模型的建立是抽象思維和形象思維相結(jié)合、統(tǒng)一的結(jié)果，是在以科學知識和實驗事實為依據(jù)，經(jīng)過一系列科學方法（如分析與綜合、抽象與概括、演繹與推理等）邏輯推理認證的基礎(chǔ)上建立的，是知識與思維的產(chǎn)物[5]。因此，構(gòu)建物理模型不僅有助于學生形成完整的知識體系，而且還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

當前高中物理教學偏重于概念的形成，規(guī)律的掌握，而對于物理模型的建構(gòu)一直處在被忽視的狀態(tài)，即使有也是簡單機械的，局限于模型的定義和數(shù)學公式的推導而已，缺乏科學指導。

由于電磁感應(yīng)中綜合應(yīng)用知識倚重于物理模型的建構(gòu)，故下面就談?wù)剺?gòu)建物理模型的流程及針對電磁感應(yīng)不同研究對象建構(gòu)幾種有效模型，以期幫助學生建構(gòu)“電磁感應(yīng)”物理模型，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

1 物理模型的建構(gòu)設(shè)計

物理模型由“思維方法”“理論內(nèi)涵”和“表征方式”三個基本要素構(gòu)成。其中，思維方法有“理想化方法”“類比方法”“極限方法”和“等效方法”等，理論內(nèi)涵則包括“物理現(xiàn)象”以及“概念和規(guī)律”，而表征方式指的是物理模型呈現(xiàn)的方式，通常以文字、數(shù)學表達式和圖形的方式呈現(xiàn)。教師在引導學生構(gòu)建物理模型的教學中，一定要遵循物理模型的特點，借助于物理方法，依據(jù)物理理論，顯現(xiàn)于物理表征，逐步完善深入學習[6]。

圖1是構(gòu)建物理過程的基本流程，指導學生建模時可適當參考。

構(gòu)建物理模型流程圖具體分析：

（1）模型的表征階段

確定研究的對象，預設(shè)構(gòu)建模型的類型，分析對應(yīng)的狀態(tài)：如平衡態(tài)和非平衡態(tài)；研究運動的過程：直線運動、平拋運動、圓周運動還是一般的曲線運動；同時兼顧相互作用對象之間的關(guān)聯(lián)：如速度關(guān)聯(lián)、加速度關(guān)聯(lián)、位移關(guān)聯(lián)和受力關(guān)聯(lián)等。分析時可借助方程、數(shù)學關(guān)聯(lián)表達式、示意圖等來表征這些變量。

（2）模型形成階段

正確運用運動學規(guī)律、牛頓運動定律、功能關(guān)系和能量守恒定律關(guān)系，通過這些表達式來反饋構(gòu)建的過程。表達式通常有三種類型：狀態(tài)表達式、過程表達式和相互作用的關(guān)聯(lián)表達式。對于狀態(tài)，無非是平衡態(tài)與非平衡態(tài)。是平衡態(tài)，則合外力一定等于零；是非平衡態(tài)，則合外力等于物體質(zhì)量與加速度的乘積。而過程的表達式可以根據(jù)功能關(guān)系或者能量守恒定律來表示。相互作用關(guān)聯(lián)表達式則是尋找受力關(guān)系、加速度關(guān)系、速度關(guān)系、位移關(guān)系等。

（3）模型深化階段

引導學生辨別和分析不同的物理模型表征方式，體會構(gòu)建物理模型的思維過程，分析模型包含的物理現(xiàn)象及概念和規(guī)律，深刻理解模型內(nèi)涵。

（4）模型的應(yīng)用階段

運用不同的物理模型來解決相應(yīng)的物理問題，例如，“電磁感應(yīng)”中的力學模型、“電磁感應(yīng)”中的電路模型、“電磁感應(yīng)”中的能量模型、“電磁感應(yīng)”中的圖像模型等。建構(gòu)模型，關(guān)注生活，服務(wù)于社會。

2 建構(gòu)“電磁感應(yīng)”知識物理模型

2.1 建構(gòu)“電磁感應(yīng)”中的動力學模型

第一，模型表征

如圖2所示，以圖形“導軌+桿”形式呈現(xiàn)，研究的對象有電學對象和力學對象，通常力學對象是導體棒，而電學對象是導體棒與導軌構(gòu)成的整個閉合回路。

第二，構(gòu)建模型過程

構(gòu)建這類模型的關(guān)鍵在于通過對力學對象的運動狀態(tài)（例如，加速度的最大或最小、速度的最大或最小的一些臨界狀態(tài)）、運動過程和相互作用關(guān)聯(lián)進行分析，完成建模的目標，即確立研究對象的狀態(tài)方程、過程方程及相互作用的約束方程。

①狀態(tài)分析：兩種狀態(tài)及處理方法（如表1所示）

②建立力學對象和電學對象間關(guān)聯(lián)（如圖3所示）：在電磁感應(yīng)動力學模型中，電磁現(xiàn)象和力現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)、影響及制約，其模型形式為：導體相對于磁場運動—發(fā)生電磁感應(yīng)—產(chǎn)生感應(yīng)電動勢—在閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流—電流在磁場中受到安培力—阻礙導體相對運動。

③思維方法：解決“電磁感應(yīng)”中的動力學模型的一般思路是“先電后力”，具體思路如圖4所示：

2.2 建構(gòu)“電磁感應(yīng)”中的電路模型

1.模型表征：閉合導體回路中由于磁場發(fā)生變化或者回路中一部分導體做切割磁感線運動而導致穿過回路的磁通量發(fā)生了變化，回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，則回路中就有了電流。根據(jù)導體回路的結(jié)構(gòu)關(guān)系，討論電流、電壓、功率、電功、焦耳熱等類問題，當然可能進一步會涉及電磁感應(yīng)的動力學模型。

2.建模過程：明電源，畫電路，用規(guī)律

第1步：確定電源

（1）判斷產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的那一部分導體（電源）；

（2）利用E=n（法拉第電磁感應(yīng)定律）或E=BLvsinθ求感應(yīng)電動勢的大??；

（3）利用右手定則或楞次定律判斷電流方向。

第2步：分析電路結(jié)構(gòu)

弄清各元件的串并聯(lián)關(guān)系，畫等效電路圖；

第3步：利用電路規(guī)律求解

結(jié)合閉合電路歐姆定律、串并聯(lián)電路知識和電功率、焦耳定律等列方程求解。

2.3 建構(gòu)“電磁感應(yīng)”中的圖像模型

1.模型表征：“電磁感應(yīng)”中的圖像模型研究對象通常有兩類情況，一類是建構(gòu)圖像，即由給定的電磁感應(yīng)過程選出或畫出正確的圖像（畫圖像的方法）；另一類是應(yīng)用圖像模型，即由給定的有關(guān)圖像分析電磁感應(yīng)過程，求解相應(yīng)的物理量（用圖像）?！半姶鸥袘?yīng)”中的圖像模型通常也有兩類情況：

（1）隨時間變化的圖像，如B-t圖、Φ-t圖、E-t圖、I-t圖；

（2）隨位移變化的圖像，如E-x圖、I-x圖（所以要先看坐標軸：哪個物理量隨哪個物理量變化要弄清）。

2.建模過程：解決“電磁感應(yīng)”中的圖像模型的關(guān)鍵是，首先，明確圖像坐標表示的物理量，確定各物理量的大小和方向是如何變化的；然后，分析判斷導體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢（電流）大小是否恒定，方向是否發(fā)生變化，即取決于穿過回路中的磁通量的變化是否均勻，如果磁通量的變化率是恒定的，則產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小和方向就恒定；最后，運用右手定則或楞次定律判斷導體回路產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向。具體建模過程為：

（1）明確圖像的種類，即是B-t圖還是Φ-t圖，或者是E-t圖還是I-t圖等；

（2）分析電磁感應(yīng)的具體過程；

（3）用右手定則或楞次定律確定各物理量的方向及對應(yīng)關(guān)系；

（4）結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)定律、閉合電路歐姆定律、牛頓運動定律等知識寫出函數(shù)關(guān)系式；

（5）根據(jù)函數(shù)關(guān)系式，進行數(shù)學分析，如分析圖像的斜率及截距等表示的物理意義；

（6）建構(gòu)電磁感應(yīng)圖像或判斷應(yīng)用其圖像。

3 理論內(nèi)涵

弄清初始條件及正負方向的對應(yīng)變化范圍、所研究物理量的函數(shù)表達式、進出磁場的轉(zhuǎn)折點等是解決此類問題的關(guān)鍵。

（1）運用三定則一定律（左手定則、安培定則、右手定則、楞次定律）和六公式：

（2）處理圖像問題要做到“四明確、一理解”（如圖5所示）

總之，物理模型是物理形象思維與抽象思維相統(tǒng)一的結(jié)果，加強物理模型的構(gòu)建、識別和應(yīng)用是提升高中生物理思維能力的重要途徑。當學生頭腦中存儲的物理模型量多且清晰、深刻時，則遇到相應(yīng)問題就能迅速將問題進行“肢解”，識別出問題中所包含的相應(yīng)物理模型。因此，高中物理教學應(yīng)注重有意識地加強物理模型的培養(yǎng)和訓練，從而不斷提升學生的物理思維能力。

參考文獻：

[1]沈偉強.高中物理模型教學與學生批判性思維的培養(yǎng) [J].太原教育學院學報， 2004，22（4）：84-87.

[2]程紅光.高中物理教學中的模型構(gòu)建及其實踐[D].武漢：華中師范大學碩士學位論文，2012.

[3]張倩.物理模型法淺析[J].沈陽教育學院報，1999（S1）：412-413.

[4]趙嚴峰，張元敏.《物理學發(fā)展》教學與素質(zhì)教育[J].天中學刊，1998（5）：74-75.

[5]田世昆，胡衛(wèi)平.物理思維論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.

[6]譚會.中學物理模型，教學設(shè)計的理論與實踐研究[D].長春：東北師范大學碩士學位論文，2009.