張繩強(qiáng)

摘 要：本文先從高中物理模型的分類、建模教學(xué)的基本步驟等方面作出闡述，然后再通過(guò)幾個(gè)案例的教學(xué)實(shí)踐，試圖嘗試體現(xiàn)物理建模教學(xué)的基本步驟。

關(guān)鍵詞：物理模型；課堂教學(xué)；建模

物理建模教學(xué)是高中物理教學(xué)中很重要很常見(jiàn)很有效的教學(xué)過(guò)程，它主要是把實(shí)際問(wèn)題經(jīng)過(guò)理想化、抽象化成簡(jiǎn)單的物理模型，引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)的相關(guān)的物理知識(shí)和物理規(guī)律，對(duì)物理模型進(jìn)行研究和處理，從而達(dá)到快速有效的解決問(wèn)題、提高學(xué)生綜合能力的效果。

1 高中物理建模教學(xué)的意義

1.1 建模教學(xué)能適應(yīng)高中生物理思維的發(fā)展

物理模型本身就是抽象思維和形象思維的統(tǒng)一體，比如萬(wàn)有引力和庫(kù)侖力、重力勢(shì)能與電勢(shì)能等這些物理模型的建立既要用到抽象、理想化、比較等抽象思維方法，也要用到類比、概括等形象思維方法。有些物理模型的建立需要學(xué)生在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、事實(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)性的假設(shè)、綜合、合理推理和數(shù)學(xué)驗(yàn)證，比如伽俐略的理想斜面實(shí)驗(yàn)、伽俐略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的探究、玻爾的原子模型、愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)等。

可見(jiàn)，物理建模過(guò)程需要的思維方法，高中生已經(jīng)基本具備，高中物理建模教學(xué)能適應(yīng)高中生物理思維的發(fā)展。

1.2 建模教學(xué)能使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)實(shí)踐的過(guò)程

物理建模教學(xué)就是讓學(xué)生在實(shí)際情境或創(chuàng)設(shè)的物理情境中，在原有知識(shí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，模仿物理學(xué)家們?cè)谘芯课锢磉^(guò)程中所采用的建模方法（假想法、微元法、類比法、科學(xué)抽象法、等效法、理想化法等），通過(guò)自主學(xué)習(xí)、合作探究、教師引導(dǎo)等途徑，去經(jīng)歷建立模型、評(píng)價(jià)模型、應(yīng)用模型幾個(gè)過(guò)程，促使學(xué)生理解建立物理模型的整體過(guò)程，已期達(dá)到學(xué)生能夠自主建模的目的。

科學(xué)實(shí)踐過(guò)程主要包括構(gòu)建、確認(rèn)、應(yīng)用科學(xué)模型，可見(jiàn)建模教學(xué)近似模仿了科學(xué)實(shí)踐，從而使學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)踐過(guò)程有了深刻的體會(huì)。

1.3 建模教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

高中學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)主要指的是學(xué)生在已學(xué)的知識(shí)架構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際問(wèn)題有新思想、新觀點(diǎn)、新設(shè)計(jì)、新方法等，都稱為創(chuàng)新意識(shí)。物理建模本身就是一項(xiàng)很有創(chuàng)新性的活動(dòng)，它要在觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有的知識(shí)背景下，充分研究實(shí)際問(wèn)題的對(duì)象和過(guò)程，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的邏輯思維，采用類比、科學(xué)抽象、等效、理想化、歸納、推理等思維方法，從而對(duì)分析的對(duì)象和過(guò)程提出一種簡(jiǎn)化的描述。

比如在構(gòu)建平拋和帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)時(shí)，就要采用抽象和比較的思想，利用運(yùn)動(dòng)的合成與分解把它們分解為勻速直線和勻加速直線這兩個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，從而加深了學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解，提高了思維的靈活性。

物理模型隨著社會(huì)進(jìn)步和科技的昌盛，也是在不斷的完善和發(fā)展，從低級(jí)向高級(jí)轉(zhuǎn)變。比如原子模型的提出，從湯姆生的棗糕模型，到盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)，再到波爾的軌道量子化模型，到后來(lái)的電子云。一個(gè)物理模型的建立和完善，需要幾代物理學(xué)家們的思考和實(shí)踐，這對(duì)高中生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)有著積極的意義。

2 高中物理模型的分類

高中物理中牽涉到很多的物理模型，本人把這些物理模型大致分為以下幾種。

2.1 實(shí)物模型

高中物理中為了便于問(wèn)題研究，對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行理想化和抽象化而建立起的一種物理模型。在物理教材中很常見(jiàn)，對(duì)于建立物理概念起到很重要的作用，比如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、彈簧振子、單擺、原子的核式結(jié)構(gòu)、理想變壓器、光滑平面、理想氣體、理想電表、勻強(qiáng)電（磁）場(chǎng)、薄透鏡等。

2.2 過(guò)程模型

就是物理學(xué)中牽涉到各種運(yùn)動(dòng)，通常利用抽象和理想化方法來(lái)建立的能夠反應(yīng)事物本質(zhì)的理想過(guò)程，一般用于分析物理事件發(fā)生的過(guò)程，建立物理情景。比如完全彈性碰撞、簡(jiǎn)諧振動(dòng)、自由落體、拋體、圓周運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻加速直線運(yùn)動(dòng)等。

2.3 問(wèn)題模型

通過(guò)解決高中物理的典型問(wèn)題，總結(jié)出解決問(wèn)題的一般思路和方法。處理問(wèn)題時(shí)就能抓住本質(zhì)，思路明確，簡(jiǎn)單明了。同一個(gè)物理原理和概念可以用不同的問(wèn)題模型來(lái)體現(xiàn)，在各種試題中很常見(jiàn)。比如彈簧問(wèn)題、平衡問(wèn)題、各種臨界問(wèn)題、子彈打擊木塊問(wèn)題、傳送帶問(wèn)題、機(jī)車啟動(dòng)問(wèn)題、帶電粒子的偏轉(zhuǎn)和勻速圓周問(wèn)題、關(guān)聯(lián)速度問(wèn)題等。

2.4 理論模型

該模型是指人們還不清楚事物的本質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)、規(guī)律時(shí)，物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)事實(shí)和物理思維的基礎(chǔ)上，為分析解決某種理論問(wèn)題提出的假說(shuō)而建立的模型，如玻爾原子理論、愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)等。

3 學(xué)生在物理建模方面的不足

在多年的教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生物理成績(jī)不理想，關(guān)鍵在于分析問(wèn)題時(shí)，不善于建立物理模型和應(yīng)用相關(guān)的規(guī)律，主要不足有如下幾點(diǎn)：

（1） 單憑直覺(jué)和生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)建立題目中的物理模型，缺乏嚴(yán)密的邏輯思維和推理能力，無(wú)法明確實(shí)際問(wèn)題中所牽涉到的其他物理模型。

（2）不善于進(jìn)行抽象化和理想化的應(yīng)用，無(wú)法將實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象進(jìn)行抽取，也就無(wú)法與所學(xué)的物理知識(shí)和規(guī)律相聯(lián)系。

（3）分析物理模型時(shí)只能停留在表面，而無(wú)法切實(shí)應(yīng)用該物理模型所牽涉到的本質(zhì)問(wèn)題。

【案例1】本案例試圖從圓周運(yùn)動(dòng)在復(fù)合場(chǎng)中的重建來(lái)凸顯學(xué)生建模方面的不足。

圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題是高中物理力學(xué)中的基本問(wèn)題之一，在高中教材中有著重要的地位。在高一階段只分析重力場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，對(duì)于輕繩模型，最高點(diǎn)的最小速度對(duì)應(yīng)繩子的拉力為零時(shí)即mg=mv2/L（圖1所示），由于只有重力場(chǎng)，故學(xué)生對(duì)該臨界條件較容易理解和掌握。

但是由于物理模型是有限的，而物理情景是多樣化的。在圖2所示的物理情景中，情況就不同了，這里就凸顯出學(xué)生對(duì)重力場(chǎng)中豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)缺乏本質(zhì)的了解，不善于利用類比的方法，缺乏知識(shí)遷移能力。

可見(jiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)物理模型時(shí)，要多思考，不斷深入分析和歸納，了解模型的本質(zhì)內(nèi)容，只有這樣才能靈活、正確地應(yīng)用物理模型。

4 建模教學(xué)的基本步驟

在日常教學(xué)中，一方面要學(xué)生切實(shí)理解各種物理概念和物理規(guī)律，另一方面在解決問(wèn)題時(shí)，要學(xué)生明確分析對(duì)象，是個(gè)體還是某個(gè)系統(tǒng)，還要明確該問(wèn)題牽涉到哪些物理模型，遵循哪些物理規(guī)律。結(jié)合本人實(shí)際物理教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)出建模教學(xué)的一般實(shí)施步驟，如圖3所示：

以下就通過(guò)案例2，來(lái)呈現(xiàn)物理建模過(guò)程的教學(xué)步驟。

【案例2】本案例以2011年福建省高考理科綜合試卷第20題為例，嘗試展現(xiàn)例題建模教學(xué)的基本過(guò)程。

如圖4為某種魚(yú)餌自動(dòng)投放器中的投餌管裝置示意圖，其下半部AB是一長(zhǎng)為2R的豎直細(xì)管，上半部BC是半徑為R的四分之一圓弧彎管，管口沿水平方向，AB管內(nèi)有一原長(zhǎng)為R、下端固定的輕質(zhì)彈簧。投餌時(shí)，每次總將彈簧長(zhǎng)度壓縮到0.5R后鎖定，在彈簧上段放置一粒魚(yú)餌，解除鎖定，彈簧可將魚(yú)餌彈射出去。設(shè)質(zhì)量為m的魚(yú)餌到達(dá)管口C時(shí)，對(duì)管壁的作用力恰好為零。不計(jì)魚(yú)餌在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械能損失，且鎖定和解除鎖定時(shí)，均不改變彈簧的彈性勢(shì)能。已知重力加速度為g。求：

（1）質(zhì)量為m的魚(yú)餌到達(dá)管口C時(shí)的速度大小v1；

（2）彈簧壓縮到0.5R時(shí)的彈性勢(shì)能Ep；

（3）已知地面距離水面相距1.5R，若使該投餌管繞AB管的中軸線OO在900角的范圍內(nèi)來(lái)回緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，每次彈射時(shí)只放置一粒魚(yú)餌，魚(yú)餌的質(zhì)量在m到m之間變化，且均能落到水面。持續(xù)投放足夠長(zhǎng)時(shí)間后，魚(yú)餌能夠落到水面的最大面積S是多少？

該試題的運(yùn)動(dòng)情景較為新穎，考生要透過(guò)魚(yú)餌自動(dòng)投放器的投餌管裝置的結(jié)構(gòu)，還原出投魚(yú)餌的物理原理：彈簧勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和重力勢(shì)能，離開(kāi)管口后做平拋運(yùn)動(dòng)。該題能很好地考核學(xué)生審題能力，即從實(shí)際情景轉(zhuǎn)化為物理模型，抓住狀態(tài)和過(guò)程特征分析，理清解決問(wèn)題的思路。

在教學(xué)過(guò)程中，要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)本題的理想化條件（不計(jì)魚(yú)餌在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械能損失），進(jìn)行嚴(yán)密的邏輯思維和推理，逐步建立起本題涉及的幾個(gè)物理模型：質(zhì)點(diǎn)模型、彈簧模型、豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)以及平拋運(yùn)動(dòng)。

本題是中檔題，考查能力比較全方位，既考查抽象思維能力，也考查形象思維能力，同時(shí)考查數(shù)理運(yùn)用能力。由于同一個(gè)物理模型在不同的物理情景中又有了新的內(nèi)涵，因此在教學(xué)中，教師對(duì)物理模型不能直接應(yīng)用，要重視展現(xiàn)物理模型在建立過(guò)程中的各種物理思維方法，才能避免造成學(xué)生思維定勢(shì)，達(dá)到思路開(kāi)闊、靈活運(yùn)用的效果。

通過(guò)上面的分析和案例教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)高中階段的物理知識(shí)都與一定的物理模型緊密相聯(lián)系。建立物理模型，有利于學(xué)生抓住問(wèn)題本質(zhì)，掌握解決問(wèn)題的方法，如類比研究的方法、微元法、等效法等。在日常的教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生如何建立物理模型，并用相關(guān)規(guī)律解決問(wèn)題。學(xué)生對(duì)物理模型的發(fā)現(xiàn)和處理，直接關(guān)系到高中物理的學(xué)習(xí)效率，所以建模教學(xué)是高中物理教學(xué)中非常重要的一個(gè)方面。