李殿勝

摘要：理想物理模型在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有不可或缺的地位，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的基礎(chǔ)。并且物理模型還穿插全部中學(xué)物理課本的各類知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生對大多數(shù)主要物理知識(shí)、規(guī)律的理解、掌握及其物理思維能力的提升都取決于對理想物理模型的掌握程度和理解程度。模型的構(gòu)建不僅可以純化相關(guān)問題，有利于學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)和物理規(guī)律的理解掌握，而且有助于科學(xué)鍛煉學(xué)生思維的張度。在物理教學(xué)中要充分加強(qiáng)對學(xué)生各項(xiàng)能力的訓(xùn)練，提升模型構(gòu)建的能力。本文闡述了物理模型與教學(xué)的關(guān)系并且分析了物理模型在教學(xué)中的作用以及運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：物理模型；物理模型教學(xué)；規(guī)律；培養(yǎng)

1 物理模型特點(diǎn)及主要功能

1.1 物理模型的特點(diǎn)

1.1.1 思維的抽象性和模型的形象性的統(tǒng)一

通過抽象進(jìn)行建模，使物理模型更加形象化。比如外斯塞格和波爾提出的原子液滴模型。他們在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了它具有均勻的密度并且不可壓縮，就像液滴的特性那樣。于是他們把原子對比液滴，提出了原子液滴模型。通過這個(gè)例子我可以很清楚的看到，用液滴作為模型去了解我們看不到的原子，其過程是抽象的，結(jié)果卻是形象的。

1.1.2 模型的科學(xué)性及假定性的辯證統(tǒng)一

物理模型具備深刻的理論知識(shí)，即具備必然的科學(xué)性。理想模型是人類抽象思維的成果，因此也有一定的假定性。例如，我們之前所說的原子核液滴模型。它是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了它具有均勻的密度并且不可壓縮的特性，所以在一定程度上具有科學(xué)性。他們也把原子比作液滴，構(gòu)建液滴模型去了解原子的特性。但兩者始終并非同一物，各自肯定存在些許差別，所以一定程度上具有假定性。

1.2 物理模型的主要功能

①將問題簡化，從中快捷地看出其中物體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。

②運(yùn)用模型可以解釋現(xiàn)實(shí)情境中的物理現(xiàn)象。

③經(jīng)常構(gòu)建模型可以鍛煉人的邏輯思維能力，促進(jìn)人的全面發(fā)展。

④物理模型促進(jìn)人對事物的理解，理解才能合理的改造，促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展。

2 中學(xué)物理中常見的物理模型

2.1 “質(zhì)點(diǎn)”物理模型

“質(zhì)點(diǎn)”模型在中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中是接觸最多的模型。它是中學(xué)物理中最簡單的物理模型之一，是許多物理模型的基礎(chǔ)。因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)給以足夠的重視。在“質(zhì)點(diǎn)”模型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，首先要講清引入“質(zhì)點(diǎn)”模型的目的性和必要性。當(dāng)我們在探究一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要確定物體的具體位置。因?yàn)槊總€(gè)物體都具有一定體積、形狀、大小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不盡相同。在物理發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些狀態(tài)的位置變化一般都各有規(guī)律可循，要把這些規(guī)律都描述出來不是容易的事。

2.2 剛體物理模型

在某些條件下，物體的體積形態(tài)的變化屬于非本質(zhì)特征，那么我們就可以將物體抽象為剛體。所謂剛體就是各個(gè)點(diǎn)能保持相對靜止的物體。任何堅(jiān)硬的實(shí)際物體作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系，在外力作用下，各質(zhì)點(diǎn)之間的距離都有變化。反映為物體大小、形狀或內(nèi)部各組元相對位置的變化。但在很多情景下，這種變化都很小，對所討論的對象的影響能夠忽略掉。這樣把它當(dāng)作剛體來研究從而可以使問題大大簡化。但是在實(shí)際條件下，判斷一個(gè)物體是否能看作剛體還要看具體情況。我們常見固體轉(zhuǎn)移一般形變很小，都可以看作是剛體。

2.3 彈性體與范性體物理模型

對一個(gè)物理施加外力，使之發(fā)生形變，去掉外力后物體能恢復(fù)原狀的物體叫彈性體。這種形變稱為彈性形變。在教材中的彈性碰撞的物體和彈簧都是我們說的彈性體。物體間彈力是作用在彼此接觸而產(chǎn)生彈性形變的物體之間，其彈力大小遵循胡克定律。與彈性體對應(yīng)的模型就是范性體。它是指材料在外加力作用下超出彈性極限后仍變形而不斷裂，這時(shí)若去掉外力，仍有部分形變不能還原，該物體稱為范性體。

2.4 杠桿物理模型

在初中物理中講到了“杠桿”，在實(shí)際運(yùn)用杠桿時(shí)，影響杠桿平衡的因素是很多的，除了加在杠桿上的動(dòng)力和阻力外，杠桿本身的重量，撓曲變形，支點(diǎn)處的光滑程度等等都影響杠桿的平衡。通過對主體探究后把握主要特征，忽略次要特征，可以抽象出了“杠桿模型”。我們所說的杠桿模型是指重量能夠忽略且光滑的剛體。經(jīng)過探究發(fā)現(xiàn)了理想杠桿的平衡條件與動(dòng)力、動(dòng)力臂、阻力與阻力臂有關(guān)，即平衡條件為動(dòng)力與動(dòng)力臂的乘積等于阻力與阻力臂的乘積。

3 物理模型對中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用

3.1 培養(yǎng)正確的科學(xué)思維方法

在中等物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，物理思維能力就顯得尤為重要，而增強(qiáng)中學(xué)生物理思維能力的前提是讓學(xué)生保持獨(dú)特的思維習(xí)慣。剛剛接觸物理的學(xué)生大多數(shù)只專注于書本知識(shí)點(diǎn)的死記硬背，這種死記硬背的思維方式肯定是不合適的，而且在中學(xué)物理的不同階段，也要求學(xué)生掌握不同的思維方法。這些思維方法的要領(lǐng)和特點(diǎn)的駕馭水平直接決定著學(xué)生的學(xué)習(xí)效果以及物理思維的發(fā)展，所以要重視培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建以及使用正確的思維方法。在平時(shí)的中學(xué)物理講授中，讓學(xué)生對物理模型的分析經(jīng)過也就是思維方法訓(xùn)練經(jīng)過。確保學(xué)生能夠運(yùn)用正確的科學(xué)的思維方法了解物理規(guī)律和概念。

3.2 理解物理學(xué)中的難點(diǎn)

中學(xué)物理中有許多比較抽象知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)要掌握和理解這些知識(shí)通常比較費(fèi)力。但學(xué)生如果能運(yùn)用物理模型來理解就不一樣了，它是以現(xiàn)實(shí)生活中的物體經(jīng)過一系列科學(xué)抽象后的結(jié)果，反映了該物體的主要特征。物理模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以突出問題的主要特點(diǎn)并且忽略一般因素，有利于學(xué)生構(gòu)建起準(zhǔn)確的物理模型，使研究的物理問題由繁到簡、由難到易的過渡，達(dá)到教學(xué)難度降低的作用，使學(xué)生容易掌握和理解該物理現(xiàn)象的規(guī)律和本質(zhì)特征。例如“點(diǎn)電荷”、“質(zhì)點(diǎn)”的概念。學(xué)生初次接觸這幾個(gè)概念時(shí)，往往抓不住概念的本質(zhì)，這時(shí)候構(gòu)建概念模型就可以解決這個(gè)問題。

3.3 形成科學(xué)的預(yù)見

由于物理理想模型的構(gòu)建過程中忽略了大部分的次要因素，主要反映事物的主要特點(diǎn)，這樣方便學(xué)生發(fā)展物理思維的能力，也可以使得探究事物的成果可以跨越現(xiàn)有生活條件，引導(dǎo)事物探究的方向，構(gòu)成科學(xué)的預(yù)見，從而得到正確的物理規(guī)律和定理。例如在探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，我們一般先將該問題簡化為兩個(gè)過程：第一個(gè)過程，質(zhì)點(diǎn)在水平方向上受力為零，因此做勻速直線運(yùn)動(dòng)；第二個(gè)過程，質(zhì)點(diǎn)在重力方向上僅受重力的作用，就會(huì)預(yù)見到質(zhì)點(diǎn)做自由落體運(yùn)動(dòng)。通過這樣處理可以使曲線問題得到大大的簡化，從而總結(jié)出其運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

4 物理模型在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

4.1 建立模型概念，理解概念實(shí)質(zhì)

為了使人類大腦中的客觀事物有深刻的反思，它必須與人類的大腦有聯(lián)系起來，使之具體化、可視化。概念模型是暫時(shí)忽略掉非本質(zhì)特征，以及對當(dāng)下探究影響不大的小小因素。抓住該物理現(xiàn)象的主要特征，了解事物的條件，然后使用理想化的概念模型來解決現(xiàn)實(shí)的物理現(xiàn)象。如學(xué)習(xí)“點(diǎn)電荷”、“質(zhì)點(diǎn)”這些概念時(shí)，構(gòu)建概念模型可以使學(xué)生更容易理解其中的本質(zhì)。

4.2 突出模型的主要矛盾

條件模型就是為討論和求解問題起到排干擾、做鋪墊的作用。把給出的物理?xiàng)l件進(jìn)行建模，忽略條件中的次要矛盾，突出條件中的核心矛盾。如我們在探究球拍與乒乓球碰撞時(shí)，因?yàn)榕母蛳嗷ソ佑|的時(shí)間很短，可以不計(jì)摩擦和其他阻力。能夠認(rèn)為該體系的總動(dòng)量不變。條件模型的構(gòu)建可以大大簡化我們探究的物理現(xiàn)象。

4.3 通過過程模型構(gòu)建物理圖景

過程模型顧名思義就是把物理過程進(jìn)行理想化在進(jìn)行建模。其錯(cuò)綜復(fù)雜的變化過程經(jīng)過人為處理成為容易理解的物理過程。如熱學(xué)中的等壓過程，它是撇開了次要因素突出本質(zhì)因素的過程模型，這條件在現(xiàn)實(shí)中是不存在的。我們知道過程模型可以由無數(shù)個(gè)狀態(tài)模型累積而成，將這些狀態(tài)模型在坐標(biāo)系表示出來，最后得到的軌跡就是過程模型。不難看出過程模型的構(gòu)建不僅可以純化相關(guān)問題，有利于學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)和物理規(guī)律的理解掌握，而且有助于科學(xué)鍛煉學(xué)生思維的張度。

4.4 轉(zhuǎn)換物理模型，深入理解模型

采用理想化模型進(jìn)行探究，我們可以完全避免次要條件的影響。在腦海里與討論的對象的核心要點(diǎn)進(jìn)行思考，可以快速，了當(dāng)?shù)卣莆赵搶ο蟮闹饕卣骱徒Y(jié)論。在學(xué)習(xí)單擺模型后，我們可以利用該模型公式解決相關(guān)類似的物理現(xiàn)象。比如受重力的小球在圓形軌道的往返時(shí)間。也就是說，在深入了解某種模型之后，我們可以把這種模型思維擴(kuò)展到其他物理問題。

5 培養(yǎng)中學(xué)生的模型思維能力

5.1 中學(xué)生思維發(fā)展的特點(diǎn)

大部分的初中生逐漸形成一定邏輯思維水平。然而，理論水平還不夠成熟，只能依靠具體的形象來引導(dǎo)思維發(fā)散。思維的品質(zhì)不夠穩(wěn)定，思維程度的差距更為明顯。高中生的邏輯思維有顯著的提升，抽象和概括水平更強(qiáng)。但還需要圖示來促進(jìn)推理過程。在某種程度上，他們的自我認(rèn)識(shí)能夠有意識(shí)地控制和調(diào)節(jié)他們的思維。并且數(shù)學(xué)上表現(xiàn)出來的思維能力也達(dá)到了比較高的水平。

5.2 重視學(xué)生的觀察、綜合分析和思維能力

很多信息通過觀察都是可以得到的，很多信息與我們所探究的對象各個(gè)方面的問題均有關(guān)系在探究和觀察某種物理現(xiàn)象后，我們要總結(jié)歸納出它們的共同特征，這是我們在構(gòu)建物理模型時(shí)需要注意的。一個(gè)人的綜合分析能力體現(xiàn)在是否能把“一分為多”的能力。長期訓(xùn)練模型思維，也有助于鍛煉學(xué)生發(fā)展想象能力，而想象能力又可以推動(dòng)模型思維能力的培養(yǎng)。不妨借助某些設(shè)備幫助我們訓(xùn)練學(xué)生的聯(lián)想能力，如計(jì)算機(jī)能夠把因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)太快導(dǎo)致人眼看不清楚的過程，或現(xiàn)實(shí)生活中不容易看清的現(xiàn)象都展示出來，有助于我們對其進(jìn)行想象。

5.3 理解物理模型的特點(diǎn)和功能

鑒于這些現(xiàn)象，我們一定要加強(qiáng)學(xué)生的模型思維意識(shí)。因?yàn)槟Ｐ褪抢硐牖奶骄浚l(fā)揮的功能是簡化探討的對象。在學(xué)習(xí)活動(dòng)中，我們都要與學(xué)生一起商討概念，商討其屬于哪一種模型，這種模型在哪些情況下才會(huì)成立？構(gòu)建模型的準(zhǔn)則有哪些，理想化了什么非本質(zhì)特征以及它擁有的主要特征。同時(shí)要明確理想化模型和實(shí)際物理現(xiàn)象的差別。通常建立一個(gè)模型是從多個(gè)物理現(xiàn)象中歸納建立起來的，所以一個(gè)物理模型可以對應(yīng)多個(gè)物理情景。當(dāng)在學(xué)習(xí)活動(dòng)中使用舊的物理模型探究新的物理現(xiàn)象時(shí)，必須要注意如何將新現(xiàn)象歸納進(jìn)舊模式中。學(xué)生只有經(jīng)過連續(xù)不斷的訓(xùn)練，才能使物理模型的認(rèn)識(shí)不斷提高。

5.4 了解構(gòu)建物理模型的方法和要求

通過實(shí)際不斷的培養(yǎng)和持續(xù)的訓(xùn)練掌握構(gòu)建正確的物理模型。在日常的物理課或者自習(xí)中若是碰到與模型相關(guān)的物理現(xiàn)象時(shí)，讓學(xué)生了解構(gòu)建模型來分析該現(xiàn)象，明白物理模型發(fā)展的意義。在物理授課活動(dòng)時(shí)，要有計(jì)劃、有方針的指導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)生活中的物理情景。然后對實(shí)驗(yàn)觀察的資料加以概括，構(gòu)建出體現(xiàn)該現(xiàn)象本質(zhì)特征的模型。

總結(jié)

在倡導(dǎo)素質(zhì)教育的環(huán)境下，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能一昧的進(jìn)行灌輸教育，應(yīng)該要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的各種能力，比如模型思維能力。利用物理模型授課有利于學(xué)生對物理現(xiàn)象、概念的理解，因?yàn)槠淇梢酝怀鰧ο蟮闹饕卣?，忽略次要特征。在?shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，一定要以物理模型為中心點(diǎn)進(jìn)行展開教學(xué)，讓學(xué)生掌握模型的構(gòu)建方法，以長期的訓(xùn)練來促進(jìn)學(xué)生各項(xiàng)能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 路慧奇. 解讀平拋運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容和推論[J]. 中學(xué)生數(shù)理化：高一版，2011（1-2）：38-39

[2] 鄭艷秋.中學(xué)理科學(xué)生物理模型能力的評價(jià)研究[D]. 上海：華東師范大學(xué)大學(xué)，2007.

[3] 梁麗儀. 淺談中學(xué)物理教學(xué)中的建模[J]. 教育管理與藝術(shù)，2014（05）：86

（作者單位：山東省青島第六十六中學(xué)）