摘? ?要：物理模型是從紛繁復雜的客觀事物中抽象出來的，反映物質(zhì)原理及本質(zhì)特征的理想物質(zhì)或過程，是理想化方法的基本類型，在物理學研究中被廣泛應(yīng)用。文章通過具體實例的分析，列舉了幾種常見的模型建構(gòu)的誤區(qū)，提出了模型建構(gòu)必須關(guān)注的條件性、相對性和實際性等幾個要素，加深對模型建構(gòu)方法的認識，給出相應(yīng)的教學思考。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu);物理教學;科學思維;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）7-0061-4

1? ? 模型思維是重要的科學思維

科學思維是高中物理四大核心素養(yǎng)之一，主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。模型思維是一種重要的科學思維，創(chuàng)設(shè)基于建模的科學學習環(huán)境，有利于學生建模思維的發(fā)展。

《普通高中物理課程標準（2017年版）》的物理學科核心素養(yǎng)的水平劃分中，將科學思維中的模型建構(gòu)分為五級水平，分別是：

水平一，能說出一些簡單的物理模型;

水平二，能在熟悉的問題情境中應(yīng)用常見的物理模型;

水平三，能在熟悉的問題情境中根據(jù)需要選用恰當?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡單的物理問題;

水平四，能將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成所學的物理模型;

水平五，能將較復雜的實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型。

從教學反饋來看[1]，大部分學生停留在水平一和水平二，即簡單地模仿和套用舊有的模型，在水平三所要求的“選用恰當?shù)哪Ｐ汀狈矫?，水平四所要求的“轉(zhuǎn)換成物理模型”方面，普遍存在較大困難，對于為何如此建構(gòu)模型說不出個所以然來，這也直接制約了學生運用物理模型處理實際問題的素養(yǎng)水平。如何在模型建構(gòu)的教學中立足實際問題進行分析示范，從本質(zhì)上系統(tǒng)地滲透科學思維方法，讓學生了解物理模型建構(gòu)的本質(zhì)及關(guān)鍵要素，更為自覺、正確地運用和理解物理模型，提升科學思維素養(yǎng)，是我們需要重點關(guān)注的問題。

下面通過物理模型建構(gòu)中幾例常見的誤區(qū)進行分析，介紹建構(gòu)、應(yīng)用物理模型時需要重點關(guān)注的幾個關(guān)鍵要素，并給出相應(yīng)的教學思考[2]。

2? ? 模型建構(gòu)誤區(qū)分析

誤區(qū)1：忽視模型建構(gòu)的前提條件

物理理想模型是在一定條件下，經(jīng)過科學抽象，針對某一特定前提而建構(gòu)的。同一物質(zhì)客體，在不同研究目的、不同研究重點下就有不同的抽象條件，所建構(gòu)的物理模型也不盡相同。建構(gòu)過程中若忽視所用模型的前提條件，容易產(chǎn)生錯誤的結(jié)論[3]。

例1? 這是永動機嗎？

如圖1所示，半徑為R的環(huán)形塑料管豎直放置，AB為該環(huán)的水平直徑，且管的內(nèi)徑遠小于環(huán)的半徑，環(huán)的A、B及其以下部分處于水平向左的勻強電場中，管的內(nèi)壁光滑?，F(xiàn)將一質(zhì)量為m，帶電荷量為+q的小球從管中A點由靜止釋放，已知qE=mg，以下說法正確的是（? ? ? ）

A.小球釋放后，到達B點時速度為零，并在BDA間往復運動

B.小球釋放后，到達最低點D時速度最大

C.小球釋放后，第一次和第二次經(jīng)過最高點C時對管壁的壓力之比為1：1，且方向相同

D.小球釋放后，第一次經(jīng)過最低點D和最高點C時對管壁的壓力之比為5：1

按本題所設(shè)置的情境，我們重點分析小球到C點的速度情況。當帶電小球第一次到達C點，由動能定理可知：-mgR+Eq·2R=mv，且qE=mg，即vC1=，同理，帶電小球第二次到達C點時，vC2=，……，循環(huán)往復，電場不斷對小球做功，小球速度不斷增加。有學生就提出疑問，這不就是永動機嗎？

例1的問題按照原來的分析方法出現(xiàn)了永動機的現(xiàn)象，其錯誤的根源在于該題建構(gòu)了一個邊界明顯的孤立勻強電場。我們知道，當帶電粒子在平行板電容器兩板之間區(qū)域運動時，電場主要集中在兩板之間，在帶電粒子沒有進出電場的前提下，我們可以忽略邊緣效應(yīng)，將兩極間的電場建構(gòu)成勻強電場。但當帶電粒子沒有進出電場這個前提條件不存在時，外電場的作用便不可忽略（如圖2所示），這個時候也就不能再建構(gòu)成邊界明顯的孤立勻強電場了。此時，若仍要研究粒子進出的問題，則應(yīng)考慮帶電粒子在邊緣外的區(qū)域運動時，受到的外電場的作用。根據(jù)電場的性質(zhì)，在任何靜電場中，環(huán)路積分為零，總電勢差為零，電場力的總功為零，即當電場又通過場外區(qū)域回到原來的A點時，在不均勻的外場區(qū)電場力是做負功的，最終并沒有給電荷任何電勢能的補充。原題的設(shè)計忽視了“勻強電場”這一理想模型的前提條件，產(chǎn)生了科學性錯誤。

誤區(qū)2：混淆主次因素

物理模型建構(gòu)的過程中，應(yīng)根據(jù)研究的目的和方法確定影響問題的主次因素，圍繞主要因素，摒棄次要因素，建構(gòu)合適的模型。同一客觀主體，當觀察研究的角度變了，次要因素可能變得不可忽略，甚至變成主要因素，此時原物理模型就不再適用，再用原模型處理問題可能產(chǎn)生矛盾的認知。

例2 磁通量沒有變化也會產(chǎn)生感應(yīng)電流嗎？

（2007高考理綜北京卷24）（節(jié)選） 用密度為d、電阻率為ρ、橫截面積為A的薄金屬條制成邊長為L的閉合正方形框abb′a′。如圖3和圖4所示，金屬方框水平放在磁極的狹縫間，方框平面與磁場方向平行。設(shè)勻強磁場僅存在于相對磁極之間，其他地方的磁場忽略不計?？烧J為方框的aa′邊和bb′邊都處在磁極間，極間磁感應(yīng)強度大小為B。方框從靜止開始釋放，其平面在下落過程中保持水平（不計空氣阻力）。

（1）方框下落的最大速度vm（設(shè)磁場區(qū)域在豎直方向足夠長）;

本題我們一般建構(gòu)豎直下落的線框切割水平的勻強磁場這種過程模型，從切割運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的角度看，當方框下落速度為v時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢：E=2BLv，感應(yīng)電流I==，再去得出其他的結(jié)論，顯然沒什么問題。但如果換個角度從磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢方面考慮，將會產(chǎn)生這樣的疑問：線框下落到任何一個位置時，圖中所示的磁感線均與線框平面平行，那么下落過程中穿過線框的磁通量沒有變化（一直為零），根據(jù)電磁感應(yīng)定律，怎么會產(chǎn)生感應(yīng)電流呢？

在例2的問題中，當我們從切割角度研究感應(yīng)電動勢時，影響感應(yīng)電動勢的主要因素是與切割方向垂直的水平磁場，此時與切割方向平行的垂直磁場是次要因素，對切割也無效果，可以忽略。但當我們轉(zhuǎn)化研究角度，通過線圈的磁通量變化來研究感應(yīng)電動勢時，垂直線框的磁場就變成是主要因素，反而平行線框的磁場分量不起作用，如圖5所示。由于磁感線是閉合的，越往螺線管中心磁感線（主要是縱向的）越密，所以下落過程磁通量不是不變，而是不斷變大，由此判斷出來的感應(yīng)電流方向與切割方法判斷的一致。在這個問題中，因觀察角度不同，主次因素發(fā)生變化，對應(yīng)建構(gòu)的物理模型也隨之變化，若仍糾結(jié)于舊有的模型特征，就容易產(chǎn)生磁通量不變也能產(chǎn)生感應(yīng)電流的疑惑。

誤區(qū)3：過分理想處理，脫離物理實際

物理模型是客觀事物經(jīng)過理想化處理抽象出來的客觀事物的本質(zhì)或相關(guān)特征，是解決實際問題的一種方式，利用物理模型得出的結(jié)論或規(guī)律也應(yīng)符合物理生活實際，這就決定了模型建構(gòu)應(yīng)立足物理現(xiàn)實的實際情況，不可隨意理想化處理，脫離物理實際，失去物理建構(gòu)模型的意義[4]。

例3 這是理想變壓器嗎？

（2011年浙江高考理綜第16題） 如圖6所示，在鐵芯上、下分別繞有匝數(shù)n1=800和n2=200的兩個線圈，上線圈兩端與u=51sin314t（V）的交流電源相連，將下線圈兩端接交流電壓表，則交流電壓表的讀數(shù)可能是（? ? ? ）

A. 2.0 V

B. 9.0 V

C. 12.7 V

D. 144.0 V

很多學生直接套用理想變壓器模型的規(guī)律得出如下錯解：交流電源電壓的有效值U1=，按照理想變壓器的規(guī)律來處理有：=、n=800、n2=200，解得U2≈9.0 V，故答案為B選項。

我們知道，理想變壓器的規(guī)律是在整個裝置無磁漏、無鐵損、無銅損的情況下推導得出的規(guī)律，在磁漏、鐵損、銅損不是很大的情況下，我們可以近似地利用這個模型規(guī)律分析解決物理問題。但現(xiàn)實中變壓器的磁漏、鐵損、銅損影響較大，必然無法達到理想的情況，所以交流電壓表的讀數(shù)必小于9.0 V，具體的數(shù)值由裝置的參數(shù)決定，故A選項才正確。在建構(gòu)實際問題的物理模型時，需要我們立足實際情況，把握具體問題中模型建構(gòu)的合理性，建構(gòu)符合客觀實際的模型。

3? ? 對模型建構(gòu)教學的思考

在解決物理實際問題時，常常從研究的目的出發(fā)，結(jié)合分析和研究問題的需要，對客觀實際進行科學的抽象化處理，抓住影響問題的主要因素，摒棄各種次要因素，得出一種能反映客觀實際本質(zhì)特性的理想物質(zhì)或過程，此種理想物質(zhì)或過程稱之為物理模型或理想物理模型[5]。物理模型建構(gòu)的過程既有客觀依據(jù)，又有主觀成分，需要綜合考慮條件性、相對性和實際性等關(guān)鍵要素，不能簡單模仿和套用。

上面通過三個模型建構(gòu)中容易出現(xiàn)的誤區(qū)實例，分別強調(diào)了模型建構(gòu)過程中需要特別關(guān)注的前提條件、主次因素及實際情況三個關(guān)鍵要素。做為一線的物理教師，對這幾個關(guān)鍵要素應(yīng)引起足夠的重視。一方面了解物理模型建構(gòu)的關(guān)鍵要素可以讓教師在命題過程中有意識地規(guī)避此類誤區(qū)，避免試題產(chǎn)生科學性錯誤，確保試題的嚴謹性。另一方面教師在物理模型的教學中，通過有意識地強化、突出這三個關(guān)鍵要素，循序漸進地對模型建構(gòu)進行分析、拓展、比較，讓學生參與到實際問題的建構(gòu)過程中來，帶領(lǐng)學生親身體驗思考與探索的過程，在矛盾沖突中加深學生對物理模型建構(gòu)本質(zhì)的理解。通過不斷地強化讓學生在具體問題的解決過程中，自覺地形成建構(gòu)出恰當物理模型的習慣。即先對所研究問題的狀態(tài)和過程客觀分析后確定前提條件，再根據(jù)影響問題的主次因素確定大致模型，并立足物理實際分析調(diào)整，最終建構(gòu)出恰當?shù)奈锢砟Ｐ?。在不斷建?gòu)過程中切實培養(yǎng)學生的科學思維素養(yǎng)，提升學生利用模型解決實際問題的能力水平。

參考文獻：

[1]馮一兵. 淺談物理模型在教學中的優(yōu)點及局限性[J]. 物理與工程，2007（4）：59-61.

[2]韓靜波. 理想模型不宜運用的場景[J]. 物理通報，2011（10）：94-96.

[3]陳薇薇.物理理想模型的建立與中學物理教學的探究[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2016（11）：59-62.

[4]沈吳勇.理想化模型與實際問題矛盾初探[J]. 湖州師范學院學報，2000（S1）：51-53.

[5]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（欄目編輯? ? 羅琬華）

收稿日期：2020-03-06

作者簡介：陳文虎（1984-），男，中學一級教師，主要從事高中物理教學工作，曾獲廈門市首屆中小學教師技能大賽一等獎。