曹愷 張勇

摘要：科學(xué)思維是高中物理的核心素質(zhì)之一，而模型構(gòu)建是科學(xué)思維的重要構(gòu)成環(huán)節(jié)。目前，部分高中物理教師缺乏對(duì)模型和建模本質(zhì)的深刻認(rèn)識(shí)，缺乏訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)建模技能的方法。文章整合了高中物理課本中有關(guān)科學(xué)建模能力訓(xùn)練的內(nèi)容，并將內(nèi)容分為對(duì)象模型、條件模型、過程模型和理論模型，提出了提高學(xué)生科學(xué)建模能力的有效策略。

關(guān)鍵詞：高中物理? ?模型建構(gòu)? ? 路徑

物理的核心素質(zhì)包含了物理概念、科學(xué)思維、科學(xué)研究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。其中，科學(xué)思維是從物理學(xué)的角度理解客觀事物的基本屬性、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的一種方式，也是構(gòu)建基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的理想模型的抽象概括過程。物理建模是科學(xué)思維能力的科學(xué)實(shí)踐，它能夠描繪出一種問題的性質(zhì)，并利用現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)材料的物理模型來解釋和預(yù)測(cè)現(xiàn)象。

一、高中物理教學(xué)中模型建構(gòu)的應(yīng)用原則

（一）主體地位性原則

在傳統(tǒng)高中物理課堂上，部分教師采用“填鴨式”教學(xué)，學(xué)生長(zhǎng)期處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，且教師很少主動(dòng)與學(xué)生深入交流和討論物理知識(shí)。因此，教師應(yīng)遵循主觀性原則，明確學(xué)生的課堂主導(dǎo)地位，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（二）多元化原則

在組織構(gòu)建高中物理模型時(shí)，教師可以結(jié)合學(xué)生日常的生活場(chǎng)景，為學(xué)生提供更多的資料，使學(xué)生通過物理模型的構(gòu)建，充分理解物理知識(shí)。此外，教師可以結(jié)合生活中的實(shí)際案例，組織學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，或者通過運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，將抽象的物理知識(shí)具象化，幫助學(xué)生解決有難度的物理問題，使學(xué)生能夠觀察物理現(xiàn)象，理解物理概念，有效提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)效率。

二、高中物理教學(xué)中構(gòu)建理想模型存在的問題

理想模型可以幫助學(xué)生深入地學(xué)習(xí)物理、研究物理，教師不但可以用理想模型描述物理的基本概念，而且可以通過理想模型來簡(jiǎn)化物理問題。

學(xué)生普遍認(rèn)為，物理是高中最難學(xué)的科目之一。在學(xué)習(xí)過程中，對(duì)物理概念不明確，對(duì)理想模型不理解，直接影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（一）不同學(xué)生的思維方式不同

初中物理與直接的自然現(xiàn)象有關(guān)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的思維活動(dòng)主要集中于具體的形象思維，理想模型等抽象物理模型的應(yīng)用較少。高中物理研究的主要是復(fù)雜和抽象的現(xiàn)象，需要用定量方法分析，所以理想模型的構(gòu)建必不可少。因?yàn)榉治鑫锢韱栴}要以模型為基礎(chǔ)，從多方面、多角度去分析問題。

（二）學(xué)生意志薄弱，不能獨(dú)立思考

在解答高中物理練習(xí)題時(shí)，學(xué)生經(jīng)常是有選擇地處理練習(xí)題。如遇到高難度的練習(xí)題時(shí)，學(xué)生不會(huì)用理想模型的知識(shí)去思考。當(dāng)教師解釋練習(xí)題時(shí)，學(xué)生才會(huì)記錄問題，但不會(huì)自主思考，單純靠教師的解答，這不利于模型的構(gòu)建。

（三）學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)不感興趣

心理學(xué)指出，興趣是注意力和尋求知識(shí)能力的基礎(chǔ)。強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生勤奮學(xué)習(xí)、勇于解決問題的強(qiáng)大動(dòng)力。由于高中物理比較難，有些學(xué)生對(duì)物理失去興趣，難以理解理想模型。

三、高中物理科學(xué)建模的路徑

（一）抽象方式

抽象是一種思維過程和思維方法，通過現(xiàn)象去了解現(xiàn)實(shí)物理現(xiàn)象最重要和最本質(zhì)的特征，但容易忽略次要和非本質(zhì)因素。在物理建模過程中，學(xué)生必須不斷提取事物的運(yùn)動(dòng)過程或事物從現(xiàn)象到本質(zhì)的相互作用，摒棄了在運(yùn)動(dòng)序列或事物相互作用中不起作用、微不足道的因素，從復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)和相互作用過程中提取事物的相同點(diǎn)，然后建立物理模型?？梢姡橄蠓绞绞俏锢斫Ｖ谐Ｓ玫幕舅季S方法。因此，在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際出發(fā)，注意抽象的物理模型創(chuàng)作方式。

（二）理想簡(jiǎn)化

理想簡(jiǎn)化包括通過捕捉影響問題的基本因素和忽略非基本因素來簡(jiǎn)化、理想化物理問題，前提是不改變規(guī)則，減少復(fù)雜物理問題的可探究性。理想簡(jiǎn)化構(gòu)建的物理模型只存在于理想狀態(tài)中，而不存在真正的物理問題。同時(shí)，理想簡(jiǎn)化構(gòu)建的物理模型可以消除非基本屬性和次要因素的干擾，使實(shí)際物理問題從復(fù)雜到簡(jiǎn)單，易于處理。

首先，分析特定條件的理想簡(jiǎn)化，并創(chuàng)建適當(dāng)?shù)哪Ｐ停绱植诙然蚱交?。其次，?jiǎn)化了測(cè)試程序，包括對(duì)實(shí)驗(yàn)硬件和設(shè)施進(jìn)行理想簡(jiǎn)化。以伽利略的“斜面實(shí)驗(yàn)”為例，伽利略曾設(shè)想，物體能否均勻移動(dòng)而不產(chǎn)生摩擦力，牛頓后來解決了這個(gè)問題，并根據(jù)相關(guān)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了牛頓第一定律，從根本上推翻了亞里士多德的“物體受力運(yùn)動(dòng)中若外力停止作用便歸于靜止”這一理念，也為后來的經(jīng)典力學(xué)做了奠基。

（三）類比聯(lián)想

類比聯(lián)想是基于兩個(gè)事物在某些屬性中的相似性，通過比較和關(guān)聯(lián)得出結(jié)論，它們也可以在思想形式的某些屬性上相似。類比聯(lián)想有兩個(gè)含義：第一，聯(lián)想，即通過新信息檢索現(xiàn)有知識(shí)：第二，類比，即查找新舊信息的相似性和差異性。類比聯(lián)想法在物理學(xué)術(shù)研究中具有重要的作用。許多物理模型是由模擬關(guān)聯(lián)創(chuàng)建的，如開普勒曾經(jīng)說過：“我珍視類比勝于任何別的東西，它是我最可信賴的教師，它能提示自然界的秘密?！备ダ饰魉埂づ喔芯涿裕骸邦惐嚷?lián)想支配發(fā)明?！笨梢姡惐嚷?lián)想可以在兩個(gè)不同的知識(shí)領(lǐng)域之間傳遞知識(shí)，也是產(chǎn)生和形成新的科學(xué)思想與發(fā)明的重要思維方法。

例如，從微小粒子是光等粒子這一事實(shí)中，德布羅意推斷出微小粒子也有像光一樣的波。因此，他提出了相對(duì)主義的概念，可以展示真實(shí)物體的波動(dòng)理論，這是通過使用適當(dāng)?shù)念惐群皖愃频膶傩约蓪?shí)現(xiàn)的建模效果。

類比聯(lián)想在物理模型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用并非萬能的，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，通過類比聯(lián)想建立的物理模型的正確性和科學(xué)性必須在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)。

（四）等效替代

等效替代是指一種建模方法，如果一個(gè)研究對(duì)象在一個(gè)方面的效果與另一個(gè)研究對(duì)象的效果相同，或者某一個(gè)方面兩個(gè)研究對(duì)象的物理過程有共同的結(jié)果，則可以相互替換。等效替代將更復(fù)雜的物理現(xiàn)象和物理過程轉(zhuǎn)化為等效、簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象與過程，以便更好地優(yōu)化這個(gè)問題。4A02A196-6C83-430C-8B2B-6CDFDD91B1EA

變速運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)勻速度運(yùn)動(dòng)，引入了“平均速度”的概念;交流電對(duì)應(yīng)直流電，引入“電流的有效值”“電壓的有效值”的觀念;電容、電感對(duì)交流電的作用對(duì)應(yīng)電阻，引入“容抗”“感抗”的理念等。

例如，在一組電路中，有兩個(gè)電阻器是串聯(lián)的，原來的阻值之和就是總電阻，如果兩個(gè)電阻器是并聯(lián)連接的，那么總電阻是原來阻值倒數(shù)之和的倒數(shù)，這里所謂的總電阻就是等效的原值，是獨(dú)立于等效方法的類型。這種思維方法的規(guī)則只有一種，即為了保持效果不變，不同屬性的力可以組合起來獲得等效的力量，工作和傳熱在改變物體的內(nèi)部能量方面是等價(jià)的，但它們本質(zhì)上是不一樣的。

有了等效的概念，泄漏電流的電容器可以對(duì)應(yīng)與電阻器平行的理想電容器，有電阻的線圈與電阻器串聯(lián)的理想線圈相對(duì)應(yīng)。實(shí)際電源對(duì)應(yīng)于連接到內(nèi)部電阻器的理想電源，即使在處理不同的物理問題時(shí)，也可能存在某些方法的等價(jià)性，如力學(xué)和幾何光學(xué)的等價(jià)性、電磁和機(jī)械數(shù)量等。物體運(yùn)動(dòng)之間的相互作用往往比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)物理物體和另一個(gè)（或幾個(gè)）物理物體在同一場(chǎng)景中同時(shí)作用，人們往往把物理事物復(fù)雜化為等效簡(jiǎn)單、易于研究的物理事物，這種方法被稱為“等效替換”，是解決物理問題的重要思想，相同或不同的問題可以通過等效等同于典型模型。

有些物理過程是隱藏的、復(fù)雜的，很難直接研究，而等效替代可以用來創(chuàng)建適當(dāng)?shù)牡刃锢砟Ｐ停又庇^、簡(jiǎn)單，更容易學(xué)生直接學(xué)習(xí)。例如，在LC振蕩電路的研究中，鐘擺振動(dòng)模型用于模擬電磁振蕩過程。在LC振蕩電路的充電和放電過程中，電流、電容器板之間的電壓、場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)能量、線圈中的磁場(chǎng)能量等物理量的變化，可以在一周內(nèi)通過簡(jiǎn)單鐘擺運(yùn)動(dòng)序列中的相應(yīng)物理數(shù)量進(jìn)行比較和分析。筆者發(fā)現(xiàn)，雖然簡(jiǎn)單的鐘擺和LC振蕩電路的結(jié)構(gòu)不同，但它們的動(dòng)態(tài)特性會(huì)隨著時(shí)間而改變，所以可以創(chuàng)建相應(yīng)的替代模型。

再例如，筆者在物理課上遇到這樣一個(gè)例子：長(zhǎng)度L的光滑鋼絲纏繞成H高度的彈簧，彈簧垂直連接到地面?，F(xiàn)在，一個(gè)小環(huán)被放在鋼絲上，從最高點(diǎn)釋放到其余點(diǎn)，小環(huán)沿著彈簧滑向最低點(diǎn)的時(shí)長(zhǎng)。顯然，這個(gè)問題的物理過程更加微妙和復(fù)雜。此時(shí)，我們需要將隱藏改為直觀，將復(fù)雜化為簡(jiǎn)單，并使用等效替代創(chuàng)建物理模型。螺旋運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于傾斜平面上的線性運(yùn)動(dòng)，球體可以認(rèn)為是物體在長(zhǎng)度L和高度H的光滑傾斜平面上靜止滑出的過程，采用牛頓第二定律能很容易解決?？梢姡刃娲梢宰鳛榻鉀Q難題和簡(jiǎn)化難題的重要思維方式來發(fā)揮作用。

（五）假設(shè)驗(yàn)證

物理建模中，假說是重要方法。恩格斯說：“只要自然科學(xué)在思維著，它的發(fā)展形式就是假說?！奔僬f建模是指在現(xiàn)有理論事實(shí)的基礎(chǔ)上，在物理現(xiàn)象的真相不明的情況下，創(chuàng)造新的物理模型，從根本上揭示物理現(xiàn)象的本質(zhì)的方法。該模型可以解釋現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)事實(shí)并預(yù)測(cè)可能的結(jié)果。假說是對(duì)物質(zhì)本質(zhì)的不完全概括。因此，假說方法創(chuàng)造的模型必須根據(jù)條件的變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、補(bǔ)充和完善。例如，為了創(chuàng)建原子核模型，每個(gè)重大發(fā)展都基于相應(yīng)原子核模型（假設(shè)結(jié)構(gòu)）的變化，然后使用新的實(shí)驗(yàn)或事實(shí)驗(yàn)證其正確性。

四、結(jié)語

構(gòu)建物理模型對(duì)提升課程教學(xué)質(zhì)量有著重要作用和影響，能夠簡(jiǎn)化問題，發(fā)展學(xué)生的想象力，提升學(xué)生的思維能力，推進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。而高中物理教材中含有豐富的建模內(nèi)容，教師應(yīng)充分利用課堂建模的相關(guān)材料，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模的技能，提高學(xué)生的思維素質(zhì)和專業(yè)表現(xiàn)能力。

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※本文系吉林省高等教育教學(xué)改革立項(xiàng)課題“面向新工科的示范性工程創(chuàng)新訓(xùn)練中心建設(shè)與管理研究”。

（作者單位：吉林師范大學(xué)物理學(xué)院）4A02A196-6C83-430C-8B2B-6CDFDD91B1EA