朱義基

【摘? 要】本文從物理模型的分類(lèi)出發(fā)，探討在高中物理模型教學(xué)中培樣學(xué)生的抽象思維能力、模型思維能力、等效思維能力和類(lèi)比思維能力的方法，從而提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中物理;模型教學(xué);思維能力

2020年修訂版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》將“注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)”這一基本理念放在首要的位置。關(guān)于物理學(xué)科核心素養(yǎng)我們可以從四個(gè)方面進(jìn)行概括：（1）物理觀念;

（2）科學(xué)思維;（3）科學(xué)探究;（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。對(duì)于其中的科學(xué)思維，模型建構(gòu)是科學(xué)思維諸多要素中的第一要素，下面筆者就高中物理模型教學(xué)與思維能力培養(yǎng)談?wù)剛€(gè)人的一點(diǎn)拙見(jiàn)，以供同行參考。

一、物理模型的分類(lèi)

物理模型是一種高度抽象的、理想化的心理構(gòu)造物，是科學(xué)抽象與高度概括的結(jié)果。根據(jù)理想化的對(duì)象不同，一般分為以下三類(lèi)：

（一）對(duì)象模型

對(duì)象模型是針對(duì)某一具體研究對(duì)象的特點(diǎn)，依據(jù)研究的目的和要求，提取其主要因素，而忽略或者淡化次要因素，建立一種能夠體現(xiàn)研究對(duì)象主要特征的理想化、抽象化模型。如高中物理中的質(zhì)點(diǎn)、離子、單擺運(yùn)動(dòng)、理想氣體、點(diǎn)光源、盧瑟福模型、光線(xiàn)、波爾模型、薄透鏡等。

（二）過(guò)程模型

物理過(guò)程一般都比較復(fù)雜，會(huì)受到多種因素的影響，為了研究方便，常會(huì)抓住主要因素、舍棄次要因素，建立能夠揭示事物變化本質(zhì)的理想過(guò)程。如力學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞等;熱學(xué)中的等溫變化、等壓變化、等容變化、絕熱變化等。

（三）結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型是基于實(shí)際觀察和實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用合理的物理邏輯思維，簡(jiǎn)化描述研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、相互作用及運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。例如，安培分子電流假說(shuō)、盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型、玻爾的準(zhǔn)量子化原子模型等。

二、在物理模型建構(gòu)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力

抽象思維是思維的一種形式，它是指從事物的諸多復(fù)雜屬性中，提取其本質(zhì)屬性，舍棄其他非本質(zhì)屬性的一種思維過(guò)程。對(duì)物理模型建構(gòu)過(guò)程的本質(zhì)進(jìn)行分析，其屬于一個(gè)科學(xué)抽象過(guò)程的范疇，每個(gè)建構(gòu)模型的教學(xué)過(guò)程都是培養(yǎng)和提高學(xué)生思維能力的極好機(jī)會(huì)。在物理教學(xué)中，向?qū)W生展示建構(gòu)模型的多種思維方法：分析與綜合、抽象與概括、歸納與類(lèi)比等，通過(guò)模型的建構(gòu)培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合、比較、抽象、概括、推理等思維能力。例如，在自由落體運(yùn)動(dòng)模型的建構(gòu)過(guò)程中，如何消除學(xué)生原有的生活經(jīng)驗(yàn)的影響是教學(xué)的難點(diǎn)，可以通過(guò)演示硬幣和紙片的運(yùn)動(dòng)來(lái)再現(xiàn)生活經(jīng)驗(yàn)，然后將紙片揉成紙團(tuán)，再和硬幣從相同的高度同時(shí)下落，看誰(shuí)下落得快（幾乎一樣快），從而激起學(xué)生的思維沖突，引導(dǎo)學(xué)生思考自然現(xiàn)象背后隱藏的規(guī)律——下落快慢不同是因?yàn)榭諝庾枇Φ挠绊?，猜想在沒(méi)有空氣阻力的情況下輕重不同的物體下落的快慢會(huì)怎樣？接著通過(guò)演示牛頓管實(shí)驗(yàn)，得到“在沒(méi)有空氣阻力的情況下，重的物體與輕的物體下落得同樣快”的結(jié)論。然后運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)一步研究落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，得到自由落體的運(yùn)動(dòng)模型。

在模型教學(xué)中，要注意讓學(xué)生理解和掌握模型的建構(gòu)過(guò)程，了解如何將具體的事物經(jīng)過(guò)抽象后納入此模型，明確模型建構(gòu)的具體條件，并讓學(xué)生從多個(gè)方面了解模型的各種變形，防止學(xué)生形成僵化思維或固化思維。

比如，單擺模型是把擺球視作質(zhì)點(diǎn)，忽略空氣對(duì)擺球的阻尼作用，擺球在重力和繩子拉力共同作用下，在豎直平面內(nèi)作擺角極?。é?lt;5°）的振動(dòng)。繩子在擺球擺動(dòng)過(guò)程中提供的是一種指向圓心的拉力，具有約束作用。同時(shí)，圓弧也可以限定擺球擺動(dòng)過(guò)程，它同樣具有約束作用，原因在于兩者的本質(zhì)是一樣的。因此，小球在光滑圓弧軌道的最低點(diǎn)附近所做的往復(fù)運(yùn)動(dòng)也是單擺模型。

三、在應(yīng)用物理模型解題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的模型思維能力

模型思維是一種綜合性的思維，就是對(duì)問(wèn)題建立體系框架，用系統(tǒng)化的方式解決問(wèn)題的思維方式。在許多領(lǐng)域都可以看到，如在棋類(lèi)世界，人們通過(guò)掌握棋譜而成為高手。通過(guò)建構(gòu)物理模型培養(yǎng)學(xué)生的模型思維意識(shí)，可以幫助學(xué)生理解和掌握復(fù)雜物理知識(shí)的本質(zhì)屬性，引導(dǎo)學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)舉一反三、觸類(lèi)旁通，達(dá)到事半功倍的效果。物理解題的過(guò)程實(shí)質(zhì)是將題目所給的情境抽象成一個(gè)或幾個(gè)物理模型，然后運(yùn)用相應(yīng)的規(guī)律求解。在習(xí)題教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)建構(gòu)物理模型來(lái)解決問(wèn)題，是培養(yǎng)模型思維能力的重要環(huán)節(jié)。在用模型法解題時(shí)，應(yīng)注意每種模型都有限定的適用條件和適用范圍，綜合考慮所研究問(wèn)題的性質(zhì)和目的，正確選擇對(duì)應(yīng)的物理模型，不能隨意亂用模型，亂套公式。

高中物理的課外習(xí)題以及高考試題中所涉及的物理模型，它們的建構(gòu)難度略高于課本中的基本模型，屬于綜合性的物理模型，這就需要我們進(jìn)一步建構(gòu)一些綜合性的“系統(tǒng)模型”來(lái)解決問(wèn)題。比如，追及模型、傳送帶模型、板塊模型、子彈打木塊模型、爆炸模型、電磁軌道上的雙桿模型等。重視這些系統(tǒng)模型的建構(gòu)和應(yīng)用，總結(jié)其規(guī)律和方法，有利于學(xué)生模型思維能力的發(fā)展。

四、在物理模型變換的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的等效思維能力和類(lèi)比思維能力

歷屆高中學(xué)生均反映物理學(xué)習(xí)起來(lái)很難，盡管上課時(shí)聽(tīng)起來(lái)很有趣味，但在實(shí)際做題時(shí)卻不會(huì)。許多學(xué)生很困惑：明明記住了物理教材中的許多公式，但在面對(duì)一個(gè)新的情境時(shí)卻不知道該用哪個(gè)公式，或如何運(yùn)用這些公式去解決實(shí)際的問(wèn)題。究其原因，根本在于學(xué)生缺乏從具體問(wèn)題抽象出一個(gè)物理模型的能力。也就是說(shuō)，或缺乏對(duì)公式的深入理解，或缺乏對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析能力，或缺乏在公式與實(shí)際問(wèn)題之間建立某種聯(lián)系的能力。因此，要想讓學(xué)生構(gòu)建起良好的模型思維，就不可忽視對(duì)學(xué)生加強(qiáng)模型變換能力的培養(yǎng)。

等效變換和類(lèi)比變換是常見(jiàn)的兩種模型變換方式。

等效思維就是將某個(gè)陌生而又復(fù)雜的實(shí)際物理對(duì)象或者物理過(guò)程用一個(gè)理想狀態(tài)下的簡(jiǎn)單而又熟悉的物理對(duì)象或者物理過(guò)程來(lái)代替的一種思維方法。我們?cè)诜治鼍唧w的物理問(wèn)題時(shí)，可以將題目給定的物理現(xiàn)象抽象出一種模型，然后與我們?cè)?jīng)熟悉的模型進(jìn)行比較，尋找它們的共性特征，辨識(shí)其中的差異，只要物理本質(zhì)相同，就可用此模型進(jìn)行替代，從而獲得解決問(wèn)題的方法或者思路，這便是等效法。

例1： 如圖1所示，帶有光滑弧形軌道的小車(chē)質(zhì)量為m，放在光滑水平面上，一質(zhì)量也為m的鐵塊，以速度v沿軌道水平端向上滑去，至某一高度后再向下返回，則當(dāng)鐵塊回到小車(chē)右端時(shí)，將（? ? ）。

A.以速度v做平拋運(yùn)動(dòng)

B.以小于v的速度做平拋運(yùn)動(dòng)

C.靜止在車(chē)上

D.自由下落

解析：由于鐵塊和小車(chē)組成的系統(tǒng)在整個(gè)作用過(guò)程中所受外力為零（動(dòng)量守恒），也沒(méi)有機(jī)械能損失（機(jī)械能守恒）。所以，可以將鐵塊滑上小車(chē)圓弧軌道又返回的全過(guò)程等效為：一個(gè)小球以初速度v與另一個(gè)靜止小球發(fā)生彈性碰撞的過(guò)程，由于質(zhì)量相等，發(fā)生速度交換。當(dāng)鐵塊返回到小車(chē)右端時(shí)，以地面為參考系，小車(chē)的速度為v，鐵塊的速度為零，因此，鐵塊做自由落體運(yùn)動(dòng)，故選D。

類(lèi)比思維是根據(jù)兩個(gè)研究對(duì)象，在某些屬性上類(lèi)似而推測(cè)其他屬性也類(lèi)似的思維方法。我們可以根據(jù)題目給定的信息提取出一種物理模型，然后與我們熟悉的模型去進(jìn)行類(lèi)比，如果兩者的物理本質(zhì)不同，則可以運(yùn)用辯證思維，尋找兩者能夠發(fā)生關(guān)聯(lián)的因素，從而獲得某種啟發(fā)或相同的結(jié)果，這便是類(lèi)比法。

例2：如圖2所示，光滑弧形軌道和一足夠長(zhǎng)的光滑水平軌道相連，水平軌道上方有一足夠長(zhǎng)的光滑金屬桿，桿上掛有一足夠長(zhǎng)的螺線(xiàn)管A，在弧形軌道上高為h的地方，無(wú)初速釋放一磁鐵B（可視為質(zhì)點(diǎn)），B下滑至水平軌道時(shí)恰好沿螺線(xiàn)管A的中心軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)A、B的質(zhì)量分別為M、m，試求：

（1）螺線(xiàn)管A獲得的最大速度;

（2）螺線(xiàn)管與電阻R組成的回路中產(chǎn)生的焦耳熱。

解析：磁體B進(jìn)入螺線(xiàn)管的過(guò)程和“子彈打木塊（未穿出）”的物理模型類(lèi)似，這里螺線(xiàn)管A中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙磁體和螺線(xiàn)管間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁鐵與螺線(xiàn)管間的排斥力跟子彈在木塊中相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力的作用類(lèi)似，將機(jī)械能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，同時(shí)將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能（內(nèi)能）。以A、B為研究對(duì)象，它們所受的合外力為零，動(dòng)量守恒，當(dāng)A、B速度相等時(shí)，相互作用結(jié)束，螺線(xiàn)管獲得的速度最大。根據(jù)以上分析可得：

（1）設(shè)磁體B滑至水平軌道時(shí)的速度為v0，根據(jù)機(jī)械能守恒定律得：

在水平軌道上磁體B與螺旋管A相互作用，當(dāng)二者速度相等時(shí)A獲得最大速度vm，根據(jù)動(dòng)量守恒定律得：

上述兩式聯(lián)立，可解得：

（2）回路中產(chǎn)生的焦耳熱等于系統(tǒng)損失的機(jī)械能，即：

總之，物理模型的建構(gòu)與應(yīng)用在高中物理教學(xué)中有非常重要的地位，而物理模型教學(xué)與思維能力的培養(yǎng)是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)、相輔相成的，二者的有機(jī)統(tǒng)一有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。