徐曉舟

摘 要：本文結合當前新課程改革的形勢和高中物理教學的特點，簡要介紹了物理模型的產(chǎn)生、類型及作用，重點分析在高中物理教學中培養(yǎng)學生物理建模能力的教學實踐研究。主要調查了學生對物理模型的掌握情況，針對克服薄弱環(huán)節(jié)開展研究，并進行了教學實踐。

關鍵詞：高中物理教學；學生建模能力 ；物理模型 ；建模方法

與上屆畢業(yè)生舉行高三經(jīng)驗交流會時，一位學生跟我說：“我現(xiàn)在想不起什么物理題了，只記得彈簧彈來彈去，滑塊在斜面上滑來滑去，子彈與木塊碰來碰去，帶電粒子在電磁場中飛來飛去；同時他們之間用一些動量守恒、能量守恒的規(guī)律加以聯(lián)系?！睂嶋H上，他講的就是將物理思維運用到實際問題的一種建模思想。

高中課程的教學過程中大多數(shù)研究的對象是一些物理模型，這些物理模型既源于實踐，又高于實踐，在我們的生活、生產(chǎn)、科技領域中帶有共性特征，具有一定的抽象概括性。在構建物理模型的過程中，學生可以深刻理解學科知識，形成科學的態(tài)度，掌握科學的方法，提高分析問題解決問題的能力。我認為做一個好老師并不僅是將課本知識的來龍去脈講得一清二楚，更重要的是如何依據(jù)學生原有的認知結構，通過感覺、知覺、想像、思維等形式，將物理概念、理論、規(guī)律、科學品質等內化為學生解決物理問題的能力。

一、建立物理模型能力的教學實踐

物理學中的知識點都是通過適當建模獲得的，教學實質是物理模型的教學，熟悉并掌握這些常見的物理模型是提高物理建模能力的基礎。高中物理中出現(xiàn)的質點、輕質繩、彈簧、點電荷、理想氣體、原子核式結構……勻速直線運動、勻加速直線運動、簡諧振動等理想化模型，它們不僅是重要的教學內容，也是指導學生掌握建模的一般方法的好素材。

教學中，充分展示每一物理量引入的原因、得出的過程、它和要解決的問題是如何關聯(lián)在一起的，使學生準確、全面地把握其物理意義；利用物理實驗引導學生去探究發(fā)現(xiàn)，利用圖形圖片、電視錄像、多媒體課件等現(xiàn)代教育技術手段再現(xiàn)知識發(fā)生發(fā)展的變化過程，這樣就可以降低學生學習的難度，并將物理學研究問題的方法和物理思想寓于情景的建立和分析過程中，促進學生開展分析問題的思維活動，自然地悟出其中的道理和規(guī)律。在潛移默化的過程中，學生逐漸掌握分析物理過程、建立正確物理情景和模型的一般方法，從而建立出準確的物理模型。

案例1：在電場強度這一概念的教學中，首先拋出問題：如何描述電場中各點力的性質？從而引出電場強度這一概念；接著介紹得出這一概念的過程：為了研究這一問題，需借助試探電荷受力來分析（將同一試探電荷放在電場中不同點，研究其受力情況；再將不同電荷放入電場中同一點，研究其受力情況?？偨Y規(guī)律得出場強的定義）；最后說明它是如何反映電場中各點力的性質的，使學生準確、全面地把握其物理意義。

教學中必須強化學生的模型意識，使學生知道我們在物理學中研究的是理想模型、是對客觀世界的概括、理想化，它能起到排除次要因素、簡化研究對象的作用。在每一概念、定律的學習過程中，都要通過與學生的共同討論，明確它是適用于什么樣的物理模型，在什么樣的條件下才有這樣的模型；每一個模型建立的基礎是什么，條件做了哪些理想化，具有什么特點。同時要比較這一模型與實際情況的區(qū)別。因為物理模型是從大量實際現(xiàn)象中總結、抽象出來的，因此，一個物理模型通常對應了大量的客觀問題，當我們遇到新的物理情境，但卻是舊的物理模型時，要特別注意將它講清楚，使新問題納入舊模式中。學生通過這樣不斷的同化—順應—同化，認識不斷提高，最終對物理模型的理解才能不斷地提高、深化、豐富，才能實現(xiàn)所謂的“將一本厚的書讀薄，再將這薄的書變厚”。

案例2：構建自由落體運動模型——讓學生先自學有關自由落體的教材內容后提出以下問題并設計實驗驗證。

（1）人們通常是怎樣看待自由落體運動的？

[演示Ⅰ]硬幣和白紙從同一高度由靜止開始同時下落，觀察下落速度，從表面上看得到結論，“物體越重，下落得越快”。

（2）“物體越重，下落得越快”正確嗎？

[演示Ⅱ]將兩張相同的白紙，一張水平，一張豎直，從同一高度由靜止開始同時下落，觀察下落速度，水平下落的慢，豎直下落的快。顯然“物體越重，下落得越快”是不正確的。

（3）影響物體下落快慢的因素是什么？

[演示Ⅲ] 取兩張相同的白紙，將其中一張揉成紙團和另一張白紙從同一高度由靜止開始下落，觀察下落速度，不難發(fā)現(xiàn)影響物體下落快慢的因素是空氣阻力。

（4）若減小空氣阻力對運動物體的影響會如何呢？

[演示Ⅳ]牛頓管中的物體下落，將事先抽過氣的牛頓管內的硬幣與輕雞毛從靜止一起下落，實驗結果是二者幾乎同時落到牛頓管的下端，硬幣落下有聲，眼睛可直接觀察雞毛下落，將牛頓管放入空氣再做實驗情況就截然不同了。

結論：在初速度為零的實際落體問題中有空氣時，當物體的密度不太小，速度不太大（高度不太高），空氣的阻力很小，可以忽略不計時，物體的下落運動就近似看成是自由落體運動。

自由落體運動是一種理想化的運動模型，通過模型的構建過程，學生可以體會抓住主要因素忽略次要因素的理想化方法，幫助學生建立起清晰的物理情景，使物理問題簡單化。

在建立物理模型能力的教學實踐過程中，要讓學生掌握抓住主要因素、忽略次要因素的理想化方法，同時還要及時糾正學生的一些偏激理解，比如認為理想化不夠精確、脫離實際，對教師導出的某公式所采用的近似方法表示不可理解之類。我們要及時指出物理模型的特點和功能，使學生深刻理解物理模型的科學性和條件性。

二、識別物理模型能力的教學實踐

在解決實際問題過程中，能夠迅速準確地識別出題中涉及的物理模型，并應用相應的物理原理及規(guī)律，是問題能否得以順利解決的關鍵。這種識別模型的能力必須通過實際的培養(yǎng)和訓練才能掌握。

首先在物理課上，練習中遇到與模型有關的問題時，要讓學生明白建立模型對解決問題所起的作用，體會建立物理模型在物理學理論發(fā)展過程中的意義。

案例3：如圖勁度系數(shù)為k的彈簧一端固定于墻壁，另一端連著質量為M的物體，物體靜止于光滑水平面的O點上，先有一質量為m的子彈以水平速度v0射進且留在物體中，試問最少需要多少時間物體又到達O點？物體的最大位移是多少？

此題對象比較多，有墻壁、彈簧、物體、子彈，應以什么物體為研究對象呢？可以通過如下的設問啟迪學生思維：

（1）子彈射入物體的過程做什么運動？能否把子彈看成質點？為什么？

（2）從子彈開始射進物體到停留在物體中這一過程時間如何？在此過程中，彈簧的形變怎樣？

（3）這一過程可以取什么為研究對象？建立怎樣的物理模型？為什么？

（4）以后應取什么為研究對象？此對象做什么運動？可以建立怎樣的物理模型？為什么？

通過對問題的思考，領悟到子彈射入物體的過程轉動可忽略，認為子彈射進物體的過程為平動，建立質點系統(tǒng)模型，子彈從開始射進物體到停留在物體中這一過程時間極短，彈簧的形變微小到可以忽略，在此過程中，可取子彈和物體組成的系統(tǒng)為研究對象，沿水平方向系統(tǒng)所受合外力為零，系統(tǒng)的變化為完全非彈性碰撞，從而可建立完全非彈性碰撞過程模型。系統(tǒng)動量守恒，mv0=（m+M）v。又系統(tǒng)獲得速度v的過程很短暫，它們的位移微小到可以忽略，故可以認為系統(tǒng)雖已具有速度v但還處在平衡位置O點處。此后，選取子彈、物體和彈簧組成的系統(tǒng)為研究對象，忽略彈簧質量、空氣阻力與摩擦力，建立彈簧振子模型；振子從平衡位置O處以速度v向左運動的過程，滿足簡諧運動模型。故由簡諧運動周期公式使問題得以解答。

其次建立物理模型必須與所研究的問題相對應。同樣一個物體，在研究不同問題時，對它所建立的物理模型不同。

案例4：一根桿，在研究杠桿平衡時將它視為傳遞力的作用效果的工具；在研究它平動時，可視為質點；在研究它的轉動時，又被當作剛體；研究其小角度擺動時，可作為復擺。這是因為研究問題的角度和要求不同。

案例5：在溫度不太低、壓強不太大的情況下，實際氣體可當作理想氣體來處理，運用理想氣體狀態(tài)方程來解決問題；但在低溫和高壓的情況下，必須考慮氣體分子之間的相互作用力，應用范德瓦爾斯方程解決問題；在新的溫度、壓強條件下，又必須建立新的模型，使用新的方程。

同樣地對于同一個物理過程，可以建立不同的過程模型，而這幾種過程模型可能都不能完全符合實際情況，此時需要選擇一種最接近實際情況的模型作為一級近似。

對于同一自然現(xiàn)象，研究的角度和著眼點不同，可以成為不同的物理模型，甚至包含多個物理模型。為順利解決問題要透過現(xiàn)象還原出這些物理模型；同時要注意把一個實際問題抽象成什么樣的模型，不是以外貌相似為依據(jù)，而要具體問題具體分析，關鍵是要對各種模型的成立條件十分清晰，一旦題目滿足這種條件，如若需要，則可抽象出該模型，并根據(jù)不同模型、不同階段的過程，正確運用相應的物理規(guī)律。

三、應用物理模型能力的教學實踐

物理模型的建立，是人們認識和把握自然的一個典范，是前人的一種創(chuàng)舉。對物理模型的認識和理解也是一個創(chuàng)造性的過程，同時又是一個培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的過程。重要的是在掌握了構建物理模型方法的基礎上，還要在解決實際問題的過程中，學會獨立自覺地通過應用物理模型，抓住主要因素，簡化物理過程，使物理情景形象化，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。

案例6：為研究靜電除塵，有人設計了一個盒狀容器，容器側面是絕緣的透明有機玻璃，它的上下底面是面積A=0.04m2的金屬板，間距L=0.05m，當連接到U=2500V的高壓電源正負兩極時，能在兩金屬板間產(chǎn)生一個勻強電場，如圖所示?，F(xiàn)把一定量均勻分布的煙塵顆粒密閉在容器內，每立方米有煙塵顆粒1013個，假設這些顆粒都處于靜止狀態(tài)，每個顆粒帶電量為q=+1.0×10-17C，質量為m=2.0×10-15kg，不考慮煙塵顆粒之間的相互作用和空氣阻力，并忽略煙塵顆粒所受重力。求合上電鍵后：

⑴經(jīng)過多長時間煙塵顆?？梢员蝗课?？

⑵除塵過程中電場對煙塵顆粒共做了多少功？

⑶經(jīng)過多長時間容器中煙塵顆粒的總動能達到最大？

分析：這是一個電場中的帶電粒子加速運動在靜電除塵實際問題中的應用，解決問題的關鍵在于對所有煙塵顆粒的運動建立模型，每個煙塵顆粒都作初速度為零的勻加速直線運動，可以設想容器中的煙塵顆粒從上到下分成一層一層的顆粒層，每一層的煙塵顆粒的運動完全相同，然后推廣到它們是整體平移的模型，這樣，由點到面再擴展到整個容器的空間，通過建立一個立體的模型，學生就會對整個容器內的每個煙塵顆粒的運動了然于心，問題也就迎刃而解。

物理模型是有限的，而客觀事物是無限的，特別是中學物理，就需要學生對舊模型進行轉換、遷移、虛擬、發(fā)掘題型的物理內涵，以創(chuàng)造新的或復合的模型來解決相對比較復雜的實際問題。為達到這個目標，需設計出有一定針對性的補充強化練習，這類練習應經(jīng)過精心挑選，既要反映基本概念、基本規(guī)律，又要能適應不同的學生的要求，以便學生對模型的內涵能真正的理解，最終實現(xiàn)提高學生自主學習、探究問題的能力的目標。

案例7：在講帶電體在電場中運動時，為培養(yǎng)學生的思維轉換能力，可以如下題進行訓練：如圖所示，一條長為L的細線，上端固定，下端拴一質量為m的帶電小球，將它置于一勻強電場中，電場強度大小為E方向水平向右。已知當細線偏離豎直方向為α時，小球處于平衡狀態(tài)，如果使細線的偏轉角由α增大到φ然后將小球由靜止開始釋放，則φ應為多大，才能使細線在到達豎直位置時小球的速度恰好為零。

此題如果想象人站在平衡位置，等效類比小球在重力場中擺動，將簡諧運動的對稱性模型，轉換到此情景中，很快得出當φ=2α時，才能使細線到達豎直位置時小球的速度恰為零。

由于客觀事物具有多樣性，它們的運動規(guī)律往往是非常復雜的，需要我們慢慢的去積累、去挖掘、去領會。采用理想化的物理模型來代替實在的客體，就可以使事物的規(guī)律具有比較簡單的形式，從而便于同學們去認識和掌握它們，進而建立起正確的構建物理模型思想方法，學生對物理本質的理解更加細致深入，對物理問題的分析更加清晰明了，學生提煉物理模型的過程即是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維的過程。

物理模型既是物理學科體系中光輝的典范，也是解決現(xiàn)實物理問題不可或缺的工具，其重要性不言而喻。所以，教師在傳授知識的過程中，要及時向學生強調基本物理模型建立的過程和條件，并要求學生牢固把握住這些基本的物理模型，并且在解決物理問題時，引導學生如何根據(jù)題設條件，從物理規(guī)律出發(fā)，通過分析、綜合、類比等，突出對所要研究問題起主要作用的因素，略去次要因素，使思維從紛繁復雜的具體問題中抽象出物理模型，然后應用相關知識予以解決。當然，學生這種能力并非一朝一夕就能培養(yǎng)出來的，需要教師把這種建模意識貫穿在教學的始終，循序漸進地啟發(fā)引導學生，讓學生逐步熟悉并掌握這種科學研究的思維方法，養(yǎng)成良好的思維品質，使構建物理模型的意識真正成為學生思考問題的方法與習慣。