物理模型思想在教學(xué)中的應(yīng)用

王付萍

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)最普遍、最基本的運動形式的自然科學(xué)。物理學(xué)為自然界的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的相互作用和運動規(guī)律提供一幅幅絢麗多彩、結(jié)構(gòu)嚴謹?shù)膱D畫。而所有的自然現(xiàn)象都不是孤立的，這種事物之間復(fù)雜的相互聯(lián)系，一方面反映了必然聯(lián)系的規(guī)律性，同時又存在著許多偶然性，使我們的研究產(chǎn)生了復(fù)雜性。為了形象、簡捷的處理物理問題，人們常把復(fù)雜的實際情況轉(zhuǎn)化成一定的、容易接受的、簡單的物理情境，從而形成一定的經(jīng)驗性的規(guī)律，即建立物理模型。物理模型是在抓住主要因素、忽略次要因素的基礎(chǔ)上建立起來的，它能具體、形象、生動、深刻地反映事物的本質(zhì)和主流。

一、認識物理模型

模型一詞，在西文中源于拉丁文的nlodulus，意思是尺度、樣本、標(biāo)準(zhǔn)。錢學(xué)森給模型下了這樣的定義：“模型就是通過對問題現(xiàn)象的分解，利用我們考慮得來的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所創(chuàng)造出來的一幅圖畫……”。物理模型就是在一定的場合和條件下，考慮對實際物理現(xiàn)象來說是主要的、本質(zhì)的特征，忽略次要的、非本質(zhì)的因素，這種處理問題的方法，叫做物理抽象。被抽象出來的物理現(xiàn)象雖不再是原來的實際的物理現(xiàn)象，但它能反映出原來實際現(xiàn)象發(fā)展變化的基本規(guī)律，稱為原來實際物理現(xiàn)象的物理模型。

例如，正在平直公路上行駛的汽車，車身在平動；車輪在轉(zhuǎn)動；還有組成發(fā)動機的一些看不見的運動：發(fā)動機的內(nèi)燃機中的熱運動和電磁運動以及構(gòu)成汽車材料的分子和原子的運動等等。我們?nèi)绾蚊枋銎嚨倪\動?在汽車一系列復(fù)雜的運動中，我們要研究的是汽車運動的快慢，那么只需考慮車身的平動，忽略其他運動形式，于是汽車的實際運動被想像的簡化為一個有質(zhì)量的點在一條直線上的運動。

一個物體在地面附近由靜止下落的運動，是物理學(xué)中的一種非常簡單的運動。但對于這樣簡單的運動，如果不建立質(zhì)點模型，也會變得無從下手。因為物體下落時，影響運動的因素很多。首先是重力，根據(jù)萬有引力定律可知，它將隨著物體的下落而改變；其次是物體受到空氣的阻力，它與物體的形狀、大小和下落的速度有關(guān)，同時還與風(fēng)速、風(fēng)向、物體下落中的轉(zhuǎn)動有關(guān)。如果我們要綜合考慮這些因素，找出物體下落的規(guī)律，就十分困難。這時，我們可從分析著手，物體從靜止開始下落的根本原因是受重力的作用，重力在物體下落中變化極小，可處理成不變；當(dāng)物體下落過程中速度不大時，阻力較小，也可忽略，同時，也可不計地球的自轉(zhuǎn)、風(fēng)速以及物體的轉(zhuǎn)動等因素的影響，這樣就可將物體抽象成一個質(zhì)點，將運動過程抽象成只受重力作用下的一種運動，稱之為自由落體運動，我們就能方便的研究出物體下落的規(guī)律。

觀察實驗表明：兩靜止帶電體間的靜電力關(guān)系與電量和相對位置有關(guān)，還與帶電體的大小、形狀、電荷的分布情況以及周圍的介質(zhì)等因素有關(guān)，要用實驗直接確立所有這些因素對靜電力的影響是非常困難的。但是，在帶電體線度比它們間的距離小得多的情況下，那么，靜電力就基本上只取決于它們的電量及其之間的距離，這時，我們就可忽略帶電體的大小、形狀、電荷分布等次要因素，將帶電體視為只帶有電量的一個幾何點——點電荷。這一對實際研究對象的抽象，恰是建立庫侖定律的基礎(chǔ)，也是電磁理論得以建立的基礎(chǔ)。

在研究物體的機械運動時，實際上的運動往往非常復(fù)雜，不可能有單純的直線運動、勻速運動、圓周運動。為了使研究變?yōu)榭赡芎秃喕?，我們常采取先忽略某些次要因素，把問題理想化的方法，如引入勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動和簡諧運動等理想化的運動。這就是先建立物理模型，然后在一定條件下，用于處理某些實際問題。

從這些例子的分析中可以看出，物理模型是一個理想化的形態(tài)，它最明顯的特點就是摒棄了原型中影響問題的各種次要因素，抓住了主要因素，對研究對象做了極度的簡化和純化的處理，從而使我們得以通過研究模型來認識原型中各種本質(zhì)的特征及其必然聯(lián)系，建立物理概念，得出物理規(guī)律，形成物理理論?？梢哉f，物理模型是物理規(guī)律和物理理論賴以建立的基礎(chǔ)，各種物理模型的出現(xiàn)正是物理學(xué)向深度和廣度發(fā)展的重要標(biāo)志。

二、物理模型思想在教學(xué)中的應(yīng)用

理想的物理模型，即是物理科學(xué)體系中光輝的典范，也是解決現(xiàn)實物理問題不可或缺的依據(jù)，其重要性不言而喻。所以，教師在傳授知識的過程中，要根據(jù)實際課時的內(nèi)容安排，及時向?qū)W生強調(diào)基本物理模型建立的過程和條件，并要求學(xué)生牢固把握這些基本的物理模型，并且在具體應(yīng)用解決物理問題時，引導(dǎo)學(xué)生如何根據(jù)題設(shè)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，略去非本質(zhì)的次要因素，使思維從紛繁復(fù)雜的具體問題中抽象、構(gòu)造出我們熟悉的簡單的物理模型，然后應(yīng)用掌握的相關(guān)知識予以解決。當(dāng)然，對學(xué)生這種能力的要求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(xué)的始終。要循序漸進地啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，使學(xué)生逐步熟悉并掌握這種科學(xué)研究的思維方法。養(yǎng)成良好的思維品質(zhì)，使構(gòu)建物理模型的意識真正成為學(xué)生思考問題的方法與習(xí)慣。

我們中學(xué)已學(xué)過的物理模型主要有：

(1)理想對象模型(如質(zhì)點、理想氣體、點電荷、單擺、理想變壓器、純電阻、點光源等)。

(2)理想條件模型(如光滑平面、輕桿、輕繩、均勻分布、勻強電場、緩慢等)。

(3)理想過程模型(如勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動、簡諧振動、等溫過程、彈性碰撞等)。

(4)對象理論模型(如理想氣體的分子模型、經(jīng)典金屬導(dǎo)電模型、哥白尼關(guān)于天體運行的太陽系模型、湯姆生的“葡萄干布丁”與盧瑟福的“核式結(jié)構(gòu)”的原子模型、光的波粒二象性模型、波爾與夫金克夫等關(guān)于原子核的液滴模型等)。

三、學(xué)生建模過程中的主要思維障礙

通過對學(xué)生的調(diào)查、分析、研究，學(xué)生在建模中主要存在以下思維障礙：

1缺乏模型意識，對概念和規(guī)律掌握不深刻。表現(xiàn)為概念和規(guī)律的模型意識不強和相關(guān)模型知識準(zhǔn)備不足，在概念、規(guī)律的學(xué)習(xí)中，對模型的形象不清晰。

例如，在機械能守恒定律的應(yīng)用中，往往認為外力和為零機械能守恒，而忽略機械能守恒定律的真正條件應(yīng)為除重力和彈力以外其他外力做功代數(shù)和為零。

再如：公式W=UIt和Q=I²Rt在任何時候都把它們等同應(yīng)用。

2不清楚建立物理模型的方法和要求。對物理模型方法知之甚少，以質(zhì)點為例：大部分同學(xué)知道質(zhì)點是物理模型，但只有部分同學(xué)知道為什么要建立，是如何建立的。這也可以從質(zhì)點的應(yīng)用過程中反映出來。例如：在汽車、火車的轉(zhuǎn)彎中，不能把汽車、火車作為質(zhì)點而把問題復(fù)雜化。

3思維定勢的影響。不會應(yīng)用模型方法解決實際問題，表現(xiàn)為經(jīng)驗?zāi)Ｐ退季S定勢的束縛，造成了思維

方向的偏離，使思維展開受到干擾。

例如。汽車在平直的公路上以20 m/s的速度前進。關(guān)閉油門后做勻減速直線運動，加速度是4 m／s²，問汽車在關(guān)閉油門8s內(nèi)前進的位移是多少?實際上汽車運動了5 s后就停止了，后3 s處于靜止?fàn)顟B(tài)，大部分學(xué)生沒有對過程進行分析就已經(jīng)把整個過程當(dāng)作了勻減速直線運動進行處理，這就是思維定勢產(chǎn)生的消極影響。

4沒有掌握相應(yīng)的建模方法和技能。

例如。在變壓電場中有電子通過。因為通過時間遠小于電壓變化的時間，所以最后可以看成是穩(wěn)壓電場，電子所受重力遠小于電場力，所以可以建立類平拋運動的模型。很多同學(xué)對此類題無從下手就是因為不會用近似的方法進行建模。

例1正在平直公路上行使的汽車突然發(fā)現(xiàn)前面出現(xiàn)了一堵墻，為了盡可能避免碰到墻壁，汽車急剎車好，還是馬上轉(zhuǎn)彎好?為什么?

例2估算大氣層空氣的總質(zhì)量。

這兩個題目都與生活聯(lián)系比較緊密，它需要學(xué)生自己確定研究對象，設(shè)置已知量與未知量，運用物理規(guī)律，選擇研究方法。學(xué)生普遍反映不知從何著手。不知道往什么方向想問題，不知如何應(yīng)用物理概念和規(guī)律。他們習(xí)慣于做有數(shù)字運算的題，對這類題目，老師沒講過，當(dāng)然不會做。思維呈現(xiàn)出自我封閉狀態(tài)。

正因為如此，學(xué)生普遍感覺高中物理難學(xué)，這主要是因為學(xué)生習(xí)慣于初中物理的形象思維方式，只要記概念、規(guī)律的靜態(tài)結(jié)論，而不重視得出結(jié)論的發(fā)展過程；只會依蘆葫畫瓢，模仿性地解決一些簡單的物理問題。而不善于通過觀察分析。提煉出現(xiàn)實情景的物理模型。筆者認為，高中物理一定要重視建模意識的培養(yǎng)。從而達到培養(yǎng)靈活性、發(fā)散性、創(chuàng)造性思維的能力。

模型化階段是物理問題解決過程中最重要的一步，模型化正確與否或合理與否。直接關(guān)系到物理問題解決的質(zhì)量。培養(yǎng)模型化能力。即使在問題解決過程中依據(jù)物理情景的描述。正確選擇研究對象。抽象研究對象的物理結(jié)構(gòu)。抽象研究對象的過程模式。因此教師的實際的教學(xué)實踐過程中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生運用物理模型解決物理問題的思維和能力

運用物理模型解題的基本程序有：

(1)通過審題。攝取題目信息。如：物理現(xiàn)象、物理事實、物理情景、物理狀態(tài)、物理過程等。

(2)弄清題給信息的睹多因素中什么是主要因素。

(3)尋找與已有信息(熟悉的知識、方法、模型)的相似、相近或聯(lián)系，通過類比聯(lián)想或抽象概括或邏輯推理或原型啟發(fā)，建立起新的物理模型。將新情景問題轉(zhuǎn)化為常規(guī)問題。

(4)選擇相關(guān)的物理規(guī)律求解。

基于物理模型化在教學(xué)中的重要作用。教師對物理模型化教學(xué)的研究焦點不能只局限于模型在解題中的應(yīng)用，而忽視了模型本身在認知方而和提高學(xué)生的能力方面的重要作用。研究如何建立物理模型的同時。更應(yīng)注重如何系統(tǒng)地進行物理模型教學(xué)，以更好的提高教學(xué)效果。