物理模型的教學(xué)實(shí)踐探討

游傳政

摘 要：物理模型是物理學(xué)中常見的也是重要的一種研究方法，它把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，幫助我們理解物理規(guī)律。教師應(yīng)用物理模型講解物理知識(shí)時(shí)，更清楚簡(jiǎn)潔；學(xué)生通過對(duì)物理模型的學(xué)習(xí)，能更容易地掌握物理規(guī)律和現(xiàn)象。教師通過總結(jié)各個(gè)物理模型的內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別，找到解決學(xué)生學(xué)習(xí)物理模型過程中遇到的困難的方法，才能真正發(fā)揮物理模型在教學(xué)中的作用。因此，物理模型的教學(xué)實(shí)踐探討顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：物理模型；教學(xué)實(shí)踐；探討

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）7（S）-0003-3

物理學(xué)研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，在研究過程中，實(shí)際的事物和規(guī)律都是錯(cuò)綜復(fù)雜的，常需要對(duì)它們進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，忽略次要因素，突出主要因素。物理模型就是用理想化的方法將實(shí)際中的事物和規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)化，幫助人們理解復(fù)雜事物和規(guī)律，研究不易觀察到的現(xiàn)象，并透過現(xiàn)象，看到本質(zhì)的一種重要的研究方法。在物理教學(xué)過程中，幫助學(xué)生建立和理解物理模型，對(duì)學(xué)生學(xué)好物理起到至關(guān)重要的作用。

1 物理模型的分類

我們談?wù)摰奈锢砟Ｐ图瓤梢允且粋€(gè)實(shí)體，也可以只是一個(gè)抽象的概念，一種分析問題的方法。它是反映特定的物理現(xiàn)象和物理問題的理想化實(shí)體、理想化過程、理想化狀態(tài)、理想化結(jié)構(gòu)。根據(jù)歸納中學(xué)和中職物理所涉及的物理模型，一般分為對(duì)象模型、條件模型和過程模型。

1.1 對(duì)象模型

對(duì)象模型是物理學(xué)所研究的客觀存在的實(shí)際物體，但是通過簡(jiǎn)化抽象建立起來的物理模型?！百|(zhì)點(diǎn)”模型就是其中一種，在力學(xué)中研究某些物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果物體本身的尺寸與研究問題中的距離相比很小，又不考慮物體的轉(zhuǎn)動(dòng)等因素時(shí)，就可以忽略物體的大小和形狀，重點(diǎn)突出物體的質(zhì)量與位置，用一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)來代替整個(gè)物體。如研究地球的公轉(zhuǎn)時(shí)，可以把地球看成是質(zhì)點(diǎn)，而研究地球自轉(zhuǎn)時(shí)就不能看成質(zhì)點(diǎn)了。類似的還有點(diǎn)光源、薄透鏡、點(diǎn)電荷、單擺、彈簧振子、剛體、理想氣體、理想變壓器、原子核式結(jié)構(gòu)等，都是對(duì)象模型。

1.2 條件模型

對(duì)象模型在運(yùn)動(dòng)、變化過程中，總要受到各種條件的制約，使問題變得很復(fù)雜。條件模型就是為了便于研究，忽略次要因素，抓住主要因素，重點(diǎn)突出物體與主要條件之間的內(nèi)在聯(lián)系而建立起來的理想化模型。例如在平面上運(yùn)動(dòng)的物體，若摩擦力與物體所受的合外力相比很小時(shí)，這個(gè)平面就可以視為光滑平面，這就是一個(gè)條件模型。還有細(xì)繩、輕滑輪、輕質(zhì)細(xì)桿、絕熱容器、不計(jì)電阻的導(dǎo)線、理想電表、均勻介質(zhì)等都是條件模型。

1.3 過程模型

過程模型是指物體在理想條件下的運(yùn)動(dòng)、變化過程，是一個(gè)高度抽象的物理過程。例如平拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)小球是具有質(zhì)量而不計(jì)大小的“質(zhì)點(diǎn)”，從水平拋出到整個(gè)運(yùn)動(dòng)的過程中，只受到恒定的重力作用。我們忽略空氣阻力的作用，忽略重力加速度隨高度的變化，忽略地球的自轉(zhuǎn)等次要因素，而建立的“平拋運(yùn)動(dòng)”就是一種理想化的過程模型。還有勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞、等溫變化、絕熱過程、自由振蕩、光電效應(yīng)等都是過程模型。

2 學(xué)生學(xué)習(xí)物理模型過程中存在的問題

雖然對(duì)物理模型進(jìn)行了分類，但是物理學(xué)中的物理模型種類繁多，學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)過程中存在諸多問題。

2.1 物理模型知識(shí)缺乏聯(lián)系

物理模型幫助學(xué)生理解物理知識(shí)起到很好的作用，但是中學(xué)物理內(nèi)容非常多，各個(gè)部分的物理模型又各有特點(diǎn)，要真正掌握還需要培養(yǎng)學(xué)生的理解力及記憶力。而實(shí)際學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生看到如此紛繁復(fù)雜的物理模型，就產(chǎn)生了畏難情緒，導(dǎo)致知識(shí)掌握不好。實(shí)際上，有的是因?yàn)閷W(xué)生沒有把各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，找到內(nèi)在聯(lián)系。比如力學(xué)中的受力分析，重點(diǎn)就是教會(huì)學(xué)生理解幾種典型的受力模型。當(dāng)學(xué)生搞清楚后，對(duì)后續(xù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解就會(huì)事半功倍，而且會(huì)增強(qiáng)學(xué)習(xí)的信心。反之，力學(xué)沒有學(xué)好，打擊了學(xué)習(xí)興趣，后面的運(yùn)動(dòng)學(xué)就難以理解了，繼而影響后續(xù)其他物理知識(shí)的學(xué)習(xí)。

2.2 建立和應(yīng)用物理模型的抽象思維存在困難

物理學(xué)家在分析研究一個(gè)物理問題時(shí)，經(jīng)常采用建立“物理模型”的辦法，以便更好地理解和找到問題的根本。但是這需要對(duì)該物理問題有很深刻的認(rèn)識(shí)，知道什么是主要因素，什么是次要因素。而很多學(xué)生對(duì)陌生的物理知識(shí)還沒有完全理解，更不用說知道什么是重點(diǎn)了，當(dāng)需要從實(shí)際問題抽象成物理模型時(shí)，就會(huì)存在困難。比如共點(diǎn)力平衡問題，一個(gè)物體的靜止或勻速運(yùn)動(dòng)很好分析，但是兩個(gè)以上物體或連接體的平衡問題就很難理解了。究竟有幾個(gè)力作用，有沒有摩擦力，哪些是相互作用力等等問題，要采用“隔離法”來研究，對(duì)初學(xué)者有一定難度。還比如超重失重問題、碰撞模型、原子行星模型、波爾模型等。

2.3 建構(gòu)物理模型不合理

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理模型時(shí)，如果沒有充分理解該知識(shí)點(diǎn)的主要內(nèi)容，當(dāng)套用物理模型解題或分析問題時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)建構(gòu)不合理的問題。例如利用機(jī)械能守恒定律時(shí)，如果物體除了重力或彈力做功外，還有其他力做功，就不能隨意套用該定律。還比如自由落體運(yùn)動(dòng)、理想電流表、理想電壓表、理想氣體等。

3 物理模型在物理教學(xué)中的實(shí)踐

學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)和物理模型存在諸多問題，但是解決問題的方法依然是物理模型本身，關(guān)鍵是如何采用更好的方法來幫助學(xué)生理解記憶。所以，抓住重點(diǎn)，突出重要的物理模型，聯(lián)系相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，找到相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，即采用“找關(guān)系、作比較”的方法，幫助學(xué)生樹立信心，才能解決問題。

3.1 利用物理模型建立系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)

中學(xué)物理中力、熱、光、電等各個(gè)部分都有物理模型，把每部分的物理模型整理清楚，建立系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，就掌握了該部分的核心內(nèi)容，而且更容易理解記憶。比如我們以力學(xué)部分舉例說明。力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系是中學(xué)物理中的最重要的部分之一，也是考試的重點(diǎn)。學(xué)生學(xué)不好，主要是對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的知識(shí)體系模糊混亂。借助物理模型的幫助，將有效地幫助學(xué)生建立良好的知識(shí)結(jié)構(gòu)。這一部分的基本模型有：力的模型、質(zhì)點(diǎn)模型、勻速直線運(yùn)動(dòng)模型、勻變速直線運(yùn)動(dòng)模型等。通過學(xué)習(xí)總結(jié)，讓學(xué)生在頭腦中形成清晰的知識(shí)結(jié)構(gòu)?！芭ｎD運(yùn)動(dòng)定律”是核心，重力、彈力、摩擦力等各種力和勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)等質(zhì)點(diǎn)的基本運(yùn)動(dòng)，都抽象為物理模型，而且都是通過牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立起關(guān)系的，特別是解題過程中，首先就要想到牛頓運(yùn)動(dòng)定律。還比如利用電流的磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)現(xiàn)象建立的電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)基本原理模型，就是總結(jié)電學(xué)和電磁學(xué)關(guān)系的重要模型。

3.2 將物理模型進(jìn)行比較，理清知識(shí)脈絡(luò)

利用物理模型的相似性進(jìn)行類比，還可以有效地促進(jìn)知識(shí)的遷移，理清其他部分的知識(shí)脈絡(luò)。例如帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)與平拋運(yùn)動(dòng)模型相類似，教師可以利用平拋模型來幫助學(xué)生理解帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問題。同時(shí)概括出這兩種運(yùn)動(dòng)的共同屬性，即當(dāng)合外力大小不變、方向與初速度方向垂直時(shí)，物體將做類平拋運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而總結(jié)出類平拋運(yùn)動(dòng)的概念和基本特征。還比如重力勢(shì)能與重力做功關(guān)系和電勢(shì)能與電場(chǎng)力做功關(guān)系比較，電位與水位進(jìn)行類比，電場(chǎng)線與磁感線對(duì)比等，都可以利用物理模型進(jìn)行分析。

3.3 通過物理模型培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維能力

直觀的形象思維是學(xué)生的基本思維能力，但是往往有很多物理問題無法直觀表現(xiàn)出來，為了讓學(xué)生更好的理解，有直觀印象，就需要借助物理模型。但是在理解該問題時(shí)，又不能淺顯直觀地表達(dá)，而需要具備抽象的邏輯思維能力。這就要通過物理模型來培養(yǎng)學(xué)生思維能力的發(fā)展。比如講磁場(chǎng)時(shí)，為了便于學(xué)生感知看不見、摸不著的磁場(chǎng)，我們就用碎鐵屑的規(guī)則排列把磁場(chǎng)顯示出來，讓學(xué)生用眼觀察。學(xué)生就能接受“磁體周圍存在磁場(chǎng)”這一物理事實(shí)了。接著再要求學(xué)生把自己看到的碎鐵屑的排列情況用筆畫出來。這樣磁場(chǎng)的模型——磁感線就被學(xué)生畫出來了。然后再講解磁場(chǎng)的性質(zhì)，學(xué)生頭腦中就形成了磁感線的模型，就能更好地理解了。

還有理想化的方法，是科學(xué)抽象的一種形式，在中學(xué)物理中經(jīng)常會(huì)涉及。如質(zhì)點(diǎn)、剛體等是把物體本身理想化；又如忽略空氣阻力、光滑表面等是把物體所處的條件理想化；還有理想氣體，實(shí)際上不存在，但是對(duì)于高溫、低壓下不易液化的氣體如氫、氧、氮、氦以及空氣等都可以當(dāng)作理想氣體來處理，用理想氣體狀態(tài)方程來計(jì)算，誤差很小而且非常簡(jiǎn)單。在教學(xué)中讓學(xué)生熟知各種理想化對(duì)象模型和理想化過程模型，并采用實(shí)驗(yàn)、多媒體教學(xué)等手段幫助學(xué)生形成正確的物理印象，使學(xué)生的思維能力得以培養(yǎng)。

3.4 講解物理模型的應(yīng)用，鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力

中學(xué)物理的基本課程目標(biāo)之一就是要求學(xué)生“學(xué)習(xí)終身發(fā)展必備的物理基礎(chǔ)知識(shí)和技能，了解這些知識(shí)與技能在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用，關(guān)注科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)”。通過物理模型教學(xué)，講解物理模型的實(shí)際應(yīng)用，讓學(xué)生理解生產(chǎn)生活中的物理知識(shí)，解釋生產(chǎn)生活中的物理現(xiàn)象，從而鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。特別是中職學(xué)校的學(xué)生，把物理模型知識(shí)和相關(guān)專業(yè)聯(lián)系起來，學(xué)以致用。如帶電粒子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，聯(lián)系實(shí)際就是示波器或電視機(jī)顯像管的應(yīng)用。還有電感線圈模型的自感現(xiàn)象在變壓器、日光燈中的應(yīng)用，透鏡模型的成像規(guī)律在照相機(jī)、顯微鏡中的應(yīng)用等。

實(shí)際上，物理模型教學(xué)的目的是提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，降低學(xué)生理解物理知識(shí)的難度，最終學(xué)好物理課程。除了利用好物理模型這個(gè)科學(xué)手段外，還需要教師不厭其煩，耐心講解，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，并采用多種教學(xué)方法和手段相結(jié)合，才能讓學(xué)生掌握并運(yùn)用物理知識(shí)分析解決實(shí)際問題，提高科學(xué)文化素質(zhì)，掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能和技巧，為以后的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，讓物理課程真正發(fā)揮它基礎(chǔ)自然學(xué)科的作用。

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（欄目編輯 趙保鋼）