中學(xué)物理教學(xué)中“物理模型”的應(yīng)用實(shí)踐

劉雪峰

【摘要】物理模型在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中是充當(dāng)物理知識(shí)的載體而存在的。物理模型的構(gòu)建不僅能夠幫助學(xué)生快速、扎實(shí)的掌握基本的物理知識(shí)，還有助于幫助學(xué)生向外延伸，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。本文對(duì)常見(jiàn)的物理模型、物理模型在教學(xué)中的運(yùn)用及實(shí)踐創(chuàng)新等做出了探討。

【關(guān)鍵詞】物理模型 運(yùn)用 創(chuàng)新實(shí)踐

【中圖分類(lèi)號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）04-0166-01

一、“物理模型”的概念

自然現(xiàn)象中事物之間復(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(shí)又存在著許多偶然性，使我們的研究產(chǎn)生了復(fù)雜性。例如，在研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際上的運(yùn)動(dòng)往往非常復(fù)雜，不可能有單純的直線運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)。為了使研究變?yōu)榭赡芎秃?jiǎn)化，我們常采取先忽略某些次要因素，著重突出事物的本質(zhì)，建立一種科學(xué)的行之有效的思維方法，人們就創(chuàng)建了“物理模型”。如引入勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等理想化的運(yùn)動(dòng)。

“物理模型”的建立是一個(gè)創(chuàng)造性過(guò)程，對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)和理解也是一個(gè)創(chuàng)造性的過(guò)程。可見(jiàn)，引導(dǎo)學(xué)生真正認(rèn)識(shí)和理解甚至建立“物理模型”，顯然是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的不可多得的途徑。

那么，怎樣把握好“物理模型”去培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力呢？

二、中學(xué)物理中常見(jiàn)的物理模型

物理模型是物理思想的產(chǎn)物，是科學(xué)地進(jìn)行物理思維并從事物理研究的一種方法。就中學(xué)物理中常見(jiàn)的物理模型，可歸納如下：

1.研究對(duì)象的模型化。物理中的某些客觀實(shí)體，如質(zhì)點(diǎn)，舍去物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)等性能，用一有質(zhì)量的點(diǎn)來(lái)描繪，這是對(duì)實(shí)際物體的簡(jiǎn)化。類(lèi)似質(zhì)點(diǎn)的客觀實(shí)體還有剛體、點(diǎn)電荷、薄透鏡、彈簧振子、單擺、理想氣體、理想電流表、理想電壓表等等。

2.物理?xiàng)l件的模型化。當(dāng)研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因粒子所受的重力遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力，可以舍去重力的作用，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。力學(xué)中的光滑面、熱學(xué)中的絕熱容器、電學(xué)中的勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)等等，都是把物體所處的條件理想化了。

3.物理狀態(tài)和物理過(guò)程的模型化。例如，力學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞；電學(xué)中的穩(wěn)恒電流、等幅振蕩；熱學(xué)中的等溫變化、等容變化、等壓變化等等都是物理過(guò)程和物理狀態(tài)的模型化。

4.物理實(shí)驗(yàn)理想化。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據(jù)邏輯推理法則，對(duì)過(guò)程進(jìn)一步分析、推理，找出其規(guī)律。例如，伽利略的理想實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。

三、物理模型在教學(xué)中的運(yùn)用

1.建立模型概念，理解概念實(shí)質(zhì)。

建立和正確使用物理模型可以提高學(xué)生理解和接受新知識(shí)的能力。例如，我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)學(xué)中建立了“質(zhì)點(diǎn)”模型，學(xué)生對(duì)這一模型有了充分的認(rèn)識(shí)和足夠的理解，為以后學(xué)習(xí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律、物體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，以及電學(xué)中的“點(diǎn)電荷”模型、光學(xué)中的“點(diǎn)光源”模型等奠定了良好的基礎(chǔ)。使學(xué)生學(xué)習(xí)這些新知識(shí)時(shí)容易理解和接受。

2.認(rèn)清條件模型，突出主要矛盾。

條件模型就是將已知的物理?xiàng)l件模型化，舍去條件中的次要因素，抓住條件中的主要因素，為問(wèn)題的討論和求解起到搭橋鋪路、化難為易的作用。例如，我們?cè)谘芯績(jī)蓚€(gè)物體碰撞時(shí)，因作用時(shí)間很短，忽略了摩擦等阻力，認(rèn)為系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。

3.構(gòu)造過(guò)程模型，建立物理圖景。

過(guò)程模型就是將物理過(guò)程模型化，將一些復(fù)雜的物理過(guò)程經(jīng)過(guò)分解、簡(jiǎn)化、抽象為簡(jiǎn)單的、易于理解的物理過(guò)程。例如，為了研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們先將問(wèn)題簡(jiǎn)化為下列兩個(gè)過(guò)程：第一，質(zhì)點(diǎn)在水平方向不受外力，做勻速直線運(yùn)動(dòng)；第二，質(zhì)點(diǎn)在豎直方向僅受重力作用，做自由落體運(yùn)動(dòng)。

4.轉(zhuǎn)換物理模型，深入理解模型。

通過(guò)對(duì)理想化模型的研究，可以完全避開(kāi)各種因素的干擾，在思維中直接與研究對(duì)象的本質(zhì)接觸，能既快又準(zhǔn)確地了解事物的性質(zhì)和規(guī)律。例如，建立起“單擺”這一理想化模型后，理解了單擺的周期公式，可以解決類(lèi)似于單擺的一系列問(wèn)題：在豎直的光滑圓弧軌道內(nèi)作小幅度滾動(dòng)的小球的周期問(wèn)題；在豎直的加速系統(tǒng)內(nèi)擺動(dòng)的小球的周期問(wèn)題；在光滑斜面上擺動(dòng)的小球的周期問(wèn)題等。

四、物理模型的主要功能及創(chuàng)新實(shí)踐

（1）可以使問(wèn)題大為簡(jiǎn)化，從中較為方便地得出物體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。

（2）可以對(duì)模型討論的結(jié)果稍加修正，即可用于實(shí)際事物的分析和研究。

（3）有助于對(duì)客觀物理世界的真實(shí)認(rèn)識(shí)，達(dá)到認(rèn)識(shí)世界，改造世界，為人類(lèi)服務(wù)的目的。

以上是教師駕馭“物理模型”教學(xué)首先要明確的幾個(gè)問(wèn)題。那么，在物理教學(xué)中又如何利用“物理模型”教學(xué)去培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力呢？

1.利用“物理模型”教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力是兩個(gè)不同的概念，有時(shí)意識(shí)比能力更重要。以上我們已經(jīng)談到，物理模型的建立很具創(chuàng)新性，教師應(yīng)該把建立物理模型的這種創(chuàng)新的思路啟發(fā)地訴之于學(xué)生，這樣對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)才是有益的。

2.利用“物理模型”培養(yǎng)正確的思維方法，從而培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

正確的思維方法是提高思維能力的基礎(chǔ)，良好的思維能力是創(chuàng)新能力的保證，只有正確的思維才談得上有良好的創(chuàng)新。但是由于年齡的關(guān)系，中學(xué)生一般只注意知識(shí)的學(xué)習(xí)，并不關(guān)心自己的思維方法是否正確，更不能自覺(jué)地糾正一些不正確的思維方法，這就影響了思維發(fā)展。因此，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用正確的思維方法是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力首要任務(wù)?！拔锢砟Ｐ汀钡慕ⅲ且环N嚴(yán)密的正確的思維方法，其思維過(guò)程非常明顯，分析好每一個(gè)“物理模型”的建立思維很重要，以“質(zhì)點(diǎn)”這個(gè)物理模型為例，為什么要將物體簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)？在什么時(shí)候什么物體可以簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)？質(zhì)點(diǎn)的概念很簡(jiǎn)單，如果只教會(huì)學(xué)生質(zhì)點(diǎn)的概念，而沒(méi)有使學(xué)生明確這種建立物理模型的思維過(guò)程以及運(yùn)用物理模型建立概念的基本方法和思路，這將是教學(xué)上的重大失誤！

分析好每一個(gè)“物理模型”的建立思維固然重要，但更重要的是引導(dǎo)學(xué)生去領(lǐng)悟這種思維過(guò)程，去品味這種思維過(guò)程，教學(xué)中，通過(guò)對(duì)物理模型的設(shè)計(jì)思想及分析思路的教學(xué)，能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)較復(fù)雜的物理問(wèn)題進(jìn)行具體分析，區(qū)分主要因素和次要因素，抓住問(wèn)題的本質(zhì)特征。

3.中學(xué)物理教材中有許多物理知識(shí)比較抽象，學(xué)生往往不易理解和接受，并會(huì)因此而失去學(xué)習(xí)的信心。但如果借助“物理模型”教學(xué)，通過(guò)采用模型方法，突出物理問(wèn)題的主干，學(xué)生建立起清晰的物理圖像，使物理問(wèn)題化難為易，化繁為筒，這樣不單起到降低教學(xué)難度增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心的作用，同時(shí)還潛意識(shí)地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

最后需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，在“物理模型”的建立和分析的教學(xué)過(guò)程中，要摸清學(xué)生各種錯(cuò)誤的思維方法，及時(shí)予以糾正。例如，學(xué)生受了絕對(duì)化的片面思維方法的影響，不理解物理學(xué)中采用的理想化的思維方法，以為理想化不精確，脫離實(shí)際，有時(shí)對(duì)教師導(dǎo)出的某公式所采用的近似方法表示不可理解，在實(shí)驗(yàn)中追求百分之百的精確度。這里我們就要及時(shí)指出物理模型的特點(diǎn)和功能，使學(xué)生明確物理模型的科學(xué)性，明確物理模型的條件性。及時(shí)糾正這類(lèi)學(xué)生的思維方法，這也是培養(yǎng)和鍛煉創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的好途徑。

總之，采用理想化的客體（即物理模型）來(lái)代替實(shí)在的客體，可使我們對(duì)物理本質(zhì)的理解更加細(xì)致深入，對(duì)物理問(wèn)題的分析更加清晰明了。所以，物理模型在教學(xué)領(lǐng)域有著重要的價(jià)值，物理模型是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的很好素材。