高中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的建模能力

李偉志

鑒于物理現(xiàn)象的復(fù)雜性，在研究物理問題時(shí)不可能一絲不漏地考慮到一切因素.為了向?qū)W生展示事物本質(zhì)，在教學(xué)中教師通常會(huì)將物理問題化繁為簡(jiǎn)，舍棄次要因素，用模型來(lái)描述物理過程.物理模型實(shí)際上是對(duì)物理世界的模擬或重建——將不重要的因素刪除，抓住物理現(xiàn)象的基本規(guī)律與知識(shí)，向?qū)W生呈現(xiàn)物理問題的本質(zhì).物理模型是物理知識(shí)的凝結(jié)、概括.物理建模，便于學(xué)生看清物理現(xiàn)象，理解物理知識(shí).

一、研習(xí)教材，基于物理基礎(chǔ)知識(shí)構(gòu)建模型

例如，在講“萬(wàn)有引力定律”時(shí)，這部分內(nèi)容涉及天文學(xué)、宇宙星系等知識(shí)，并伴有大量的公式，學(xué)生不容易掌握知識(shí)點(diǎn).經(jīng)過對(duì)教材的綜合分析，筆者將該部分教學(xué)內(nèi)容概括為兩個(gè)物理模型.

第一個(gè)是行星模型（如圖1）.M為行星、月亮、地球、太陽(yáng)燈中心天體，m為地球、月亮、衛(wèi)星、行星等圍繞天體進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的星體.萬(wàn)有引力作向心力是模型的動(dòng)力學(xué)特征，勻速圓周運(yùn)動(dòng)是模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，故得出：GMmr2=ma=mv2r=mω2r=m4π2rT2；繼而得出一系列結(jié)論：a=GMr2∞1r2；v=GMr∞1r，m=GMr3∞1r3，T=4π2r3GM∞r(nóng)32.

第二個(gè)是球體模型（如圖2）.在天體M的表面，跟隨M一起運(yùn)動(dòng)的是m.如果忽略M的自轉(zhuǎn)，則萬(wàn)有引力等同于重力：G（Mm/r2）=mg.但是圖1行星模型的結(jié)論并不適用于此處的m.比如，周期T和軌道半徑r32并不成正比，卻和天體M的自轉(zhuǎn)周期相等.通過建立物理模型，使學(xué)生對(duì)物理知識(shí)一目了然，理解起來(lái)相對(duì)容易.

二、引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用物理模型解決實(shí)際問題

某些物理問題對(duì)學(xué)生而言是陌生的.在高中物理教學(xué)中，教師應(yīng)該運(yùn)用學(xué)生熟悉的物理模型來(lái)呈現(xiàn)陌生、復(fù)雜的物理問題，從而提高課堂教學(xué)效率.

例如，在發(fā)射地球同步衛(wèi)星的過程中，首先把衛(wèi)星發(fā)射到鄰近的地圓軌道1，點(diǎn)火后，讓衛(wèi)星沿著橢圓軌道2運(yùn)行，第二次點(diǎn)火后，再把衛(wèi)星發(fā)射至同步圓軌道3.軌道1和軌道2相切于點(diǎn)Q，軌道2、軌道3相切于點(diǎn)P，如圖3.比較：（1）衛(wèi)星在軌道1上時(shí)經(jīng)Q點(diǎn)的加速度與衛(wèi)星在軌道2上時(shí)經(jīng)Q點(diǎn)的加速度.（2）衛(wèi)星在軌道2上時(shí)，經(jīng)P點(diǎn)的加速度與衛(wèi)星在軌道3上時(shí)經(jīng)P點(diǎn)的加速度.

有的學(xué)生未能理解衛(wèi)星在地圓軌道運(yùn)行和衛(wèi)星在橢圓軌道運(yùn)行有何區(qū)別，所以便運(yùn)用衛(wèi)星勻速圓周運(yùn)動(dòng)的公式a=v2r比較加速度.但是，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行在軌道2時(shí)，速率改變了，萬(wàn)有引力便不再等于向心力.沿著橢圓軌道2，衛(wèi)星經(jīng)過Q點(diǎn)與P點(diǎn)時(shí)的軌道半徑并非與圓形軌道1、3的半徑相同，而是應(yīng)該確定橢圓軌道2中的Q點(diǎn)、P點(diǎn)的曲率半徑.該題目是要比較衛(wèi)星在軌道1、軌道2上經(jīng)過Q點(diǎn)與P點(diǎn)的加速度，那么就必須抓住題目中的關(guān)鍵詞——加速度，繼而思考和分析哪些因素會(huì)影響衛(wèi)星的加速度，再?gòu)呐ｎD第二定律公式著手來(lái)解答題目.

分析物理題目的過程需要學(xué)生邏輯嚴(yán)密、思考周全.在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，有的學(xué)生審題不認(rèn)真，或者被固有的思維模式所禁錮，在題目未審?fù)甑那闆r下就開始習(xí)慣性地套用公式解題，也沒有抓住題目中的關(guān)鍵詞語(yǔ)，只是主觀地附加上一些條件.教師在引導(dǎo)學(xué)生審題時(shí)應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生正確審題的方法，幫助學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的審題習(xí)慣，提高學(xué)生審題的速度與準(zhǔn)確性.物理建模的目的，是幫助學(xué)生把物理理論知識(shí)與實(shí)際問題相聯(lián)系，從而讓學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解更加透徹，提高學(xué)生分析物理問題的能力.在高中物理教學(xué)中，教師應(yīng)該注意搜羅生活、社會(huì)中的物理現(xiàn)象與科學(xué)技術(shù)，了解最新的科技發(fā)展動(dòng)態(tài)，加以整合運(yùn)用，豐富物理課堂內(nèi)容，為物理教學(xué)提供多元化的素材.

總之，在設(shè)計(jì)物理模型或者在物理建模教學(xué)中，教師要向?qū)W生講明物理建模的作用，讓學(xué)生用科學(xué)的眼光看待物理模型，從模型中找到物理?xiàng)l件，幫助學(xué)生糾正固有的思維邏輯形式，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.