多種方式引導(dǎo) 促進(jìn)物理模型思維的發(fā)展

管雪琴

【內(nèi)容摘要】法國(guó)科學(xué)方法論學(xué)者阿雷曾經(jīng)說過：“科學(xué)的基本活動(dòng)就是探索和制定模型?！惫P者在多年高中物理教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)物理模型的意義、建立發(fā)展物理模型抽象思維，進(jìn)而熟練使用模型解決實(shí)際問題的多種方式。

【關(guān)鍵詞】物理模型 物理學(xué)史 實(shí)驗(yàn) 多媒體 實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)常聽到有學(xué)生說，老師好厲害，一道題一下子就解出來了，我們?yōu)槭裁凑也坏浇忸}的方向呢？究其原因，在教師的頭腦中存在著一個(gè)個(gè)基本的物理模型，能很快地舉一反三，因此能適應(yīng)題目的任何變化。而學(xué)生的頭腦中若沒有形成這種基本的物理模型，就很難靈活地舉一反三。因此，促進(jìn)學(xué)生物理模型思維的發(fā)展就顯得尤其重要了。在高中物理教學(xué)中，可以通過多種方式引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生物理模型思維的發(fā)展。

一、物理學(xué)史引導(dǎo)，認(rèn)識(shí)物理模型的意義

高中物理教材中有許多物理學(xué)史的教育內(nèi)容。如“原子模型的建立與發(fā)展”：從湯姆遜葡萄干布丁模型到盧瑟福行星模型，到玻爾模型的建立，再到現(xiàn)代的電子云模型。通過史實(shí)介紹，幫助學(xué)生建立原子結(jié)構(gòu)模型，明確原子結(jié)構(gòu)模型是一個(gè)假想結(jié)構(gòu)，并且是隨著人們對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)的進(jìn)步發(fā)展而逐步完善的。

再如學(xué)習(xí)“牛頓第一定律”時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生回顧史實(shí)材料：伽利略對(duì)“有力才有運(yùn)動(dòng)，力撤去運(yùn)動(dòng)就停止”的精心研究；伽利略對(duì)接斜面的理想實(shí)驗(yàn)；伽利略從觀察教堂中的燈擺動(dòng)到伽利略針和單擺實(shí)驗(yàn)。通過一系列的小故事不僅滲透物理學(xué)科的研究方法和物理思想，也讓學(xué)生理解正是伽利略和牛頓構(gòu)建了光滑這一理想化的模型，才有了慣性定律的重大發(fā)現(xiàn)。

考查物理學(xué)史的過程中，師生一起循著前人的足跡，體會(huì)物理知識(shí)的形成過程，會(huì)發(fā)現(xiàn)物質(zhì)世界是復(fù)雜多樣的，物理現(xiàn)象和物理規(guī)律也是復(fù)雜多樣的，前人在物理學(xué)研究中抓住了其主要因素，突出了其本質(zhì)特征，建立了一種理想物質(zhì)、理想過程或假想結(jié)構(gòu)，才使復(fù)雜的事物、過程簡(jiǎn)單化。使學(xué)生體會(huì)這就是建立物理模型的抽象思維過程，也正是模型的建立，才不斷促進(jìn)物理學(xué)研究的發(fā)展。

二、實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)，建立物理模型思維

物理實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生更好地理解自然現(xiàn)象的本質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)，學(xué)生體驗(yàn)建立模型的過程方法，在體驗(yàn)中思考、感悟以至升華。因此實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生建立物理模型思維的基本途徑。

如建立“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”模型時(shí)，先讓學(xué)生做分組實(shí)驗(yàn)，然后通過對(duì)紙帶數(shù)據(jù)的處理判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，體會(huì)逐差法在數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢(shì)；再引導(dǎo)學(xué)生用圖像法表示速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，繪制“v-t”圖像，培養(yǎng)學(xué)生利用圖像處理數(shù)據(jù)的能力，體會(huì)數(shù)學(xué)工具在物理問題中的應(yīng)用。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理、圖像處理的過程中，不可見的“加速度”躍然紙帶和圖像上，在學(xué)生腦海中形成直觀且形象具體的物理模型，拉近了模型與實(shí)際的距離，抽象的“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”漸漸變成具有思維特征的物理模型。這樣通過學(xué)生自主體驗(yàn)建立起來的物理模型也因此令人印象深刻。

三、多媒體引導(dǎo)，發(fā)展物理模型思維

物理同生活密切相關(guān)，而學(xué)生生活經(jīng)歷較少，平時(shí)對(duì)生活中的物理現(xiàn)象又缺乏觀察與思考，造成抽象思維缺失，很難建立物理模型思維。在課堂教學(xué)中，利用多媒體技術(shù)，用直觀的影像可以彌補(bǔ)學(xué)生抽象思維的不足和生活經(jīng)歷的缺失。如很難讓學(xué)生直觀了解的布朗運(yùn)動(dòng)、電磁場(chǎng)、盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)、光的粒子性、光電效應(yīng)等。再如講授“圓周運(yùn)動(dòng)”時(shí)，利用多媒體手段讓學(xué)生觀察摩托車比賽時(shí)，彎道路面的傾斜角、飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，機(jī)翼的傾斜情況等。

物理教學(xué)中抽象知識(shí)理論比較多，學(xué)生不易理解，利用多媒體引導(dǎo)，有助于將這些抽象的知識(shí)理論具體化、形象化、直觀化，有助于學(xué)生進(jìn)一步發(fā)展物理模型思維。如“電磁流量計(jì)”中的“液柱”模型、“理想氣體”模型、“分子勢(shì)能”的“彈簧”模型等。

有些物理過程漫長(zhǎng)或稍縱即逝，都不易觀察。通過多媒體引導(dǎo)，可將這些物理過程變?yōu)榭煽氐?、有序的演示過程，使學(xué)生獲得完整、清晰、形象的體驗(yàn)過程。如“海市蜃樓”等。再如學(xué)習(xí)“萬(wàn)有引力”時(shí)，通過多媒體模擬再現(xiàn)卡文迪許的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)、展示根據(jù)萬(wàn)有引力和圓周運(yùn)動(dòng)理論逐步發(fā)展起來的航天事業(yè)和天文事業(yè)。不僅讓學(xué)生建立了物理模型，也使學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理模型的重要性、實(shí)用性。

四、實(shí)際應(yīng)用中引導(dǎo)，強(qiáng)化物理模型思維

學(xué)生解題困難，其中一個(gè)重要原因就是學(xué)生對(duì)題目的物理過程不甚理解，頭腦中即使有了相關(guān)的物理模型，但是不能靈活地舉一反三，不能與相關(guān)模型建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。作為教師，我們不妨告訴學(xué)生，物理習(xí)題雖然千變?nèi)f化，但都是依據(jù)一定的物理模型，考查各相關(guān)物理量之間的關(guān)系。我們解題的過程就是根據(jù)題目給出的已知條件，將題中隱含的物理模型還原，找出各物理量之間的關(guān)系，然后列式求解的過程。這個(gè)過程需要學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中體驗(yàn)，然后頓悟。因此，在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)強(qiáng)化物理模型在問題解決中的實(shí)際應(yīng)用。

（1）例題教學(xué)中著重引導(dǎo)分析。實(shí)際題目中，錯(cuò)綜的信息材料包含著復(fù)雜的物理因素。教師應(yīng)充分利用例題教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)如何對(duì)題目信息進(jìn)行加工提煉，再通過抽象、概括、聯(lián)想類比、啟發(fā)遷移等思維活動(dòng)，理解題中的物理圖景，構(gòu)建出相關(guān)的物理模型（如對(duì)象模型、條件模型和過程模型等）。例如在題目中出現(xiàn)“接觸面光滑”即不考慮摩擦，“兩物體間的距離遠(yuǎn)大于它的線度”意為物體可以視為質(zhì)點(diǎn)，“輕質(zhì)彈簧”或“輕繩”即指不考慮彈簧或繩的質(zhì)量。在有關(guān)電磁流量計(jì)、霍爾效應(yīng)等問題中，一般是先建立“勻強(qiáng)電場(chǎng)模型”；研究靜電除塵問題時(shí)，則往往將均勻分布的塵?？醋觥百|(zhì)心位于電間中點(diǎn)位置”的模型等。

例1：設(shè)月球表面均勻帶負(fù)電，一電子粉塵懸浮在距月球表面1000km的地方不動(dòng)；又若將同樣的電子粉塵帶到距月球表面2000km的地方，相對(duì)月球無初速釋放，則此電子粉塵（ ）。

A.向月球下落

B.仍在原處懸浮

C.推向太空

D.無法判斷

【解析】依題意，月球表面均勻帶負(fù)電，可以建立模型，即負(fù)電荷全部集中在月球中心。

由 可知，電子粉塵在距月球表面同一位置時(shí)，所受萬(wàn)有引力與庫(kù)侖力相等。故選B。

通過例題教學(xué)，教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)如何根據(jù)題設(shè)條件，發(fā)現(xiàn)物理過程的本質(zhì)特征，然后建立熟悉、簡(jiǎn)單的等效模型，使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，求解過程優(yōu)化。

例2：偵察衛(wèi)星在通過地球兩極上空的圓軌道上運(yùn)行，它的運(yùn)行軌道距地面高度為h，要使衛(wèi)星在一天的時(shí)間內(nèi)將地面上赤道各處在日照條件下的情況全都拍攝下來，衛(wèi)星在通過赤道上空時(shí)，衛(wèi)星上的攝像機(jī)至少應(yīng)拍攝地面上赤道圓周的弧長(zhǎng)是多少？設(shè)地球的半徑為R，地面處的重力加速度為g，地球自轉(zhuǎn)的周期為T。

【解析】依題意，可將極地偵查衛(wèi)星看做質(zhì)點(diǎn)，建立其運(yùn)動(dòng)模型：勻速圓周運(yùn)動(dòng)。設(shè)其周期為T1，

設(shè)周期為T1，則： ①

地面重力加速度為g，則有：

②

由①②可得衛(wèi)星周期：

其中r=h+R

地球自轉(zhuǎn)周期為T，則衛(wèi)星繞行一周，地球自轉(zhuǎn)角度為：

∴衛(wèi)星每經(jīng)赤道上空時(shí)，攝像機(jī)至少拍攝赤道圓周的弧長(zhǎng)為：

由以上兩道例題可知，復(fù)雜的問題往往可以拆解為多個(gè)相關(guān)聯(lián)的物理模型，我們只有理解出題者設(shè)計(jì)題目的意圖，建立清晰、準(zhǔn)確的物理模型，才能理清思路，順利解題。

（2）通過圖形化訓(xùn)練強(qiáng)化學(xué)生的模型思維。高中物理問題的解決需要學(xué)生具備較高的抽象思維能力，學(xué)生若對(duì)物理過程的“難以想象”，勢(shì)必在分析物理過程時(shí)會(huì)“難以理解”。因此，教師可通過畫圖分析引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型，通過圖象把難以想象的問題情景直觀形象地展現(xiàn)出來。如探究物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，可以畫物體受力圖、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖，還可以利用數(shù)學(xué)知識(shí)畫運(yùn)動(dòng)規(guī)律二維圖象，畫圖過程既是對(duì)物理過程的有序分析過程，也是學(xué)生建立物理模型的抽象思維過程，有時(shí)，隨著圖形圖像的畫出，所求問題即迎刃而解。

綜上所述，幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)物理模型的意義、建立發(fā)展物理模型抽象思維，進(jìn)而熟練使用模型解決實(shí)際問題是高中物理課堂教學(xué)的重要任務(wù)。建立物理模型抽象思維是高中物理學(xué)習(xí)者應(yīng)該具備的基本物理素質(zhì)，物理問題的解決過程，實(shí)際上也是正確選用并使用物理模型的過程。正如法國(guó)科學(xué)方法論學(xué)者阿雷所說：“科學(xué)的基本活動(dòng)就是探索和制定模型。”

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（作者單位：江蘇省昆山中學(xué)）