物理建模思想在高中教學(xué)中的重要性

張順鋒

摘要：物理模型既是物理學(xué)賴以建立的基本思想方法，也是物理學(xué)在應(yīng)用中解決實(shí)際問題的重要途徑和方法，這種方法的思維過程要求學(xué)生在分析實(shí)際問題中研究對象的條件、物理過程的特征，建立與之相適應(yīng)的物理模型，通過模型思維進(jìn)行推理。基于這種方法，高中物理學(xué)習(xí)從某種意義上來講主要是建立基本物理模型并分析、應(yīng)用、提升的過程。教師在教學(xué)中能有效地提高基本物理模型的教學(xué)有效性，學(xué)生能在學(xué)習(xí)中提高基本物理模型學(xué)習(xí)和應(yīng)用的有效性，那么在學(xué)習(xí)和理解高中物理內(nèi)容中將會取得事半功倍的效果，并且近幾年的高考中建模思想也體現(xiàn)得很明顯。

關(guān)鍵詞：高考；物理基本模型；建模思想

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1992-7711（2017）09-0004

物理模型是科學(xué)地進(jìn)行物理思維從而進(jìn)行物理研究的一種方法。理想的物理模型，既是物理科學(xué)體系中光輝的典范，也是解決現(xiàn)實(shí)物理問題不可或缺的依據(jù)，其重要性不言而喻。它能具體、形象、生動、深刻地反映物理的本質(zhì)和規(guī)律。物理教學(xué)應(yīng)該把物理模型作為重要環(huán)節(jié)，而物理教學(xué)中的基本建模思想正是在這種研究思想的指導(dǎo)下提出的通過一定的抽象思維，適當(dāng)?shù)貙ξ锢硌芯繉ο筮M(jìn)行理想化設(shè)想形成物理模型，進(jìn)而解決物理問題的一種方法。有效地掌握，合理地運(yùn)用基本物理模型是提高物理學(xué)習(xí)效率和提升考試效益的有效方法。尤其是現(xiàn)在課程改革后所使用的教科版物理教材，更加注重對物理基本模型和基本建模思想的培養(yǎng)與應(yīng)用。所以，加強(qiáng)物理基本模型和基本建模思想的培養(yǎng)對學(xué)好物理是大有益處的。

下面，筆者針對高中物理教學(xué)中建模方面的問題談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

一、物理建模的含義

模型一詞，在西文中源于拉丁文“modulus”，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……”。

物理學(xué)是與實(shí)際聯(lián)系很密切，且理論性、系統(tǒng)性很強(qiáng)的學(xué)科，其所研究的對象寬泛而繁雜，往往研究對象并不是以一個孤立系統(tǒng)而存在，同時還有可能存在許多的外部影響，為了方便進(jìn)行物理的理論分析，要將一些對研究會造成影響的因素忽略。當(dāng)然不能忽略問題研究的本質(zhì)。這就要求在研究問題時，要根據(jù)本質(zhì)，分析其影響因素的主次，進(jìn)而拋去次要因素，抓住主要因素，從中抽象出研究對象的簡化的理想的物理模型，這樣才能更加充分地抓住問題關(guān)鍵，這就是物理建模。

二、物理模型的特點(diǎn)

建立基本的物理模型，應(yīng)該具有三個特點(diǎn)：即代表性、方法性和美學(xué)性。首先是代表性，物理模型是從許多的物理對象中經(jīng)過有針對性地刪減外部因素后保留下來的，它抓住了研究對象的本質(zhì)，因此每個物理模型都具有非常典型的代表性；其次是方法性，每一個物理模型的確立都不是憑空想象就可以得出來，而是由眾多的物理研究人員經(jīng)過反復(fù)思考才最終形成的，物理模型反映了物理學(xué)科的研究方法；最后是美學(xué)性，我們現(xiàn)在接觸到的物理模型都是非常簡單但又準(zhǔn)確地反映了研究對象的本質(zhì)狀況的，通過物理模型能夠簡明扼要地揭示物理問題，體現(xiàn)了物理學(xué)科的形式美。

三、物理模型的分類以及使用的規(guī)律

1. “子彈打木塊”模型：三大定律：摩擦生熱，臨界問題，數(shù)理問題；2. “爆炸”模型：動量守恒定律，能量守恒定律；3. “單擺”模型：簡諧運(yùn)動：圓周運(yùn)動中的力和能問題：對稱法，圖像法；4. “限流與分壓器”模型：電路設(shè)計(jì)：串并聯(lián)電路規(guī)律及閉合電路的歐姆定律，電能，電功率，實(shí)際應(yīng)用；5. “電路的動態(tài)變化”模型：閉合電路的歐姆定律：判斷方法和變壓器的三個制約問題；6. “磁流發(fā)電機(jī)”模型：平衡與偏轉(zhuǎn)。力和能問題；7. 電磁場中的單桿模型：棒與電阻。棒與電容。棒與電感。棒與彈簧組合。平面導(dǎo)軌。豎直導(dǎo)軌等，處理角度為力電角度：電學(xué)度，力能角度；8. 電磁場中的“雙電源”模型：順接與反接，力學(xué)中的三大定律：閉合電路的歐姆定律，電磁感應(yīng)定律；9. 交流電有效值相關(guān)模型：圖像法，焦耳定律，閉合電路的歐姆定律，能量問題；10. “能級”模型：能級圖，躍遷規(guī)律，光電效應(yīng)等光的本質(zhì)綜合問題；11. 遠(yuǎn)距離輸電升壓降壓的變壓器模型；12. “回旋加速器”模型：加速模型（力能規(guī)律），回旋模型（圓周運(yùn)動），數(shù)理問題；13. “質(zhì)心”模型：質(zhì)心（多種體育運(yùn)動）。集中典型運(yùn)動規(guī)律。力能角度；14. “掛件”模型：平衡問題。死結(jié)與活結(jié)問題，采用正交分解法，圖解法，三角形法則和極值法；15. “追碰”模型：運(yùn)動規(guī)律，碰撞規(guī)律，臨界問題，數(shù)學(xué)法（函數(shù)極值法、圖像法等）和物理方法（參照物變換法、守恒法）等；16. “運(yùn)動關(guān)聯(lián)”模型：一物體運(yùn)動的同時性、獨(dú)立性、等效性。多物體參與的獨(dú)立性和時空聯(lián)系；17. “皮帶”模型：摩擦力，牛頓運(yùn)動定律，功能及摩擦生熱等問題；18. “平拋”模型：運(yùn)動的合成與分解，牛頓運(yùn)動定律，動能定理（類平拋運(yùn)動）；19. “行星”模型：向心力（各種力）。相關(guān)物理量。功能問題。數(shù)理問題（圓心、半徑、臨界問題）。20. “全過程”模型：勻變速運(yùn)動的整體性。保守力與耗散力，動量守恒定律，動能定理，全過程整體法；21. “人船”模型：動量守恒定律，能量守恒定律，數(shù)理問題；22. “斜面”模型：運(yùn)動規(guī)律，三大定律，數(shù)理問題；23. “對稱”模型：簡諧運(yùn)動（波動）、電場、磁場、光學(xué)問題中的對稱性、多解性、對稱性；24. “繩件、彈簧、桿件”三件模型：三件的異同點(diǎn)，直線與圓周運(yùn)動中的動力學(xué)問題和功能問題。

四、物理建模的重要性和必要性

高中物理內(nèi)容抽象、邏輯性強(qiáng)是其難度所在，如果單純地進(jìn)行知識灌輸，學(xué)生很難理解和掌握。而在學(xué)習(xí)中逐漸地建立物理模型，使難以琢磨的物理理論變得實(shí)在，變得可以想象，那么對于物理的學(xué)習(xí)就能起到很大的幫助。

高中物理建模，將解題過程化繁為簡，降低了物理解題難度，增強(qiáng)了學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的興趣和自信。同時，正確建立物理模型的過程本身也是不斷提高學(xué)生自身思維品質(zhì)的過程。通過物理建模，能夠有效地提高學(xué)生的綜合能力。例如平拋運(yùn)動。我們知道，平拋運(yùn)動其本質(zhì)就是在初速度方向上的勻速直線運(yùn)動，在與初速度垂直方向上的勻加速直線運(yùn)動的合成。電場中，在研究帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動時，就可以很快地發(fā)現(xiàn)這個運(yùn)動和平拋運(yùn)動具有十分相似的受力特點(diǎn)和運(yùn)動情況，那么就將平拋運(yùn)動的受力分析和運(yùn)動分析，以及相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算都進(jìn)行套用。endprint

五、物理建?？梢宰寣W(xué)生體驗(yàn)到探求規(guī)律的過程，以強(qiáng)化對客觀世界的認(rèn)識過程

通過建立模型，可以讓學(xué)生充分體驗(yàn)到物理探索過程中的困難，磨煉學(xué)生的學(xué)習(xí)意志，同時建立模型的過程也是學(xué)生掌握物理研究方法的一種手段，有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)抽象的思維方法來處理實(shí)際問題的能力。其實(shí)，運(yùn)用基本物理模型的過程也是一種發(fā)現(xiàn)和探索的過程。

六、培養(yǎng)基本的物理建模思想的方法

1. 充分利用好物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

高中物理建模教學(xué)工作應(yīng)充分借助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展，因?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)是客觀實(shí)在的東西呈現(xiàn)在學(xué)生面前，不需要學(xué)生空想。要看到實(shí)在的東西才能進(jìn)入思考狀態(tài)是從初中進(jìn)入高中的學(xué)生學(xué)習(xí)物理的普遍特點(diǎn)。那么，通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生先感性認(rèn)識，知道實(shí)驗(yàn)原理、研究過程和過程分析、數(shù)據(jù)處理，在實(shí)際動手中親身感受模型與實(shí)物的區(qū)別，這樣更有助于學(xué)生加深對物理模型的理解和應(yīng)用?？偟膩碚f，模型建立的步驟：第一步：通過觀察現(xiàn)象積累經(jīng)驗(yàn)；第二步：為了解經(jīng)驗(yàn)建立模型；第三步：用你的模型預(yù)言未知現(xiàn)象；第四步：用實(shí)際物質(zhì)做實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證你的預(yù)言，用這種方法試著探索你的模型適用范圍；第五步：在這個適用范圍內(nèi)運(yùn)用你的模型解決實(shí)際問題。

2. 培養(yǎng)學(xué)生對物理信息的抽象能力

物理模型的建立，是對物理對象的抽象，抓住研究問題的主要方面。物理教師教學(xué)時要強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生對于物理信息的抽象能力，尤其是在訓(xùn)練從考試題目中的相關(guān)信息中抽象出基本的物理模型，然后運(yùn)用已有的基本知識和模型儲備，進(jìn)行合理的套用。高中階段的考試都是在基本物理模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行考查，所以，當(dāng)學(xué)生在接觸到物理信息后應(yīng)該快速分辨出哪些因素會影響研究目的，而哪些因素是無關(guān)緊要的，找出運(yùn)用基本模型的突破口，快速上手，這樣學(xué)生才能在后續(xù)的研究過程中有針對性地開展研究活動，從而解決問題。

波利亞曾說過：“在教一個科學(xué)的分支（或一個理論、一個概念）時，我們應(yīng)當(dāng)讓孩子重蹈人類思想發(fā)展中的那種最關(guān)鍵的步子，不應(yīng)該讓他們重蹈過去的無數(shù)個錯誤，而僅僅是重蹈關(guān)鍵性步子?！彼?，讓學(xué)生去領(lǐng)悟模型，感悟建模思想，理解模型的重要性。

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[3] 史獻(xiàn)計(jì).物理模型建構(gòu)的心理過程分析[J].物理教師，2005（4）.

（作者單位：河南省三門峽市一高 472000）endprint