高中物理建模能力的培養(yǎng)

張永健

【內(nèi)容摘要】物理模型方法是物理學(xué)中最常見(jiàn)、最重要的科研方法之一。物理模型也是中學(xué)物理的重要內(nèi)容，正確建立物理模型的能力是高中學(xué)生必備的能力，作為一名物理教師，我們?cè)谄綍r(shí)的教育教學(xué)過(guò)程，應(yīng)給有意識(shí)的培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，使得學(xué)生能夠適應(yīng)物理的學(xué)習(xí)，最終能夠讓所學(xué)的物理知識(shí)用于生活，服務(wù)于生活。

【關(guān)鍵詞】中學(xué)物理 建模能力 培養(yǎng)

在平時(shí)的物理教學(xué)中教師都很注重物理模型和物理過(guò)程模型的建立，但是學(xué)生總不能從中得到領(lǐng)悟，問(wèn)題處在哪里？可能是我們教師的一廂情愿，認(rèn)為學(xué)生都領(lǐng)悟到了，但是如果我們教師自己都沒(méi)有引起重視，那就是我們自己做的很不夠，縱觀十幾年的物理教學(xué)，物理建模能力一直是師生們永遠(yuǎn)的傷痛，所以作為教師我們平時(shí)更應(yīng)該不厭其煩的加于強(qiáng)調(diào)，強(qiáng)調(diào)，再?gòu)?qiáng)調(diào)。

一、物理模型及其特點(diǎn)和分類(lèi)

（一）物理模型的特點(diǎn)

物理模型是從同類(lèi)的物理問(wèn)題中，只抓問(wèn)題的本質(zhì)，忽略次要因素。故典型性是物理模型的首要特點(diǎn)；其次，物理模型作為一種研究問(wèn)題的方法，在整個(gè)物理學(xué)研究，以及其他學(xué)科領(lǐng)域的研究中發(fā)揮出了不可替代的作用。故其還具有方法性。

（二）物理模型的分類(lèi)

物理模型通?？梢苑譃樗念?lèi)，即“實(shí)體（物理對(duì)象）模型”、“理論（物理過(guò)程或物理狀態(tài)）模型”、“物理?xiàng)l件模型”和“數(shù)學(xué)模型”。

1.“實(shí)體模型”是在研究的一定限度內(nèi)，按照物理客體的本來(lái)面貌，相當(dāng)精確地抽象出其本質(zhì)特征。這類(lèi)模型一般用于建立物理概念和探索物理規(guī)律。如質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子、點(diǎn)電荷、理想變壓器、無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線，原子的模型，點(diǎn)光源……另外，像光線、電場(chǎng)線、磁感線等是根據(jù)物理客體表現(xiàn)出來(lái)的物理性質(zhì)，用理想化的圖形來(lái)模擬物理客體而引入的一類(lèi)理想模型。

2.“理論（物理過(guò)程或物理狀態(tài)）模型”是在觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)物理思維，對(duì)某一物理研究對(duì)象的相互作用、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等進(jìn)行一種簡(jiǎn)化、深入的描述。這類(lèi)模型一般用于分析物理事件發(fā)生的過(guò)程，建立物理情景。

3.“物理?xiàng)l件模型”是把物體所處條件理想化。例如，當(dāng)研究微觀粒子在場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)镚

4.“數(shù)學(xué)模型”我們?cè)跇?gòu)建物理模型的同時(shí)，也在構(gòu)建表現(xiàn)物理狀態(tài)及過(guò)程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。（1）可以借助數(shù)學(xué)模型描述物理概念和定律，如ρ=m/V，F(xiàn)=Gm1m2/r2，E=n（△Φ/△t）；（2）可以借助數(shù)學(xué)工具推導(dǎo)出具有普遍性的結(jié)論；（3）借助數(shù)學(xué)知識(shí)順利地歸納和計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，快速解決物理問(wèn)題。

二、物理建模能力的培養(yǎng)

從物理學(xué)的角度看，“建?！?，就是把我們要研究的物理對(duì)象或物理過(guò)程通過(guò)抽象、理想化、簡(jiǎn)化和類(lèi)比等方法形成物理模型。

例如，在處理天體問(wèn)題時(shí)的“行星模型”和“球體模型”?！靶行悄Ｐ汀笔菍⑿求w繞中心天體的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，近似看作勻速圓周運(yùn)動(dòng)?！扒蝮w模型”則是忽略了星球的自轉(zhuǎn)，認(rèn)為萬(wàn)有引力等于該星球表面物體所受的重力。這樣建立了物理模型后，學(xué)生便可以自己將勻速圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)應(yīng)用于天體運(yùn)動(dòng)，從而避免了眾多繁瑣公式的記憶，同時(shí)也抓住了此類(lèi)問(wèn)題的本質(zhì)。又如，“交變電流”一章中“理想變壓器”模型的建立是解決中學(xué)物理中變壓器問(wèn)題的基礎(chǔ)。由于實(shí)際變壓器在變壓過(guò)程中受“漏磁”、“原、副線圈本身的電阻”等因素的影響較小，作為次要因素可以被忽略掉。這樣便建立了一種“無(wú)漏磁，線圈無(wú)電阻”的“理想變壓器模型”。再根據(jù)互感的原理才得到了變壓器的變壓原理，即：U1/U2=n1/n2和I1/I2= n2/n1。學(xué)生理解、掌握了這種變壓器模型，便給解決這一類(lèi)問(wèn)題奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“模型轉(zhuǎn)換”是培養(yǎng)學(xué)生建立物理模型的一種切實(shí)可行的辦法。如果說(shuō)學(xué)生認(rèn)識(shí)模型是“建立模型”的話，那么解題則是“建立模型”的逆過(guò)程。在研究物理時(shí)碰到的新模型，通常是由一些我們熟悉的舊模型中發(fā)展或轉(zhuǎn)變而成。因此對(duì)于與原模型有相近的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或相似的物理性質(zhì)對(duì)象，應(yīng)把待解問(wèn)題納入到已有的模型中去。由于客觀事物是無(wú)限的，而物理模型是有限的，尤其是對(duì)于中學(xué)物理教學(xué)，由于學(xué)生的認(rèn)知水平的制約，很多時(shí)候?qū)W生不能快速、準(zhǔn)確的建立起他們熟悉的物理模型，所以需要我們多對(duì)學(xué)生進(jìn)行“模型轉(zhuǎn)換”的引導(dǎo)。

由于學(xué)科特點(diǎn)，使得物理學(xué)科對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的建模能力有其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)。從物理學(xué)的發(fā)展歷史來(lái)看，“建?！逼鹬苿?dòng)其前進(jìn)的作用，建立物理模型在解決物理問(wèn)題中起著至關(guān)重要作用。不管問(wèn)題是否簡(jiǎn)單，都需要正確建立模型，建?？梢詮摹皵?shù)、形、鏈”三個(gè)方面進(jìn)行，所謂“數(shù)”，即物理量，可以是具體數(shù)據(jù)，也可以是符號(hào)；所謂“形”，就是將題設(shè)物理情境以圖形的形式呈現(xiàn)出來(lái)；所謂“鏈”，即情境鏈接和條件關(guān)聯(lián)，情境鏈接就是將物理情境分解成物理子過(guò)程，并將這些子過(guò)程由“數(shù)、形”有機(jī)地鏈接起來(lái)，條件關(guān)聯(lián)即“數(shù)”間關(guān)聯(lián)或存在的臨界條件關(guān)聯(lián)等?！皵?shù)、形、鏈”三位一體，三維建模。

總之，物理新課標(biāo)突現(xiàn)出兩大鮮明特征：一是提倡從生活走進(jìn)物理，從物理走向社會(huì)；二是科學(xué)探究貫穿始終。這說(shuō)明：授之以魚(yú)不如授之以漁。以模型為載體培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力符合物理學(xué)科的特點(diǎn)，這不僅能夠有效地促進(jìn)物理成績(jī)的提高，還會(huì)使學(xué)生會(huì)學(xué)物理，最終提高學(xué)生們分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。

（作者單位：福建省永安市第一中學(xué)）