發(fā)展學(xué)生建模能力，提升高中物理教學(xué)

趙曉峰

發(fā)展學(xué)生的建模能力，是高中物理教學(xué)的重要目標(biāo)之一.在教學(xué)實(shí)踐中，指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型，能幫助學(xué)生優(yōu)化問(wèn)題的處理，更有助于學(xué)生體會(huì)隱含在物理模型中的思維方法和物理思想，學(xué)生也將由此獲得更大程度地提升.

一、在問(wèn)題的簡(jiǎn)化研究中建構(gòu)物理模型

高中物理為什么難學(xué)，其原因在于很多問(wèn)題太過(guò)抽象，學(xué)生無(wú)法建立正確的物理圖景.物理教師怎樣來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的簡(jiǎn)化處理呢？筆者認(rèn)為，可以指導(dǎo)學(xué)生建立物理模型，這樣可讓抽象問(wèn)題變得形象具體，易于接受.

比如在指導(dǎo)學(xué)生研究“分子間的作用力”時(shí)，學(xué)生很難對(duì)其形成認(rèn)識(shí)與理解，因?yàn)檫@是一個(gè)微觀層面的內(nèi)容，學(xué)生無(wú)法用肉眼直接來(lái)獲取感觀體驗(yàn).怎么辦呢？難道就讓學(xué)生對(duì)相關(guān)規(guī)律進(jìn)行死記硬背嗎？肯定不能這樣，因?yàn)榧词苟虝r(shí)間的記憶效果尚能差強(qiáng)人意，長(zhǎng)期如此，學(xué)生的很多概念必然會(huì)攪和在一起.為了幫助學(xué)生形成更加形象化的認(rèn)識(shí)，筆者認(rèn)為應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生建立“輕彈簧”的模型，來(lái)促成問(wèn)題的簡(jiǎn)化，幫助學(xué)生理解相關(guān)的概念和規(guī)律.

教學(xué)中，筆者讓學(xué)生將兩個(gè)發(fā)生相互作用的分子視為“連接在輕彈簧兩端的兩個(gè)小球”，并將兩個(gè)分子之間的作用力類比于兩個(gè)小球之間的彈簧彈力.這一模型有著明顯的可視化，且學(xué)生也非常熟悉，這樣就能實(shí)現(xiàn)變微觀為宏觀、變陌生為熟悉的教學(xué)效果.學(xué)生借助模型，將深刻領(lǐng)會(huì)到當(dāng)分子間的距離大于一定值時(shí)，分子間的作用力體現(xiàn)為引力，當(dāng)距離小于一定值時(shí)，分子間的作用力則體現(xiàn)為斥力.事實(shí)上，一旦物理模型建立起來(lái)，學(xué)生此后的學(xué)習(xí)無(wú)需教師過(guò)分干預(yù).因此，教師應(yīng)該讓學(xué)生在自主研究和探討中形成認(rèn)識(shí)、建構(gòu)認(rèn)知.就這里的彈簧模型來(lái)講，學(xué)生不僅能認(rèn)識(shí)分子間的作用力，他們還將由此來(lái)認(rèn)識(shí)和研究分子勢(shì)能，一切如此自然流暢，這就是模型的力量.

以模型來(lái)簡(jiǎn)化問(wèn)題，進(jìn)而促成學(xué)生對(duì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，這是科學(xué)思維的重要成果，也是“化繁為簡(jiǎn)”的物理思想的集中體現(xiàn).

二、從生活中尋找原型來(lái)建立模型

陶行知先生所倡導(dǎo)的“生活即教育”對(duì)我們的建模教學(xué)也很有啟發(fā).中學(xué)生頭腦中的模型相對(duì)較少，如何幫助學(xué)生建立模型，進(jìn)而更加有效地描繪物理圖景呢？筆者認(rèn)為，生活應(yīng)該是學(xué)生物理學(xué)習(xí)不竭的源泉，我們可以從生活取材，從中尋找原型來(lái)幫助學(xué)生建立模型，這樣的處理可以讓學(xué)生更加形象地建構(gòu)認(rèn)知.而且，有關(guān)模型直接來(lái)自于生活，還能讓學(xué)生感受到物理學(xué)習(xí)的親切感，他們還將從中發(fā)現(xiàn)別樣的樂(lè)趣.

例如，在引導(dǎo)學(xué)生研究“表面張力的性質(zhì)”時(shí)，我們要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到表面張力的方向是沿著液體的表面，能起到讓液面收攏的效果，并以露珠為例，指出同等體積的前提下球形表面積最小.學(xué)生很難對(duì)這一點(diǎn)形成認(rèn)識(shí)，如果我們用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行證明，這將嚴(yán)重偏離主題.為此，筆者在教學(xué)中就結(jié)合一個(gè)生活化的片斷來(lái)幫助學(xué)生建立模型：“我們?cè)O(shè)想一下，數(shù)九寒冬，我們讓XXX（本班一個(gè)很調(diào)皮的學(xué)生）脫光衣服，站在冰天雪地中，他將擺出怎樣的一個(gè)pose？”學(xué)生哈哈大笑，同時(shí)也在腦海中想到那個(gè)同學(xué)抱成一團(tuán)的狼狽樣，為啥這樣呢？因?yàn)檫@樣做可以讓身體的表面積更小，其實(shí)就是在盡量避免人體熱量的散失.由此，學(xué)生便能明確球模型有最小面積，原本復(fù)雜的數(shù)學(xué)結(jié)論通過(guò)一個(gè)生活化的模型就被學(xué)生輕松理解了.

三、運(yùn)用科學(xué)思維來(lái)建構(gòu)物理模型

在物理研究中，科學(xué)思維和模型建構(gòu)應(yīng)該是統(tǒng)一的整體，即物理模型大多是科學(xué)思維的產(chǎn)物，而科學(xué)思維的推進(jìn)又往往需要以物理模型為問(wèn)題分析的落腳點(diǎn).換言之，我們指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)模型建構(gòu)，就要指導(dǎo)學(xué)生研究模型中所蘊(yùn)含的科學(xué)思想，并指導(dǎo)學(xué)生把握相應(yīng)的思維方法.

比如，理想化處理就是高中物理常用的思維方法，并由此形成了很多物理模型，采用這種思維方法，我們都要忽視研究對(duì)象的次要因素，突出主要因素對(duì)問(wèn)題的影響.此類模型最典型的就是“質(zhì)點(diǎn)”，這是學(xué)生高中物理學(xué)習(xí)中接觸的第一個(gè)模型，即當(dāng)研究對(duì)象的形狀和大小對(duì)問(wèn)題的影響相對(duì)較小時(shí)，我們可以將物體視為沒(méi)有大小和形狀的點(diǎn).高中物理中與之類似的模型還有“點(diǎn)電荷”“理想氣體”等，它們都是理想化思維的產(chǎn)物，深入領(lǐng)會(huì)模型的建構(gòu)方法，有助于學(xué)生更加深入地研究物理的本質(zhì).指導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)思維來(lái)建構(gòu)物理模型的最高層次是利用有關(guān)思維來(lái)分析具體問(wèn)題，伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)就是最為成功的案例之一.

綜上所述，物理教師深入研究物理模型的建構(gòu)特點(diǎn)，并將相關(guān)過(guò)程展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生從中深刻體會(huì)物理知識(shí)和模型形成的來(lái)龍去脈，將更有利于學(xué)生更加全面地發(fā)展.