物理模型與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)系研究

李殿勝

摘要：理想物理模型在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有不可或缺的地位，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的基礎(chǔ)。并且物理模型還穿插全部中學(xué)物理課本的各類知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生對(duì)大多數(shù)主要物理知識(shí)、規(guī)律的理解、掌握及其物理思維能力的提升都取決于對(duì)理想物理模型的掌握程度和理解程度。模型的構(gòu)建不僅可以純化相關(guān)問(wèn)題，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)和物理規(guī)律的理解掌握，而且有助于科學(xué)鍛煉學(xué)生思維的張度。在物理教學(xué)中要充分加強(qiáng)對(duì)學(xué)生各項(xiàng)能力的訓(xùn)練，提升模型構(gòu)建的能力。本文闡述了物理模型與教學(xué)的關(guān)系并且分析了物理模型在教學(xué)中的作用以及運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：物理模型；物理模型教學(xué)；規(guī)律；培養(yǎng)

1 物理模型特點(diǎn)及主要功能

1.1 物理模型的特點(diǎn)

1.1.1 思維的抽象性和模型的形象性的統(tǒng)一

通過(guò)抽象進(jìn)行建模，使物理模型更加形象化。比如外斯塞格和波爾提出的原子液滴模型。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了它具有均勻的密度并且不可壓縮，就像液滴的特性那樣。于是他們把原子對(duì)比液滴，提出了原子液滴模型。通過(guò)這個(gè)例子我可以很清楚的看到，用液滴作為模型去了解我們看不到的原子，其過(guò)程是抽象的，結(jié)果卻是形象的。

1.1.2 模型的科學(xué)性及假定性的辯證統(tǒng)一

物理模型具備深刻的理論知識(shí)，即具備必然的科學(xué)性。理想模型是人類抽象思維的成果，因此也有一定的假定性。例如，我們之前所說(shuō)的原子核液滴模型。它是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了它具有均勻的密度并且不可壓縮的特性，所以在一定程度上具有科學(xué)性。他們也把原子比作液滴，構(gòu)建液滴模型去了解原子的特性。但兩者始終并非同一物，各自肯定存在些許差別，所以一定程度上具有假定性。

1.2 物理模型的主要功能

①將問(wèn)題簡(jiǎn)化，從中快捷地看出其中物體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。

②運(yùn)用模型可以解釋現(xiàn)實(shí)情境中的物理現(xiàn)象。

③經(jīng)常構(gòu)建模型可以鍛煉人的邏輯思維能力，促進(jìn)人的全面發(fā)展。

④物理模型促進(jìn)人對(duì)事物的理解，理解才能合理的改造，促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展。

2 中學(xué)物理中常見的物理模型

2.1 “質(zhì)點(diǎn)”物理模型

“質(zhì)點(diǎn)”模型在中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中是接觸最多的模型。它是中學(xué)物理中最簡(jiǎn)單的物理模型之一，是許多物理模型的基礎(chǔ)。因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)給以足夠的重視。在“質(zhì)點(diǎn)”模型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，首先要講清引入“質(zhì)點(diǎn)”模型的目的性和必要性。當(dāng)我們?cè)谔骄恳粋€(gè)物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要確定物體的具體位置。因?yàn)槊總€(gè)物體都具有一定體積、形狀、大小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不盡相同。在物理發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些狀態(tài)的位置變化一般都各有規(guī)律可循，要把這些規(guī)律都描述出來(lái)不是容易的事。

2.2 剛體物理模型

在某些條件下，物體的體積形態(tài)的變化屬于非本質(zhì)特征，那么我們就可以將物體抽象為剛體。所謂剛體就是各個(gè)點(diǎn)能保持相對(duì)靜止的物體。任何堅(jiān)硬的實(shí)際物體作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)系，在外力作用下，各質(zhì)點(diǎn)之間的距離都有變化。反映為物體大小、形狀或內(nèi)部各組元相對(duì)位置的變化。但在很多情景下，這種變化都很小，對(duì)所討論的對(duì)象的影響能夠忽略掉。這樣把它當(dāng)作剛體來(lái)研究從而可以使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化。但是在實(shí)際條件下，判斷一個(gè)物體是否能看作剛體還要看具體情況。我們常見固體轉(zhuǎn)移一般形變很小，都可以看作是剛體。

2.3 彈性體與范性體物理模型

對(duì)一個(gè)物理施加外力，使之發(fā)生形變，去掉外力后物體能恢復(fù)原狀的物體叫彈性體。這種形變稱為彈性形變。在教材中的彈性碰撞的物體和彈簧都是我們說(shuō)的彈性體。物體間彈力是作用在彼此接觸而產(chǎn)生彈性形變的物體之間，其彈力大小遵循胡克定律。與彈性體對(duì)應(yīng)的模型就是范性體。它是指材料在外加力作用下超出彈性極限后仍變形而不斷裂，這時(shí)若去掉外力，仍有部分形變不能還原，該物體稱為范性體。

2.4 杠桿物理模型

在初中物理中講到了“杠桿”，在實(shí)際運(yùn)用杠桿時(shí)，影響杠桿平衡的因素是很多的，除了加在杠桿上的動(dòng)力和阻力外，杠桿本身的重量，撓曲變形，支點(diǎn)處的光滑程度等等都影響杠桿的平衡。通過(guò)對(duì)主體探究后把握主要特征，忽略次要特征，可以抽象出了“杠桿模型”。我們所說(shuō)的杠桿模型是指重量能夠忽略且光滑的剛體。經(jīng)過(guò)探究發(fā)現(xiàn)了理想杠桿的平衡條件與動(dòng)力、動(dòng)力臂、阻力與阻力臂有關(guān)，即平衡條件為動(dòng)力與動(dòng)力臂的乘積等于阻力與阻力臂的乘積。

3 物理模型對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用

3.1 培養(yǎng)正確的科學(xué)思維方法

在中等物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，物理思維能力就顯得尤為重要，而增強(qiáng)中學(xué)生物理思維能力的前提是讓學(xué)生保持獨(dú)特的思維習(xí)慣。剛剛接觸物理的學(xué)生大多數(shù)只專注于書本知識(shí)點(diǎn)的死記硬背，這種死記硬背的思維方式肯定是不合適的，而且在中學(xué)物理的不同階段，也要求學(xué)生掌握不同的思維方法。這些思維方法的要領(lǐng)和特點(diǎn)的駕馭水平直接決定著學(xué)生的學(xué)習(xí)效果以及物理思維的發(fā)展，所以要重視培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建以及使用正確的思維方法。在平時(shí)的中學(xué)物理講授中，讓學(xué)生對(duì)物理模型的分析經(jīng)過(guò)也就是思維方法訓(xùn)練經(jīng)過(guò)。確保學(xué)生能夠運(yùn)用正確的科學(xué)的思維方法了解物理規(guī)律和概念。

3.2 理解物理學(xué)中的難點(diǎn)

中學(xué)物理中有許多比較抽象知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)要掌握和理解這些知識(shí)通常比較費(fèi)力。但學(xué)生如果能運(yùn)用物理模型來(lái)理解就不一樣了，它是以現(xiàn)實(shí)生活中的物體經(jīng)過(guò)一系列科學(xué)抽象后的結(jié)果，反映了該物體的主要特征。物理模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以突出問(wèn)題的主要特點(diǎn)并且忽略一般因素，有利于學(xué)生構(gòu)建起準(zhǔn)確的物理模型，使研究的物理問(wèn)題由繁到簡(jiǎn)、由難到易的過(guò)渡，達(dá)到教學(xué)難度降低的作用，使學(xué)生容易掌握和理解該物理現(xiàn)象的規(guī)律和本質(zhì)特征。例如“點(diǎn)電荷”、“質(zhì)點(diǎn)”的概念。學(xué)生初次接觸這幾個(gè)概念時(shí)，往往抓不住概念的本質(zhì)，這時(shí)候構(gòu)建概念模型就可以解決這個(gè)問(wèn)題。

3.3 形成科學(xué)的預(yù)見

由于物理理想模型的構(gòu)建過(guò)程中忽略了大部分的次要因素，主要反映事物的主要特點(diǎn)，這樣方便學(xué)生發(fā)展物理思維的能力，也可以使得探究事物的成果可以跨越現(xiàn)有生活條件，引導(dǎo)事物探究的方向，構(gòu)成科學(xué)的預(yù)見，從而得到正確的物理規(guī)律和定理。例如在探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，我們一般先將該問(wèn)題簡(jiǎn)化為兩個(gè)過(guò)程：第一個(gè)過(guò)程，質(zhì)點(diǎn)在水平方向上受力為零，因此做勻速直線運(yùn)動(dòng)；第二個(gè)過(guò)程，質(zhì)點(diǎn)在重力方向上僅受重力的作用，就會(huì)預(yù)見到質(zhì)點(diǎn)做自由落體運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這樣處理可以使曲線問(wèn)題得到大大的簡(jiǎn)化，從而總結(jié)出其運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

4 物理模型在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

4.1 建立模型概念，理解概念實(shí)質(zhì)

為了使人類大腦中的客觀事物有深刻的反思，它必須與人類的大腦有聯(lián)系起來(lái)，使之具體化、可視化。概念模型是暫時(shí)忽略掉非本質(zhì)特征，以及對(duì)當(dāng)下探究影響不大的小小因素。抓住該物理現(xiàn)象的主要特征，了解事物的條件，然后使用理想化的概念模型來(lái)解決現(xiàn)實(shí)的物理現(xiàn)象。如學(xué)習(xí)“點(diǎn)電荷”、“質(zhì)點(diǎn)”這些概念時(shí)，構(gòu)建概念模型可以使學(xué)生更容易理解其中的本質(zhì)。

4.2 突出模型的主要矛盾

條件模型就是為討論和求解問(wèn)題起到排干擾、做鋪墊的作用。把給出的物理?xiàng)l件進(jìn)行建模，忽略條件中的次要矛盾，突出條件中的核心矛盾。如我們?cè)谔骄壳蚺呐c乒乓球碰撞時(shí)，因?yàn)榕母蛳嗷ソ佑|的時(shí)間很短，可以不計(jì)摩擦和其他阻力。能夠認(rèn)為該體系的總動(dòng)量不變。條件模型的構(gòu)建可以大大簡(jiǎn)化我們探究的物理現(xiàn)象。

4.3 通過(guò)過(guò)程模型構(gòu)建物理圖景

過(guò)程模型顧名思義就是把物理過(guò)程進(jìn)行理想化在進(jìn)行建模。其錯(cuò)綜復(fù)雜的變化過(guò)程經(jīng)過(guò)人為處理成為容易理解的物理過(guò)程。如熱學(xué)中的等壓過(guò)程，它是撇開了次要因素突出本質(zhì)因素的過(guò)程模型，這條件在現(xiàn)實(shí)中是不存在的。我們知道過(guò)程模型可以由無(wú)數(shù)個(gè)狀態(tài)模型累積而成，將這些狀態(tài)模型在坐標(biāo)系表示出來(lái)，最后得到的軌跡就是過(guò)程模型。不難看出過(guò)程模型的構(gòu)建不僅可以純化相關(guān)問(wèn)題，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)和物理規(guī)律的理解掌握，而且有助于科學(xué)鍛煉學(xué)生思維的張度。

4.4 轉(zhuǎn)換物理模型，深入理解模型

采用理想化模型進(jìn)行探究，我們可以完全避免次要條件的影響。在腦海里與討論的對(duì)象的核心要點(diǎn)進(jìn)行思考，可以快速，了當(dāng)?shù)卣莆赵搶?duì)象的主要特征和結(jié)論。在學(xué)習(xí)單擺模型后，我們可以利用該模型公式解決相關(guān)類似的物理現(xiàn)象。比如受重力的小球在圓形軌道的往返時(shí)間。也就是說(shuō)，在深入了解某種模型之后，我們可以把這種模型思維擴(kuò)展到其他物理問(wèn)題。

5 培養(yǎng)中學(xué)生的模型思維能力

5.1 中學(xué)生思維發(fā)展的特點(diǎn)

大部分的初中生逐漸形成一定邏輯思維水平。然而，理論水平還不夠成熟，只能依靠具體的形象來(lái)引導(dǎo)思維發(fā)散。思維的品質(zhì)不夠穩(wěn)定，思維程度的差距更為明顯。高中生的邏輯思維有顯著的提升，抽象和概括水平更強(qiáng)。但還需要圖示來(lái)促進(jìn)推理過(guò)程。在某種程度上，他們的自我認(rèn)識(shí)能夠有意識(shí)地控制和調(diào)節(jié)他們的思維。并且數(shù)學(xué)上表現(xiàn)出來(lái)的思維能力也達(dá)到了比較高的水平。

5.2 重視學(xué)生的觀察、綜合分析和思維能力

很多信息通過(guò)觀察都是可以得到的，很多信息與我們所探究的對(duì)象各個(gè)方面的問(wèn)題均有關(guān)系在探究和觀察某種物理現(xiàn)象后，我們要總結(jié)歸納出它們的共同特征，這是我們?cè)跇?gòu)建物理模型時(shí)需要注意的。一個(gè)人的綜合分析能力體現(xiàn)在是否能把“一分為多”的能力。長(zhǎng)期訓(xùn)練模型思維，也有助于鍛煉學(xué)生發(fā)展想象能力，而想象能力又可以推動(dòng)模型思維能力的培養(yǎng)。不妨借助某些設(shè)備幫助我們訓(xùn)練學(xué)生的聯(lián)想能力，如計(jì)算機(jī)能夠把因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)太快導(dǎo)致人眼看不清楚的過(guò)程，或現(xiàn)實(shí)生活中不容易看清的現(xiàn)象都展示出來(lái)，有助于我們對(duì)其進(jìn)行想象。

5.3 理解物理模型的特點(diǎn)和功能

鑒于這些現(xiàn)象，我們一定要加強(qiáng)學(xué)生的模型思維意識(shí)。因?yàn)槟Ｐ褪抢硐牖奶骄?，它發(fā)揮的功能是簡(jiǎn)化探討的對(duì)象。在學(xué)習(xí)活動(dòng)中，我們都要與學(xué)生一起商討概念，商討其屬于哪一種模型，這種模型在哪些情況下才會(huì)成立？構(gòu)建模型的準(zhǔn)則有哪些，理想化了什么非本質(zhì)特征以及它擁有的主要特征。同時(shí)要明確理想化模型和實(shí)際物理現(xiàn)象的差別。通常建立一個(gè)模型是從多個(gè)物理現(xiàn)象中歸納建立起來(lái)的，所以一個(gè)物理模型可以對(duì)應(yīng)多個(gè)物理情景。當(dāng)在學(xué)習(xí)活動(dòng)中使用舊的物理模型探究新的物理現(xiàn)象時(shí)，必須要注意如何將新現(xiàn)象歸納進(jìn)舊模式中。學(xué)生只有經(jīng)過(guò)連續(xù)不斷的訓(xùn)練，才能使物理模型的認(rèn)識(shí)不斷提高。

5.4 了解構(gòu)建物理模型的方法和要求

通過(guò)實(shí)際不斷的培養(yǎng)和持續(xù)的訓(xùn)練掌握構(gòu)建正確的物理模型。在日常的物理課或者自習(xí)中若是碰到與模型相關(guān)的物理現(xiàn)象時(shí)，讓學(xué)生了解構(gòu)建模型來(lái)分析該現(xiàn)象，明白物理模型發(fā)展的意義。在物理授課活動(dòng)時(shí)，要有計(jì)劃、有方針的指導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)生活中的物理情景。然后對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察的資料加以概括，構(gòu)建出體現(xiàn)該現(xiàn)象本質(zhì)特征的模型。

總結(jié)

在倡導(dǎo)素質(zhì)教育的環(huán)境下，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能一昧的進(jìn)行灌輸教育，應(yīng)該要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的各種能力，比如模型思維能力。利用物理模型授課有利于學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象、概念的理解，因?yàn)槠淇梢酝怀鰧?duì)象的主要特征，忽略次要特征。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，一定要以物理模型為中心點(diǎn)進(jìn)行展開教學(xué)，讓學(xué)生掌握模型的構(gòu)建方法，以長(zhǎng)期的訓(xùn)練來(lái)促進(jìn)學(xué)生各項(xiàng)能力的培養(yǎng)。

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（作者單位：山東省青島第六十六中學(xué)）