建構(gòu)物理模型以培養(yǎng)遷移和創(chuàng)新能力

呂小強(qiáng)

【摘 要】本文論述物理模型建構(gòu)的方法，抽象總結(jié)以提取共性因素，近似忽略以揭示自然本質(zhì)，分析綜合以全面理解事物;類比聯(lián)想并運(yùn)用推論思維，假設(shè)驗(yàn)證并不斷補(bǔ)充完善，等效替代并促進(jìn)不同轉(zhuǎn)換，培養(yǎng)學(xué)生的物理知識(shí)遷移和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】高中物理 模型建構(gòu) 遷移創(chuàng)新

【中圖分類號(hào)】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2019）03B-0138-02

物理模型的搭建離不開建構(gòu)者對(duì)所學(xué)物理知識(shí)的深刻理解，并且還要求建構(gòu)者能夠在深刻理解掌握的基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行遷移，靈活變通，這一要求就需要學(xué)生有良好的物理知識(shí)遷移和創(chuàng)新能力。因此，模型式教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的遷移和創(chuàng)新能力有積極的促進(jìn)作用。教師在授課過程中要結(jié)合講課進(jìn)度，指導(dǎo)學(xué)生掌握不同的模型構(gòu)建方法，提升其遷移和創(chuàng)新能力。

一、抽象總結(jié)，提取共性因素

抽象與總結(jié)是遷移和創(chuàng)新能力的重要體現(xiàn)，通過抽象思維提取事物本質(zhì)以及知識(shí)點(diǎn)之間的共同因素，并且對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)該物理知識(shí)的“靈魂”，從而更加深刻地掌握相關(guān)內(nèi)容。因此，在采用物理建模的方式開展課堂講授時(shí)，教師可以指導(dǎo)學(xué)生細(xì)心地對(duì)相關(guān)事物進(jìn)行分析，歸納出一系列的現(xiàn)象和事物所具有的共通的物理模型。

比如，在講述“超重與失重”這一內(nèi)容時(shí)，可以指導(dǎo)學(xué)生對(duì)這兩種物理現(xiàn)象的概念、成因、特征進(jìn)行抽象總結(jié)，分析并提取出超重和失重之間的共性與區(qū)別，從而將其掌握。在仔細(xì)閱讀課本中的描述并且聽過教師的大致講解之后，組織學(xué)生討論物體的速度 v 與加速度 a 的方向之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng) v 和 a 的方向均豎直向上時(shí)就會(huì)出現(xiàn)超重現(xiàn)象。比如，站在加速上升的電梯里面的人所受到的合力指向上方，底面對(duì)人的彈力 T>重力 mg，并且 T=mg+ma，彈力減去重力就是提供物體做加速運(yùn)動(dòng)的力;而失重的概念則與超重相反，若物體的 a 與 v 同向并且都豎直向下則會(huì)出現(xiàn)失重現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為物體受到的向上的力小于物體本身的重力，即 T

可見，對(duì)于難以理解的物理知識(shí)，采用抽象總結(jié)的方式，提取其所具有的相似的物理因素，以此為基礎(chǔ)搭建相應(yīng)的物理模型，可以很好地加深學(xué)生對(duì)抽象內(nèi)容的掌握程度，培養(yǎng)學(xué)生的物理創(chuàng)新能力。

二、近似忽略，揭示自然本質(zhì)

在高中物理所學(xué)的知識(shí)中主要是對(duì)一些理想的物理狀況進(jìn)行分析，忽略一些雖然具有干擾，但是影響并不是十分大的因素，直接分析該物理現(xiàn)象的本質(zhì)因素。因此，在引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型時(shí)也要利用近似忽略這一思想，剖析事物的自然本質(zhì)特征。

比如，在講到“平拋運(yùn)動(dòng)”這一內(nèi)容時(shí)，我們知道，高中階段討論的平拋運(yùn)動(dòng)僅僅就拋體的初始速度以及所受的重力進(jìn)行分析，而忽略了實(shí)際中存在的空氣中的阻力，因此，就要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)近似忽略，分析拋體運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)。在忽略空氣阻力情況下，拋體運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)就是豎直方向上的自由落體以及水平方向上的勻速直線運(yùn)動(dòng)合成，運(yùn)動(dòng)時(shí)間僅僅由拋出時(shí)的高度所決定，從而構(gòu)建了拋體運(yùn)動(dòng)的一般模型。比如例題：

一架直升機(jī)需要在飛行的途中將物體投下然后返航。已知直升機(jī)飛行的高度為 h，飛機(jī)速度為 v，飛機(jī)應(yīng)在何處投放物資？

看到這一類問題時(shí)，首先要根據(jù)已知的量搭建平拋運(yùn)動(dòng)的模型，忽略空氣阻力的影響。然后根據(jù)題干給出的物體的高度，進(jìn)而利用自由落體公式求出物體從拋出到落地時(shí)所用的時(shí)間 t。在平拋運(yùn)動(dòng)中的水平方向就是以初速度 v0 做勻速直線運(yùn)動(dòng)，因此運(yùn)動(dòng)距離 s=tv0。已知高度為 h，加速度為 g，根據(jù) ?可以得出下降的時(shí)間 t，因此其移動(dòng)距離 x=vt，由此就可以得出飛機(jī)應(yīng)在距目標(biāo) x=vt 處投放物資。

可見，近似忽略的方法可以極大地降低物理問題的分析難度，便于學(xué)生深入地理解所學(xué)的知識(shí)。因此，教師應(yīng)當(dāng)指導(dǎo)學(xué)生掌握近似忽略的方法，靈活地搭建物理模型，更容易地探究物理知識(shí)的本質(zhì)特征。

三、分析綜合，全面理解事物

物理是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，教師在講解中要注意學(xué)生學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性、綜合性，全面理解事物。這不僅能夠?qū)⑹挛锓纸?，理解各部分的屬性，而且能夠?qū)Ω鞑糠诌M(jìn)行綜合，掌握事物的綜合特征。因此通過分析綜合的方式搭建物理模型，由局部到整體逐步深入分析，就可以幫助學(xué)生更全面地理解物理知識(shí)，培養(yǎng)其遷移和創(chuàng)新能力。

比如，在講授圓周運(yùn)動(dòng)這一部分的內(nèi)容時(shí)，經(jīng)常能夠遇到多個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的物體共軸或者通過導(dǎo)帶相連接的情況。學(xué)生遇到這種情況時(shí)就會(huì)感到難以分析，此時(shí)可以采用分析、綜合的方法，對(duì)該模型中的不同事物進(jìn)行局部分析，然后將其綜合為一個(gè)整體。該模型中所具有的主要物理因素為做圓周運(yùn)動(dòng)的物體的角速度與線速度，角速度 ω 即其在單位時(shí)間內(nèi)滑過的角度，;線速度 v 是其在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過的位移，。首先，對(duì)相連的兩個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的線速度進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)通過導(dǎo)帶相連接的兩個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)物體的線速度是與導(dǎo)帶的運(yùn)動(dòng)速度一致的，故而此時(shí)兩物體的線速度 v 必然一樣。之后，對(duì)共軸的兩物體做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度進(jìn)行分析，這兩個(gè)物體就相當(dāng)于是一個(gè)做圓周運(yùn)動(dòng)的圓盤上不同位置的點(diǎn)，其每秒掃過的角度是一樣的，因而其角速度 ω 是一樣的。搭建了這一物理模型之后，學(xué)生再遇到這一部分的問題時(shí)就能迎刃而解。比如，當(dāng)判斷傳送裝置兩個(gè)滑輪的線速度時(shí)，根據(jù)這一物理模型他們就能夠迅速地想到，因?yàn)槭峭ㄟ^同一條傳送帶相連接，所以導(dǎo)帶的運(yùn)動(dòng)速度跟兩個(gè)滑輪各點(diǎn)上的線速度一致。由此能夠推出 ω 和 v 以及半徑 R 的關(guān)系：v=ωR，做到知識(shí)遷移創(chuàng)新。

物理學(xué)習(xí)中十分重要的一點(diǎn)就是對(duì)知識(shí)的綜合性掌握，全面的理解。因此教師在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)十分注重這一特性，指導(dǎo)學(xué)生掌握通過分析、綜合來搭建物理模型的這一方法，幫助其更全面地理解物理知識(shí)。

四、類比聯(lián)想，運(yùn)用推論思維

高中物理的學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，新舊知識(shí)之間總會(huì)有一些相似或者相異的地方，因此，可以通過類比聯(lián)想的方法來完成物理模型的搭建，通過不同知識(shí)的類比推理來加深學(xué)生的理解，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)。

比如，在講解“電勢(shì)和電勢(shì)能”這一內(nèi)容時(shí)，就可以與前面學(xué)過的重力勢(shì)能與重力做功的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行類比，搭建出勢(shì)能的物理模型。學(xué)生在學(xué)習(xí)了重力勢(shì)能的知識(shí)后已經(jīng)知道重力勢(shì)能的大小只與物體所處的高度 h 以及其物體自身質(zhì)量 m 有關(guān)。比如，物體 m 在 h 處的重力勢(shì)能為 mgh。當(dāng)物體高度發(fā)生變化時(shí)，重力勢(shì)能也會(huì)發(fā)生變化，并且變化的量就是這一過程中重力所做的功，W=mgh1-mgh2。將這一性質(zhì)類比到電勢(shì)和電勢(shì)能就會(huì)得出電荷在靜電場(chǎng)中所受靜電力做功的特點(diǎn)，W=EQL cosθ，也就是說，靜電力做功等于電荷在移動(dòng)過程中電勢(shì)能的變化量，即 W=EpA-EPB。如果電荷在運(yùn)動(dòng)中靜電力做正功則電勢(shì)能減小，否則電勢(shì)能提高。這一點(diǎn)和重力勢(shì)能的特征一致，從而完成了勢(shì)能特點(diǎn)的模型搭建。

通過類比聯(lián)想的方法搭建物理模型，能夠更好地幫助學(xué)生理解物理知識(shí)之間的聯(lián)系性，對(duì)物理內(nèi)容的理解更加具有系統(tǒng)性，并且在類比思考的過程中可以提高其對(duì)知識(shí)靈活遷移創(chuàng)新的能力，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

五、假設(shè)驗(yàn)證，不斷補(bǔ)充完善

高中物理所要學(xué)習(xí)的知識(shí)相對(duì)其他學(xué)科來講確實(shí)有些復(fù)雜，模型搭建的過程中不可能一蹴而就，需要不斷地進(jìn)行假設(shè)驗(yàn)證，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善補(bǔ)充。因此，教師引領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建物理模型時(shí)應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生擺正心態(tài)，積極地進(jìn)行改進(jìn)。

比如，在引導(dǎo)學(xué)生搭建加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的模型時(shí)，可以先提出一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，之后通過假設(shè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)之進(jìn)行改善。首先，通過生活中的一些現(xiàn)象，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)物體受到的力越大，速度變化就越快，所以我們可以認(rèn)為物體的加速度與受到的力成正比，存在一個(gè)系數(shù) k，使得 F=ak。這樣我們就有了第一個(gè)假設(shè)。之后，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。我們可以準(zhǔn)備質(zhì)量不同的兩個(gè)物體 A 和 B（mA>mB），然后分別給這兩個(gè)物體施加 10 kN 的力，通過攝像機(jī)記錄施加力后在 10 s 內(nèi)物體 A 和 ?B 的位移和速度變化情況。比較后可以發(fā)現(xiàn) B 的速度變化量比 A 的速度變化量大，即 aB>aA，因此證實(shí)了加速度 a 與質(zhì)量成反比。對(duì)上面的假設(shè)進(jìn)行完善，可以得出 ，從而得出了這三者之間的關(guān)系，構(gòu)建出了相關(guān)物理模型。

在高中階段應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生樹立不斷地對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證、完善的思想，培養(yǎng)其物理創(chuàng)新能力。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生要不斷地完善所構(gòu)建的物理模型，加深對(duì)物理知識(shí)的理解，提升物理綜合素養(yǎng)。

六、等效替代，促進(jìn)不同轉(zhuǎn)換

教師在指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型時(shí)，要使學(xué)生學(xué)會(huì)模型構(gòu)建的方法，讓其學(xué)會(huì)模型的等效替代，從而能夠靈活地根據(jù)物理知識(shí)的相關(guān)性，完成不同模型之間的轉(zhuǎn)換，做到舉一反三，靈活遷移。

比如，在講解“庫(kù)侖力”的相關(guān)知識(shí)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生搭建庫(kù)侖力的物理模型時(shí)，可以通過對(duì)萬有引力的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換來分析研究。這兩者的定義十分相似，庫(kù)侖力 ，而萬有引力 。后者表示兩個(gè)物體之間的相互吸引作用力的大小，前者求的是電荷 q1 和 q2 的吸引力或排斥力大小。兩者求解的式子十分相似，結(jié)果分別由物體的質(zhì)量 m1 和 m2，電荷帶電量 q1 和 q2，以及物體間的距離所決定。根據(jù)這一特性就可以使用等效替代的方法，完成模型之間的轉(zhuǎn)換，做到舉一反三。但是在轉(zhuǎn)換過程中也要注意兩者間細(xì)微的不同之處，庫(kù)侖力的方向與萬有引力的方向不同。

在物理模型構(gòu)建的過程中，應(yīng)該熟練地掌握等效替代的方法，深入地理解某一模型的基本特性，然后對(duì)其進(jìn)行靈活地轉(zhuǎn)換，完成另一模型的構(gòu)建。

綜上所述，在高中物理教學(xué)中開展模型教學(xué)，在模型的搭建過程中幫助學(xué)生加深對(duì)物理現(xiàn)象的理解，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，并且通過不同的模型構(gòu)建方法的講解，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)地深入分析各項(xiàng)物理知識(shí)，更加系統(tǒng)地掌握物理概念，從而使學(xué)生能夠更靈活地對(duì)物理知識(shí)進(jìn)行遷移創(chuàng)新。

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（責(zé)編 盧建龍）