簡單模型在物理教學(xué)中的建立

孫萬蘭 張國喜

摘要：物理是中學(xué)生必學(xué)的一門科目，但也是學(xué)生普遍反應(yīng)較難學(xué)的一門科目。中學(xué)物理課本中所涉及的定律、原理大多可以通過簡單的物理模型來表達，模型的建立為研究物理問題做了一個簡單明了的鋪墊。本文結(jié)合中學(xué)物理課本中的原理、定律等知識， 詳細地論述了物理模型的分類、特點、作用以及當(dāng)前物理教學(xué)中存在的一些問題。教師在教學(xué)中可借助簡單的模型來輔助教學(xué)，不僅可以幫助學(xué)生理解復(fù)雜抽象的知識，也能提高教學(xué)效果，從而促進了學(xué)生的全面發(fā)展，達到物理教學(xué)的重要目的。

關(guān)鍵詞：物理模型;模型教學(xué);實踐應(yīng)用

一、物理模型分類

物理模型是人們?yōu)榱朔奖阍忈屛锢憩F(xiàn)象及法則，探討物理事物的本質(zhì)而建立的一種模型。中學(xué)物理中常見的物理模型可分為以下幾類：

1.1 物理對象模型化

物理對象模型是構(gòu)成一些定律和原理的基本要素。可分為系統(tǒng)模型、物質(zhì)模型和結(jié)構(gòu)模型三種。系統(tǒng)模型如“雙星系統(tǒng)”，將二者看成一個系統(tǒng)考慮。在動能定理一節(jié)中，可將多個物體作為一個系統(tǒng)進行研究。物質(zhì)模型如質(zhì)點、剛體、電場線、檢驗電荷。用假想的曲線的疏密來表示電場的強弱。體積和電量足夠小，不影響原電場分布的檢驗電荷能近乎精確地確定其在電場中的位置。結(jié)構(gòu)模型如串并聯(lián)電路、原子結(jié)構(gòu)模型。教師可以借助生活中的水流管道來幫助學(xué)生理解串并聯(lián)電路;原子結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為原子是一個堅硬的實心小球。

1.2 物體所處的條件模型化

在中學(xué)物理教學(xué)過程中，每個模型的建立都有一定的前提條件和運用范圍。比如力學(xué)中學(xué)習(xí)勻速圓周運動時的輕桿和輕繩模型，受力分析時的光滑面等;電磁學(xué)中無限大的帶電平面，均勻電磁場等;熱學(xué)中的絕熱、等溫、等容、等壓等，這些模型都是有一定的條件限制。

1.3 物理狀態(tài)和物理過程的模型化

事物的狀態(tài)和過程往往由空間與時間來反映，物理狀態(tài)模型如物體處于勻速直線、勻變速直線、圓周運動等狀態(tài);氣體所處的平衡態(tài)、等溫、等容、等體的狀態(tài);蒸發(fā)和沸騰的狀態(tài)等。

1.4 理想實驗?zāi)Ｐ?/p>

實驗是研究和學(xué)習(xí)物理的重要方法，簡單直觀的實驗現(xiàn)象不僅可以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能幫助學(xué)生理解理論知識。比如伽利略的理想斜面實驗，推翻了延續(xù)兩千多年的亞里士多德的結(jié)論，有力的證明了“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”，為慣性定律奠定了基礎(chǔ)。理想實驗中構(gòu)造的光滑面、無質(zhì)量的輕桿輕繩、內(nèi)電阻無窮大的伏特表、恒流源等都準(zhǔn)確詮釋了形成現(xiàn)象的物理原理。

1.5物理中的數(shù)學(xué)模型

自然科學(xué)的研究思路一般是依據(jù)實際問題構(gòu)建物理模型，進而抽象轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型，在經(jīng)過相關(guān)的公式推導(dǎo)計算得出結(jié)果，反映物理意義，解決實際問題。物理中的數(shù)學(xué)模型可分為公式模型、圖表模型、結(jié)構(gòu)模型。公式模型如運動學(xué)公式、電磁學(xué)公式、熱學(xué)公式、光學(xué)公式都能直接地反映物理的規(guī)律;圖表模型如牛頓第二定律的f-a圖像，運動學(xué)中的x-t和v-t圖像，動能定理中的-圖像等;結(jié)構(gòu)模型如講解力的合成與分解時，運用平行四邊形定則等。這些都是對物理現(xiàn)象近似的定量描述，在教學(xué)過程中教師一定要幫助學(xué)生理解數(shù)學(xué)模型的具體含義，避免學(xué)生死記公式圖表的現(xiàn)象出現(xiàn)。

二、物理模型的作用

2.1 使復(fù)雜問題簡單化

中學(xué)物理知識點非常繁雜，每個知識點又細分為很多，各個知識點間相互聯(lián)系，錯綜復(fù)雜。學(xué)生理解了模型的建立過程，弄清楚每個模型反映的本質(zhì)和相互之間的聯(lián)系，相當(dāng)于將課本知識的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化，使復(fù)雜問題變得簡單明了，便于理解掌握。

2.2 促進知識的遷移

在物理概念、規(guī)律、原理中應(yīng)用簡單模型，學(xué)生在掌握了某一節(jié)課或者一章節(jié)的內(nèi)容之后，在原有知識的基礎(chǔ)上學(xué)會運用物理模型，瞻前顧后的對比反思總結(jié)，理清思路，促進知識的遷移。

2.3 做出科學(xué)推斷

物理學(xué)家根據(jù)建立的物理模型，大膽的對研究事實進行預(yù)言，做一些科學(xué)的推斷，方便做進一步的研究。比如伽利略論證了慣性運動，用實驗研究了勻速運動;愛因斯坦的相對論，麥克斯韋方程組等都推動了人類對自然界的認(rèn)識和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

2.4加深學(xué)生對知識的理解

在中學(xué)物理的學(xué)習(xí)過程中，不同的模型有不同的分析思路和解題方法，如初中物理中的電學(xué)模型、光學(xué)模型、力學(xué)模型、熱學(xué)模型等;高中物理是在初中物理的基礎(chǔ)上進行深化擴展，如斜面模型、圓周運動模型等，簡單明了的模型會加深學(xué)生理解知識，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的分析概括能力。

三、簡單物理模型的特點

3.1物理模型是抽象性和形象性的統(tǒng)一

抽象是從眾多的事物中抽取出共同的、本質(zhì)性的因素，而舍棄次要的影響因素。在物理學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生需要將實際的物理問題抽象成為簡單形象的物理模型，然后借助模型分析比較，進而得出物理規(guī)律，這是一個化難為易、化繁為簡的過程。

3.2物理模型是科學(xué)性和假定性的辯證統(tǒng)一

物理模型能夠在一定的推理論證下成立，反映實際問題的本質(zhì)特征，能為新的研究提供正確的理論架構(gòu)。對于生活中的具體問題，不同的研究情景下側(cè)重不同，為了便于建立模型，順利解決復(fù)雜的實際問題，抓住主要因素，忽略次要因素。例如為了研究電場和磁場而引入的電場線、等勢面和磁感線等都是一系列假想曲線，這些假定出的模型能使復(fù)雜的客觀事物變得更加直觀具體，易于理解分析，并在此基礎(chǔ)上得出了電磁感應(yīng)定律、楞次定律、右手螺旋定則等。

3.3物理模型的美學(xué)性

物理學(xué)家們用最精煉的語言、最少的符號、最簡單明了的物理模型反映出物理規(guī)律和特點，也比如愛因斯坦的質(zhì)能方程、麥克斯韋方程組體現(xiàn)了物理學(xué)科的形式美，也總結(jié)出了奇妙的物理規(guī)律。

四、物理模型教學(xué)中存在的一些問題

（1）中學(xué)物理教材中也引入了一些物理模型，但是并沒有詳細闡明物理模型的過程、特點、相互之間的聯(lián)系等，由于教師對這種模型的引入和特征總結(jié)不太到位，學(xué)生只是單純的記住理解每個孤立的模型，卻不知道模型的來源和引入過程而處于思路混亂狀態(tài)。

（2）絕大多數(shù)的物理課堂教學(xué)模式是教師總結(jié)出大量的物理模型類的題，幫助學(xué)生理清思路，訓(xùn)練學(xué)生不斷地做題鞏固，這樣的課堂教學(xué)中，老師占主導(dǎo)，學(xué)生對于沒見過的題型，不會舉一反三的去思考如何建立模型。

五、總結(jié)

簡單模型在中學(xué)教學(xué)中的建立，是一種很高效的學(xué)習(xí)物理的方法。簡單模型在學(xué)習(xí)過程中的建立是一個復(fù)雜漫長的過程，實際課堂中每位老師的講課方式、學(xué)生的接受能力都不一樣，影響課堂的因素很多，教師如何高效地利用模型，抓住學(xué)生的特點，高質(zhì)量的完成教學(xué)也需要不斷的探索研究。