高中物理教學(xué)中科學(xué)建模的路徑思考

曹愷 張勇

摘要：科學(xué)思維是高中物理的核心素質(zhì)之一，而模型構(gòu)建是科學(xué)思維的重要構(gòu)成環(huán)節(jié)。目前，部分高中物理教師缺乏對模型和建模本質(zhì)的深刻認(rèn)識，缺乏訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)建模技能的方法。文章整合了高中物理課本中有關(guān)科學(xué)建模能力訓(xùn)練的內(nèi)容，并將內(nèi)容分為對象模型、條件模型、過程模型和理論模型，提出了提高學(xué)生科學(xué)建模能力的有效策略。

關(guān)鍵詞：高中物理? ?模型建構(gòu)? ? 路徑

物理的核心素質(zhì)包含了物理概念、科學(xué)思維、科學(xué)研究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。其中，科學(xué)思維是從物理學(xué)的角度理解客觀事物的基本屬性、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的一種方式，也是構(gòu)建基于經(jīng)驗事實的理想模型的抽象概括過程。物理建模是科學(xué)思維能力的科學(xué)實踐，它能夠描繪出一種問題的性質(zhì)，并利用現(xiàn)有經(jīng)驗材料的物理模型來解釋和預(yù)測現(xiàn)象。

一、高中物理教學(xué)中模型建構(gòu)的應(yīng)用原則

（一）主體地位性原則

在傳統(tǒng)高中物理課堂上，部分教師采用“填鴨式”教學(xué)，學(xué)生長期處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，且教師很少主動與學(xué)生深入交流和討論物理知識。因此，教師應(yīng)遵循主觀性原則，明確學(xué)生的課堂主導(dǎo)地位，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（二）多元化原則

在組織構(gòu)建高中物理模型時，教師可以結(jié)合學(xué)生日常的生活場景，為學(xué)生提供更多的資料，使學(xué)生通過物理模型的構(gòu)建，充分理解物理知識。此外，教師可以結(jié)合生活中的實際案例，組織學(xué)生進(jìn)行物理實驗，或者通過運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，將抽象的物理知識具象化，幫助學(xué)生解決有難度的物理問題，使學(xué)生能夠觀察物理現(xiàn)象，理解物理概念，有效提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)效率。

二、高中物理教學(xué)中構(gòu)建理想模型存在的問題

理想模型可以幫助學(xué)生深入地學(xué)習(xí)物理、研究物理，教師不但可以用理想模型描述物理的基本概念，而且可以通過理想模型來簡化物理問題。

學(xué)生普遍認(rèn)為，物理是高中最難學(xué)的科目之一。在學(xué)習(xí)過程中，對物理概念不明確，對理想模型不理解，直接影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（一）不同學(xué)生的思維方式不同

初中物理與直接的自然現(xiàn)象有關(guān)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的思維活動主要集中于具體的形象思維，理想模型等抽象物理模型的應(yīng)用較少。高中物理研究的主要是復(fù)雜和抽象的現(xiàn)象，需要用定量方法分析，所以理想模型的構(gòu)建必不可少。因為分析物理問題要以模型為基礎(chǔ)，從多方面、多角度去分析問題。

（二）學(xué)生意志薄弱，不能獨(dú)立思考

在解答高中物理練習(xí)題時，學(xué)生經(jīng)常是有選擇地處理練習(xí)題。如遇到高難度的練習(xí)題時，學(xué)生不會用理想模型的知識去思考。當(dāng)教師解釋練習(xí)題時，學(xué)生才會記錄問題，但不會自主思考，單純靠教師的解答，這不利于模型的構(gòu)建。

（三）學(xué)生對學(xué)習(xí)不感興趣

心理學(xué)指出，興趣是注意力和尋求知識能力的基礎(chǔ)。強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生勤奮學(xué)習(xí)、勇于解決問題的強(qiáng)大動力。由于高中物理比較難，有些學(xué)生對物理失去興趣，難以理解理想模型。

三、高中物理科學(xué)建模的路徑

（一）抽象方式

抽象是一種思維過程和思維方法，通過現(xiàn)象去了解現(xiàn)實物理現(xiàn)象最重要和最本質(zhì)的特征，但容易忽略次要和非本質(zhì)因素。在物理建模過程中，學(xué)生必須不斷提取事物的運(yùn)動過程或事物從現(xiàn)象到本質(zhì)的相互作用，摒棄了在運(yùn)動序列或事物相互作用中不起作用、微不足道的因素，從復(fù)雜多變的運(yùn)動和相互作用過程中提取事物的相同點(diǎn)，然后建立物理模型?？梢姡橄蠓绞绞俏锢斫Ｖ谐Ｓ玫幕舅季S方法。因此，在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生從實際出發(fā)，注意抽象的物理模型創(chuàng)作方式。

（二）理想簡化

理想簡化包括通過捕捉影響問題的基本因素和忽略非基本因素來簡化、理想化物理問題，前提是不改變規(guī)則，減少復(fù)雜物理問題的可探究性。理想簡化構(gòu)建的物理模型只存在于理想狀態(tài)中，而不存在真正的物理問題。同時，理想簡化構(gòu)建的物理模型可以消除非基本屬性和次要因素的干擾，使實際物理問題從復(fù)雜到簡單，易于處理。

首先，分析特定條件的理想簡化，并創(chuàng)建適當(dāng)?shù)哪Ｐ停绱植诙然蚱交?。其次，簡化了測試程序，包括對實驗硬件和設(shè)施進(jìn)行理想簡化。以伽利略的“斜面實驗”為例，伽利略曾設(shè)想，物體能否均勻移動而不產(chǎn)生摩擦力，牛頓后來解決了這個問題，并根據(jù)相關(guān)實踐和經(jīng)驗總結(jié)出了牛頓第一定律，從根本上推翻了亞里士多德的“物體受力運(yùn)動中若外力停止作用便歸于靜止”這一理念，也為后來的經(jīng)典力學(xué)做了奠基。

（三）類比聯(lián)想

類比聯(lián)想是基于兩個事物在某些屬性中的相似性，通過比較和關(guān)聯(lián)得出結(jié)論，它們也可以在思想形式的某些屬性上相似。類比聯(lián)想有兩個含義：第一，聯(lián)想，即通過新信息檢索現(xiàn)有知識：第二，類比，即查找新舊信息的相似性和差異性。類比聯(lián)想法在物理學(xué)術(shù)研究中具有重要的作用。許多物理模型是由模擬關(guān)聯(lián)創(chuàng)建的，如開普勒曾經(jīng)說過：“我珍視類比勝于任何別的東西，它是我最可信賴的教師，它能提示自然界的秘密?！备ダ饰魉埂づ喔芯涿裕骸邦惐嚷?lián)想支配發(fā)明?！笨梢?，類比聯(lián)想可以在兩個不同的知識領(lǐng)域之間傳遞知識，也是產(chǎn)生和形成新的科學(xué)思想與發(fā)明的重要思維方法。

例如，從微小粒子是光等粒子這一事實中，德布羅意推斷出微小粒子也有像光一樣的波。因此，他提出了相對主義的概念，可以展示真實物體的波動理論，這是通過使用適當(dāng)?shù)念惐群皖愃频膶傩约蓪崿F(xiàn)的建模效果。

類比聯(lián)想在物理模型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用并非萬能的，有時也會導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。因此，通過類比聯(lián)想建立的物理模型的正確性和科學(xué)性必須在實踐中加以檢驗。

（四）等效替代

等效替代是指一種建模方法，如果一個研究對象在一個方面的效果與另一個研究對象的效果相同，或者某一個方面兩個研究對象的物理過程有共同的結(jié)果，則可以相互替換。等效替代將更復(fù)雜的物理現(xiàn)象和物理過程轉(zhuǎn)化為等效、簡單的物理現(xiàn)象與過程，以便更好地優(yōu)化這個問題。4A02A196-6C83-430C-8B2B-6CDFDD91B1EA

變速運(yùn)動對應(yīng)勻速度運(yùn)動，引入了“平均速度”的概念;交流電對應(yīng)直流電，引入“電流的有效值”“電壓的有效值”的觀念;電容、電感對交流電的作用對應(yīng)電阻，引入“容抗”“感抗”的理念等。

例如，在一組電路中，有兩個電阻器是串聯(lián)的，原來的阻值之和就是總電阻，如果兩個電阻器是并聯(lián)連接的，那么總電阻是原來阻值倒數(shù)之和的倒數(shù)，這里所謂的總電阻就是等效的原值，是獨(dú)立于等效方法的類型。這種思維方法的規(guī)則只有一種，即為了保持效果不變，不同屬性的力可以組合起來獲得等效的力量，工作和傳熱在改變物體的內(nèi)部能量方面是等價的，但它們本質(zhì)上是不一樣的。

有了等效的概念，泄漏電流的電容器可以對應(yīng)與電阻器平行的理想電容器，有電阻的線圈與電阻器串聯(lián)的理想線圈相對應(yīng)。實際電源對應(yīng)于連接到內(nèi)部電阻器的理想電源，即使在處理不同的物理問題時，也可能存在某些方法的等價性，如力學(xué)和幾何光學(xué)的等價性、電磁和機(jī)械數(shù)量等。物體運(yùn)動之間的相互作用往往比較復(fù)雜，因為一個物理物體和另一個（或幾個）物理物體在同一場景中同時作用，人們往往把物理事物復(fù)雜化為等效簡單、易于研究的物理事物，這種方法被稱為“等效替換”，是解決物理問題的重要思想，相同或不同的問題可以通過等效等同于典型模型。

有些物理過程是隱藏的、復(fù)雜的，很難直接研究，而等效替代可以用來創(chuàng)建適當(dāng)?shù)牡刃锢砟Ｐ?，更加直觀、簡單，更容易學(xué)生直接學(xué)習(xí)。例如，在LC振蕩電路的研究中，鐘擺振動模型用于模擬電磁振蕩過程。在LC振蕩電路的充電和放電過程中，電流、電容器板之間的電壓、場強(qiáng)度、電場能量、線圈中的磁場能量等物理量的變化，可以在一周內(nèi)通過簡單鐘擺運(yùn)動序列中的相應(yīng)物理數(shù)量進(jìn)行比較和分析。筆者發(fā)現(xiàn)，雖然簡單的鐘擺和LC振蕩電路的結(jié)構(gòu)不同，但它們的動態(tài)特性會隨著時間而改變，所以可以創(chuàng)建相應(yīng)的替代模型。

再例如，筆者在物理課上遇到這樣一個例子：長度L的光滑鋼絲纏繞成H高度的彈簧，彈簧垂直連接到地面?，F(xiàn)在，一個小環(huán)被放在鋼絲上，從最高點(diǎn)釋放到其余點(diǎn)，小環(huán)沿著彈簧滑向最低點(diǎn)的時長。顯然，這個問題的物理過程更加微妙和復(fù)雜。此時，我們需要將隱藏改為直觀，將復(fù)雜化為簡單，并使用等效替代創(chuàng)建物理模型。螺旋運(yùn)動相當(dāng)于傾斜平面上的線性運(yùn)動，球體可以認(rèn)為是物體在長度L和高度H的光滑傾斜平面上靜止滑出的過程，采用牛頓第二定律能很容易解決?？梢?，等效替代可以作為解決難題和簡化難題的重要思維方式來發(fā)揮作用。

（五）假設(shè)驗證

物理建模中，假說是重要方法。恩格斯說：“只要自然科學(xué)在思維著，它的發(fā)展形式就是假說?！奔僬f建模是指在現(xiàn)有理論事實的基礎(chǔ)上，在物理現(xiàn)象的真相不明的情況下，創(chuàng)造新的物理模型，從根本上揭示物理現(xiàn)象的本質(zhì)的方法。該模型可以解釋現(xiàn)有的實驗事實并預(yù)測可能的結(jié)果。假說是對物質(zhì)本質(zhì)的不完全概括。因此，假說方法創(chuàng)造的模型必須根據(jù)條件的變化進(jìn)行實驗驗證、補(bǔ)充和完善。例如，為了創(chuàng)建原子核模型，每個重大發(fā)展都基于相應(yīng)原子核模型（假設(shè)結(jié)構(gòu)）的變化，然后使用新的實驗或事實驗證其正確性。

四、結(jié)語

構(gòu)建物理模型對提升課程教學(xué)質(zhì)量有著重要作用和影響，能夠簡化問題，發(fā)展學(xué)生的想象力，提升學(xué)生的思維能力，推進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。而高中物理教材中含有豐富的建模內(nèi)容，教師應(yīng)充分利用課堂建模的相關(guān)材料，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模的技能，提高學(xué)生的思維素質(zhì)和專業(yè)表現(xiàn)能力。

參考文獻(xiàn)：

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※本文系吉林省高等教育教學(xué)改革立項課題“面向新工科的示范性工程創(chuàng)新訓(xùn)練中心建設(shè)與管理研究”。

（作者單位：吉林師范大學(xué)物理學(xué)院）4A02A196-6C83-430C-8B2B-6CDFDD91B1EA