高中物理課堂教學(xué)中模型構(gòu)建的實施

福建省廈門市第二外國語學(xué)校 葉金福

物理模型是根據(jù)模型構(gòu)建對象的主要特征，如對象形狀、對象大小、對象運動狀態(tài)、對象運動過程等。根據(jù)物理模型的主要因素構(gòu)建抽象化的概念或?qū)嶓w。模型的實體與概念源于實踐，但模型的實體與概念和實踐有一定的差別，能夠展現(xiàn)在實踐中現(xiàn)象和過程的特征，讓研究者進(jìn)行深度探究。

物理過程的處理方法和模型構(gòu)建都需要對物理問題進(jìn)行分析和研究，在教學(xué)時教師需要厘清設(shè)計物理模型的思維，結(jié)合模型的建設(shè)過程，開展探究性學(xué)習(xí)，使學(xué)生利用模型分析復(fù)雜的物理問題并最終解決物理問題。讓學(xué)生通過構(gòu)建模型分析物理問題中的主要因素和次要因素。模型法能讓高中學(xué)生擁有最基礎(chǔ)的科學(xué)抽象思維，并利用抽象思維學(xué)習(xí)物理問題，讓學(xué)生的創(chuàng)新能力在物理學(xué)習(xí)中獲得大大提升。物理模型法更能讓學(xué)生了解物理學(xué)的基本研究方法。在高中階段的物理課堂教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生對模型的構(gòu)建可以從以下幾個方面入手。

一、課堂教學(xué)中應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生物理模型建構(gòu)的思想

解答物理問題能讓物理信息和學(xué)生頭腦中已有的知識聯(lián)系。通過將物理問題和物理知識聯(lián)系，讓問題的本質(zhì)變得清晰和自然，解決物理問題時，需要摒棄物理問題里的不重要因素，結(jié)合物理問題的核心是解決物理問題。根本方法是利用建模思想路徑，尋求物理建模過程，尋找物理問題的解決思路，比如讓學(xué)生嘗試構(gòu)建勻速運動模型，構(gòu)建理想化中的模型，發(fā)現(xiàn)物理學(xué)中的普遍規(guī)律，最終解決物理學(xué)問題。

物理建模思想是在遇到物理問題時，無法通過概念進(jìn)行處理，而需要先剔除和核心思想無關(guān)的次要因素或者是不影響結(jié)果的次要因素，通過構(gòu)建主要因素之間的問題去理清問題的本質(zhì)，最終構(gòu)建理想化的物理模型、解決實際問題的一種抽象思維。學(xué)生在理解物理概念時，通常難以理解物理概念的實質(zhì)，難以把握電場強(qiáng)度、電勢能、磁通量等復(fù)雜抽象的概念。構(gòu)建概念化模型是解決物理問題最高效的思維模式，通過構(gòu)建能或場的概念，讓學(xué)生認(rèn)識磁場的性質(zhì)和能量，在磁場中轉(zhuǎn)化的過程，了解能量的變化，通過模擬靜電類比重力場讓學(xué)生掌握能與場相關(guān)的物理知識。

教師要從解決物理問題的實際出發(fā)，讓模型學(xué)在物理學(xué)發(fā)展的過程中和學(xué)科知識相互滲透展現(xiàn)模型的特點，突出模型的外在形象美，令學(xué)生通過模型了解物理學(xué)科的魅力。讓學(xué)生在解決問題時優(yōu)先考慮模型這種模式，教師在開展物理習(xí)題課教學(xué)時，要讓學(xué)生總結(jié)模型，理解模型的內(nèi)涵，讓學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)物理知識時從模型入手，了解模型中不同物理概念的意義。

二、課堂教學(xué)中應(yīng)想方設(shè)法激發(fā)建模欲望

在物理課堂上，教師要激發(fā)學(xué)生的建模欲望，需要結(jié)合物理學(xué)科的特點，也需要結(jié)合學(xué)生的心理需求，促使學(xué)生在掌握一定知識的基礎(chǔ)上形成建模興趣。在解決問題時，學(xué)生會遇到各類突發(fā)情況，也更容易受到這些突發(fā)情況的影響。因此學(xué)生會有更多解決現(xiàn)實問題的欲望。當(dāng)生活經(jīng)驗和親眼目睹的實際與物理理論出現(xiàn)矛盾時，學(xué)生就必須用正確的方式和公式解決遇到的現(xiàn)實問題。例如，在分析拔河比賽的作用力時，需要結(jié)合拔河雙方的作用力與地面的摩擦情況，對拔河中力的作用力進(jìn)行分析，研究拔河中不同對象的受力。在解決物理問題時，要根據(jù)問題情境引導(dǎo)學(xué)生細(xì)致而全面地分析。

在上課時可以結(jié)合物理學(xué)史中的著名問題構(gòu)建模型，通過分析物理學(xué)的歷史史實和物理學(xué)的經(jīng)典問題提煉高中物理的知識點，讓學(xué)生感受物理發(fā)展歷史的同時又能解決物理學(xué)中的經(jīng)典問題和高中物理學(xué)中的基礎(chǔ)問題，從而提高學(xué)生對知識本源的興趣。例如教師可以引入著名物理學(xué)家居里夫人在放射性元素方面的卓越研究，并且將居里夫人的研究當(dāng)作帶電粒子在磁場中勻速運動的背景材料，為枯燥的課堂增添趣味。通過構(gòu)建完整的模型激發(fā)學(xué)生探究與利用物理模型，直觀且形象地讓學(xué)生第一次對物理產(chǎn)生美的認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生想通過自己的實踐去創(chuàng)造模型的愿望。

三、課堂教學(xué)中運用“從例子到規(guī)則”的方法，幫助學(xué)生正確建立物理模型

在日常課堂教學(xué)過程中，教師要為學(xué)生展現(xiàn)物理模型相關(guān)的許多教學(xué)案例，讓學(xué)生辨別物理模型的特征，概括物理模型的本質(zhì)。在教學(xué)過程中，教師一定要注意引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注模型的突出特征，控制和模型研究問題無關(guān)或次要的要素，物理模型的特征越明顯就越方便學(xué)生抓住學(xué)習(xí)的重點。如果模型設(shè)計的無關(guān)元素越多，就可能導(dǎo)致學(xué)生的注意力出現(xiàn)偏差，從而出現(xiàn)學(xué)習(xí)困難。物理模型的學(xué)習(xí)中，教師要善于幫助學(xué)生對已學(xué)物理模型進(jìn)行歸納與總結(jié)，更要善于引導(dǎo)學(xué)生自己進(jìn)行這項工作，有利于學(xué)生總結(jié)知識，積累經(jīng)驗，這是物理模型構(gòu)建中必要且重要的，也能讓學(xué)生學(xué)習(xí)的物理模型更加精確。同時教師也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兪接?xùn)練，改變物理模型的非關(guān)鍵性特征，讓學(xué)生看破不同的表現(xiàn)形式，抓住物理模型的本質(zhì)。

物理模型的實現(xiàn)和建構(gòu)需要積累知識經(jīng)驗，因此構(gòu)建模型的行為是循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程，可以通過以下過程，對物理模型有完全的認(rèn)知：

第一步：利用實踐中的物體映射能肉眼觀察的影像并存儲模型。教師可以引導(dǎo)學(xué)生觀察教室中肉眼可見的物體，或現(xiàn)實中學(xué)生經(jīng)常接觸的客觀客體，例如教室里的黑板或者是足球場上運動的足球等，讓學(xué)生觀察足球和黑板的運動情況，對比分析黑板這類靜態(tài)物體的模型。在構(gòu)建勻速運動的模型時，教師可以通過實驗的模式讓學(xué)生觀察勻速運動的小車各點的運動變化情況和小車整體的運動過程，讓學(xué)生了解質(zhì)點這一重要模型，通過實踐案例讓學(xué)生理解物理學(xué)中質(zhì)點的意義，在應(yīng)用中學(xué)會利用質(zhì)點模型的特性和質(zhì)量特征來描繪物體。利用質(zhì)點模型簡化物體，在研究時可以拋開物體的大小特性，并將物體當(dāng)作質(zhì)點處理，讓學(xué)生理解質(zhì)點類似的物理學(xué)客觀概念，這些深奧的物理學(xué)概念都可以通過模型進(jìn)行構(gòu)建。

第二步：利用分清主要因素和次要因素的思想來構(gòu)建模型、存儲模型。在分析帶電粒子在電場中的運動時，學(xué)生應(yīng)當(dāng)運用質(zhì)點建模分析受力對象探究，質(zhì)點對受力對象產(chǎn)生的電場力，通過構(gòu)建與平拋運動類似的模型和重力下的平拋運動模型對比，了解高中物理知識中的主要因素，在物理學(xué)中運用哲學(xué)的辯證法思想。如此一來，長此以往學(xué)生就可以了解在同樣的電場中電粒子的重力小于電場力，簡化問題。通過對比重點因素和次要因素確定重點因素，學(xué)生能夠理解力學(xué)中的勻速力磁場，通過突出重點因素的形式構(gòu)建模型。

第三步：創(chuàng)建物理模型不僅要求學(xué)生有較強(qiáng)的抽象思維能力，還要有探究物體運動變化的抽象過程的知識增加與能力的提高，比如讓學(xué)生對力學(xué)中的平拋運動、自由落體運動有越來越深刻的認(rèn)知，對這些運動相關(guān)的模型也日益熟悉。在模型認(rèn)知成熟后，學(xué)生就會掌握更全面的力學(xué)知識。高中物理學(xué)要求，學(xué)生不僅要將實體抽象成抽象化物體，還要針對力學(xué)變化過程構(gòu)建模型。根據(jù)循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)原則，學(xué)生在學(xué)習(xí)易學(xué)基本對象后再學(xué)習(xí)電學(xué)中的恒定電流，探究電學(xué)中磁場粒子的勻速圓周運動，繼續(xù)構(gòu)建更復(fù)雜的模型。通過知識的遷移升華知識，提高自己的知識掌握層級，最終構(gòu)建難度更高的模型。

四、課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生逐步形成建模能力

“物理模型構(gòu)建思想”對高中生而言非常重要，教師在幫助學(xué)生培育物理建模思想最重要的是讓學(xué)生去領(lǐng)悟思維，感受建模思想的形成，在分析自由落體時，教師應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生自主感受物體從高空中下落為何被稱為自由落體，通過學(xué)生的親身感受，了解物理學(xué)里自由落體的含義，引導(dǎo)學(xué)生了解自由落體的規(guī)律，讓學(xué)生擁有正確的思考方向，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。

在高中物理教材中有許多抽象化的物理知識，這些知識難以被學(xué)生所理解和接受，如果學(xué)生長期接觸抽象化的知識，會讓學(xué)生失去信心，如果教師在教學(xué)時結(jié)合物理建模思想，讓學(xué)生建設(shè)模型學(xué)習(xí)，便能突出物理問題的重要核心，便于讓學(xué)生理解和掌握，通過幫助學(xué)生疏通思路，讓學(xué)生腦海中有清晰的物理知識樹狀圖。建模的思考方式能讓學(xué)生簡化物理問題的解決流程，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的自信心和成就感。

在培養(yǎng)“物理模型構(gòu)建思想”的教學(xué)過程中教師要幫助學(xué)生構(gòu)建物理思維，關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)方法和思維方式的變化，同時教師也要積極糾正學(xué)生對模型思維產(chǎn)生的錯誤理解。例如部分學(xué)生在學(xué)習(xí)物理學(xué)知識后認(rèn)為模型是理想化的，不能用理想化的模型套用實際的情況，這部分學(xué)生無法理解教師導(dǎo)出的公式。在這時身為教師，我們要讓學(xué)生通過親身體驗感受物理模型的特點與好處，讓學(xué)生了解物理模型在解決題目時發(fā)揮的重要功能，強(qiáng)調(diào)物理模型的條件性特征。在實踐中，客觀事物的運動是由復(fù)雜規(guī)律交織而成的，需要慢慢去探索，去領(lǐng)會其中的奧秘。理想狀態(tài)的物理模型代替真實客體的運動，能夠簡化物體運動的模式，讓事物的發(fā)展規(guī)律能夠以物理學(xué)的形式呈現(xiàn)，便于學(xué)生掌握知識的根本內(nèi)涵。如果學(xué)生能夠掌握物理模型的構(gòu)建方法，并且在題目的學(xué)習(xí)中運用物理模型構(gòu)建思想，那么學(xué)生就能對物理學(xué)知識有更深刻的認(rèn)知。培養(yǎng)學(xué)生的思維知識是教學(xué)的創(chuàng)新，需要教師重點關(guān)注。讓學(xué)生認(rèn)識物理模型與理解物理模型也是物理教育的創(chuàng)造過程，這個過程能培育學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，讓學(xué)生對物理模型產(chǎn)生正確的認(rèn)知，是培養(yǎng)學(xué)生物理素養(yǎng)和創(chuàng)造能力無可替代的有效渠道。

五、高中物理課堂教學(xué)中構(gòu)建模型的幾種途徑

1.觀察——實驗——建模。

認(rèn)識和了解自然現(xiàn)象離不開觀察和實驗，以公路的路基鋪設(shè)情況為例，教師應(yīng)當(dāng)要求學(xué)生觀察公路轉(zhuǎn)彎處路面傾斜情況，在學(xué)生掌握勻速圓周運動基本知識的前提下引入勻速圓周運動模型，解釋設(shè)計原理，讓學(xué)生充分理解物理知識在交通中的應(yīng)用，理論與實際相結(jié)合的教學(xué)方式使學(xué)生在頭腦中形成清晰的實際情景。借此還可以解釋火車的鐵軌鋪設(shè)原理等，讓學(xué)生明白為何可以對車輛建立物理模型，將其看做質(zhì)點，對車輛的運動模型建立物理模型即勻速圓周運動模型，并以受力情況為切入點解釋其做圓周運動的原因。還可以利用課本中勻減速運動的相關(guān)知識計算車輛的行駛速度。訓(xùn)練學(xué)生觀察、實驗、根據(jù)已有知識對問題進(jìn)行抽象建立物理模型的能力。

2.類比——聯(lián)想——建模。

類比就是經(jīng)過觀察分析明確某些事物在某些方面具有相似之處時，可以根據(jù)已有的知識對它們某些性質(zhì)進(jìn)行相似的推論。類比可以幫助學(xué)生利用較為熟悉的物體的性質(zhì)理解學(xué)生并不是很熟悉的物體的性質(zhì)，以完成對問題的解答。學(xué)生在理解電場的分布和電勢能時可能并不容易，特別是涉及變化過程的知識并不好掌握，此時就可以將重力勢能的知識與電勢能的變化做對比，進(jìn)行類比，降低理解上的難度。在兩種能量變化相似的過程之間建立聯(lián)系，建立一個與用來解釋重力做功與重力勢能變化關(guān)系的模型相近的物理模型。此外這種類比思想還可以應(yīng)用到學(xué)習(xí)玻爾能級結(jié)構(gòu)中，原子核外電子運動動能及電勢能如何變化理解起來并不是很容易，尤其是發(fā)生電子軌道躍遷時二者大小變化理解起來更為困難。此時就可以引入人造衛(wèi)星運動模型這種學(xué)生熟悉擅長的物理模型進(jìn)行類比，電子可以與衛(wèi)星進(jìn)行類比，萬有引力就可以等效為庫侖力，電勢能與萬有引力勢能進(jìn)行類比，電子動能可以與衛(wèi)星的運動動能形成一個類比。類比可以使解題的方向更加清晰，也可以幫助學(xué)生對情景有一個更清晰的構(gòu)建，建立起的物理模型也就更有說服力。類比聯(lián)想拓寬了學(xué)生的想象空間，思維方式也會更加發(fā)散和深入。

總而言之，物理模型方法在物理學(xué)研究以及學(xué)習(xí)中占據(jù)非常重要的地位。物理課堂在教授學(xué)生物理建模的過程中更好地鍛煉了學(xué)生科學(xué)思維的能力，對于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升也起到重要積極影響。教師在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)格外關(guān)注物理模型促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的特性，不斷地探索，有效地利用每一種方法，培養(yǎng)學(xué)生物理建模思想的形成。

綜合如上所言，高中物理課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識和理解模型形成，培養(yǎng)學(xué)生初步具備“物理模型”構(gòu)建的思維、進(jìn)行簡單“物理模型”構(gòu)建的能力是復(fù)雜與長期的過程，需要教師和學(xué)生雙方進(jìn)行訓(xùn)練，立足物理課堂教學(xué)找到模型化方法與物理教學(xué)的更好的契合點，不斷地積累、挖掘和領(lǐng)會。