高中物理模型构建及教学策略

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摘要：物理模型构建是物理学发展的重要方向。高中物理模型虽然不同于科学研究中的物理模型，但两者思维过程的本质是一样的。本文主要介绍高中物理模型的构建、构建模型的教学策略、使用模型应注意的问题。

关键词：物理模型；模型构建；教学策略

物理学是一门研宄自然现象和事物的科学，而事物之间有复杂的联系，这使得研宄产生了复杂性，这就要求我们对其进行科学的抽象，建立起能反映物理客体本质属性的理想模型。任何一个物理模型，都表征着对一个运动的本质描述，既标志着对运动的认识深度，也标志着对运动的概括能力，从这个意义上看，一个物理模型代表着一种物理思维。

一、高中物理模型的构建

物理模型构建与科学研究中的物理模型构建既有联系又有区别。首先两者构建主体的知识背景不同，前者是仅有中学知识水平的学生，后者是拥有丰富物理学、天文学、数学等知识功底的物理学家；其次两者构建的要求不同，前者是根据高中物理课程标准的要求设计的，后者是根据科学研宄的要求设计的；再次两者构建的目标不同，前者是为了让学生更好地认识物理基本知识和基本规律，后者是为了更深入的认识一个物理事件的本质。但从根本上说两者思维过程是一致的，都通过探宄，使用归纳、演绎、类比等思维方法，将己有物理知识进行假设、模拟，把复杂的事物进行简化、抽象构建一个能反映原型物理本质的模型，进而通过对模型的研究获取原型的信息，为形成理论建立基础。1．物理概念模型的构建。物理概念不仅是物理基础知识的重要组成部分，也是构成物理规律、建立物理公式和完善物理理论的基础与前提。物理概念是人类智慧的结晶，凝结着很高的智力价值，是培养学生思维品质、提高能力的好材料。给抽象的或复杂的物理概念建立模型，能帮助学生认识物理事物的本质，如“电场强度”概念模型的构建：通过观察与分析可知，同一个检验电荷在场源电荷0形成的电场中的不同位置所受电场力大小、方向均不同。这个电场力是同一个电场对同一个检验电荷的，所以，场源电荷周围不同位置的电场有强弱之分和方向之别。因此，要引入物理量描述这种性质一一电场强度。（1）电场强度的方向同一检验电荷在电场中不同的点所受电场力方向不同，因此，场强不仅有大小，而且有方向，是矢量。用检验电荷所受电场力的方向表征场强方向比较恰当，但是正、负检验电荷在电场中同一点所受电场力方向相反，怎样定义场强方向呢？回顾初中磁场方向的定义，小磁针AT、s极受力方向也是相反的，于是人为规定：小磁针＃极受力方向为磁场方向，这是人们的一种习惯。电场强度方向的定义也是如此，规定带正电的检验电荷所受的电场力方向为场强方向。（2）电场强度的大小据库仑定律知点电荷＾在场源电荷0形成的电场中某点所受的电场力大小一定，不同位置所受的电场力大小不同，且都与点电荷9的电荷量成正比（分析数据表略）。分析数据不难得出：放入电场中某点的试探电荷所受的电场力与试探电荷所带电荷量的比值一定，电场中不同点比值不同，此比值只与场源电荷0有关、与电场中的位置有关，而与试探电荷？无关，该比值就是该点的电场强度。2．物理原理和规律模型的构建。物理原理和规律主要包括物理事物的特征、成因及其发展变化和相互间的联系，这种模型可以让学生更深刻的认识物理现象、运动和规律，如力与运动关系模型的构建。实验探宄1：取三个相同的钢球，将其中两个球分别包裹锡箔纸和棉胶带，在斜面左侧同一高度处静止释放，观察三个小球到达右侧最高点位置。现象：⑴三个小球到达右侧最高点时高度比释放时的高度低一些；⑵普通钢球接近释放时的高度，包裹医用棉胶带的钢球最低。学生猜想：球与轨道间有摩擦，且大小不同。学生体验：感受三个钢球表面的粗糙程度，普通钢球最光滑、包裹棉胶带的钢球最粗糙。探宄结果：三个钢球释放后总是试图达到原来释放时的高度，但由于摩擦阻力的存在，它们总达不到释放时的高度，摩擦阻力越小钢球越接近释放时的高度。探宄实验2：普通钢球从左侧同一高度静止释放，减小右侧斜面与水平面间的夹角。现象：钢球接近释放时的高度，运动的时间和距离会越来越长。推论：继续减小右侧斜面与水平面间的夹角直到右侧斜面水平，再释放钢球，钢球会一直运动下去，永远停不下来。学生认识到不受力作用时物体将保持原来的运动状态不变。在这样一个探究过程中，提出问题、猜想与假设、分析论证等要素十分突出，实验所起的作用也十分明显。3．物理知识系统模型的构建。物理事物各要素之间是相互联系、相互作用、相互制约的，特别是复杂的物理事物影响因素很多，知识系统模型就是把这些影响因素进行分类、归纳，并找到它们之间的相互联系，从而进行快速、有效地整理、分析，形成全面的物理知识系统。如静电场性质模型的构建（如图1所示）。试探电荷在电场中某点所受电场力与电荷a比值图1静电场性质模型的构建形成稳固的“知识链”有利于突出知识递进关系。知识间联系越紧密，就越容易为教学提供一个比较清晰的知识线索，确保学生的学习循序渐近。高中物理理想模型能够把一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。在构建物理模型时，必须遵循以下原则：⑴相似性：在允许的近似范围内，准确地反映物理的客观本质；⑵抽象性：在充分认识客体的前提下，总结出更深层次的理性表述；⑶可控性：以物理模型所表示的物理情景，要能进行控制下的运行及模拟。让学生更透彻的理解物理知识，有助于培养和提高学生的科学思维能力，使学生从前人的科学思维中获得收益，激发他们学习的主动性和刨造性，提高物理教学的有效性。

二、构建高中物理模型的教学策略

构建高中物理模型的教学中，应根据具体教学内容、学生情况和教学资源合理配置。1．建立正确的概念，掌握基本物理和规律。概念、原理和规律是物理学习的基础，也是构建物理模型的基础。2．熟练思维方法。在物理知识的学习过程中，经常会使用归纳、演绎、类比等思维方法，如果对这些思维方法不熟练，会严重影响学生对物理知识的学习、理解和应用，从而影响物理模型的构建。因此，对这些思维方法的训练和指导是必须的。3．落实一定数量的物理模型构建活动。模型的教育意义需要通过“建构”来实现。在模型建构活动中，往往需要进行观察或实验，需要进行归纳和演绎，需要运用己有知识进行假设、模拟、将复杂的事物进行简化、抽象出其本质属性，需要将头脑中抽象的概念具体化、形象化并身体力行。通过亲身参与这样的活动，学生在探索思考中，可以体会到模型建构的方法，获得成功的喜悦，才可能将模型方法内化为认知图式，获得认知水平上的提升。可以说，模型方法的精髓体现在建立模型的探索与发现之中，不亲身经历其中的困惑与发现，很难领悟模型方法的要领与关键。

三、使用模型应注意的问题

高中物理模型教学应该注意以下几个方面：1．物理模型有一定的适用条件。现实世界中，有许多事物与这种“理想模型”十分接近，在一定场合、一定条件下，作为一种近似，可以把实际事物当作“理想模型”来处理，但也要具体问题具体分析。譬如，在研宄地球绕太阳公转运动的时候，地球上各点相对于太阳的运动可以看作是相同的，即地球的形状、大小可以忽略不计，这样就可以把地球当作一个“质点”来处理；但在研宄地球自转时，地球上各点的转动半径不同，地球的形状、大小不可以忽略，不能把地球当作一个“质点”来处理。2．物理模型是在不断完善发展的。同一事物在不同阶段可用不同模型来描述，但其模型总是不断地从初级向高级发展，不断完善。譬如原子模型有代表性的就有汤姆生“枣糕式”原子模型、卢瑟福“原子核式结构”模型、玻尔“轨道量子化”原子模型，再如研究固体比热时有三维谐振子模型、德拜模型等。在中学物理教学中，由于学生知识及能力的限制，对某些物理图景只采用比较低级的模型，如研宄气体性质时，采用理想气体模型，而在普通物理中就采用范氏气体模型。3．理论联系实际。构建物理模型是为了更好的认识物理事物，因此必须把物理模型应用在实际生活中。如建立起单摆这一理想化模型后，理解了单摆的周期公式，可以解决类似于单摆的一系列问题：在竖直的光滑圆弧轨道内作小幅度滚动的小球的周期问题；在竖直的加速系统内摆动的小球的周期问题；在光滑斜面上摆动的小球的周期问题；漂浮在水面上上下运动的木块周期问题等。

作者:陈锋 单位:南京师范大学附属中学