运用物理模型提升学生物理思维品质

姜炜星

（上海市金山中学，上海 201599）

高中阶段学生的思维方式逐步由形象思维升华为抽象逻辑思维.这要求高中物理教学要切合学生的认知和思维特点，融入方法教育，注重学生思维品质的锻炼.在处理物理问题时，我们经常会把复杂的实际情况转化成一定的容易接受的简单的物理情景，以便形成特定的经验性规律，这就是物理模型的建立过程.物理模型的构建不仅使许多抽象的物理问题变得具体、直观，易于理解，同时物理建模过程融合了观察和实验、类比和迁移、归纳和演绎等多种方法，因此模型构建的过程体现的是科学探究和学生思维跃迁的过程.在高中物理的学习过程中渗透物理建模思想是完善学生认知，发展学生思维的需要，可以有效提升学生的物理思维品质，提升高中物理的教育教学质量.在教学实践中，笔者就模型教学提升学生思维品质做了一些尝试和思考.

1 挖掘模型素材，将“隐性”模型“显性”化

“科学方法与知识不同，它所涉及的不是物质世界本身，而是认识物质世界的途径与方式，是高度抽象的，如果只从隐性教育角度进行教学，学生从中也可能学到一些科学方法，但只能是零星的、不连贯的，收效甚微.”［1］模型方法本身是多种方法的综合体，而物理教材中对知识点往往以知识的方式阐述，缺少模型方法层面的提炼和表达，造成了知识的“显性”，模型方法的“隐性”.学生常常学过了知识点，但是却根本不知道与知识关联的物理模型特征，更谈不上运用物理模型类比迁移、归纳分析复杂物理问题.因此要让学生灵活处理物理模型问题，必须充分挖掘和提炼模型素材，引导学生认识物理模型的本质特征，将隐藏在课本和教辅资料中的物理模型显性化.笔者在教学实践中将物理模型按照对象模型、条件模型、过程模型等分类，提炼成表格式的模型认知框架，配上典型问题探究，组织学生进行模型识记和辨析训练，强化建模意识和能力的培养.

以等时圆模型为例，等时圆模型在高中物理教材中并没有明示，是在学习牛顿运动定律应用的过程中根据其特征条件，抽象概括出来的.表1是笔者设计的等时圆的识记辨析表的一部分.通过表格示例让学生在识记的基础上，比较、归纳和反思，从而加深对模型条件的认知.

表1

2 运用形象、动态的物理情景加深模型理解

在物理教学的过程中，可以借助形象生动的物理情景使学生对抽象的物理模型形成简单直观的认识.例如电磁学中的电场线和磁场线模型，可以将不同电荷的电场分布和不同磁体（电流）的磁场分布，以PPT的形式展现出来，配上一些形象的描述，如正点电荷的电场线可以描述成“光芒万丈”，负点电荷可以描述成“万箭穿心”，既形象直观，又增强了趣味性.对于一些动态变化的过程模型，在教学中可借助多媒体课件，通过慢放、回放、暂停等方式，对学生进行实时指导，帮助学生克服思维障碍，形成形象思维的习惯.例如在讲授弹簧振子模型的时候，播放Flash动画，通过设置不同的振子质量、弹簧劲度系数，直观反映振子质量、劲度系数等对弹簧振子特征物理量的影响，同时还能动态展示振子的位移、回复力、加速度、速度、弹性势能、动能的变化过程等.这样的示例还有很多，比如单摆模型、天体运动模型、机械波传播模型等，这些动态的物理模型情景可以帮助学生准确抓住物理模型的本质特征，加深对模型的理解.

3 精心设计模型教学范例，准确把握模型本质规律

在模型教学实施的过程中需要精心设计教学范例，体现模型建构的层次性.从模型概念识记辨析到模型条件抽象再到运用基本模型知识解决复杂的新颖物理问题，循序渐进地让学生实现模型知识的迁移，准确把握模型本质规律，体会模型建构的思维乐趣，完成思维品质的飞跃.

例如在讲授斜面模型时，让学生熟悉斜面模型的特点和物体沿斜面运动的匀加速直线运动的特征.然后引出下面的例题，进行示例分析，在反思中进行复杂斜面模型的知识迁移.

图1

例1.如图1所示，用一根长为L的光滑钢丝均匀地绕成一个高为h的弹簧.现将该弹簧竖直固定在水平桌面上让一个小球穿在钢丝上，并使其由静止开始下滑，假设整个过程中弹簧的形变可以忽略，求小球从最高点滑到桌面所用时间.

再比如在迁移弹簧振子模型时，先分析水平弹簧振子和竖直弹簧振子的区别和联系，然后引出更深层次的复杂模型迁移问题.

图2

例2.一皮带传动装置如图2所示，皮带的速度v足够大，一根质量不计的、劲度系数为k的弹簧一端固定，另一端连接一个质量为m的滑块，已知滑块与皮带间的动摩擦因数为μ，当滑块放到皮带上时，弹簧的轴线恰好水平，若滑块放到皮带上的瞬间，滑块的速度为0，且弹簧正好处于自由长度，则当弹簧第一次伸长到最长时，滑块与皮带间所产生的热量是多少？

解析：假设这一过程传送带的位移s1，滑块位移s2，滑块与皮带间所产生的热量就是Q＝f（s1－s2）＝μmg（s1－s2），但是滑块到底是如何运动的，怎样确定弹簧伸长到最长时滑块的具体位置呢？此时循序渐进，引出学生熟知的竖直弹簧振子模型，如图3（a）所示，分析竖直弹簧振子的受力特点和运动规律.发现竖直弹簧振子始终受到竖直向下不变的重力和变化的弹簧弹力作用，做简谐运动，且平衡位置在合力为0的地方，振子运动相对平衡位置具有对称性.然后让学生类比本题，分析滑块的受力特点、运动特点，并确定平衡位置.发现滑块始终受到水平向左的滑动摩擦力和变化的弹簧弹力，如果将恒定的滑动摩擦力类比成竖直弹簧振子恒定的重力，显然滑块是做的类似竖直弹簧振子的简谐运动，滑块的最远距离为2倍的振幅，即s2＝2A.受力分析如图3（b）所示.平衡位置受力满足f＝μmg＝kA，而传送带匀速前进的位移为

图3

联立后得

通过教学范例的分析，强化模型的迁移和理解，让学生了解虽然物理模型的外在表现各有不同，但却有着共同的模型本质.显然，将熟悉的物理模型迁移到新颖的物理题型中，降低了解题难度，而且借助这样的示范互动教学，开阔了学生的视野，提升了学生的思维品质.

总之，物理模型方法是物理学研究的重要科学方法.在日常的物理教学过程中，积极进行物理模型构建的渗透教学，可以有效地提升学生的建模能力和思维品质，提升物理教育教学质量.

1 邢红军.物理科学方法显化教育的理论与实践研究［J］.中国现代教育装备，2011（24）.

2 李宏伟.建立物理模型，培养学生思维能力［J］.物理教学探讨，2006（8）.

3 张静，郭玉英，姚建欣.论模型与建模在高中物理课程中的重要价值［J］.物理教师，2014（6）.