物理模型的教学实践探讨

游传政

摘 要：物理模型是物理学中常见的也是重要的一种研究方法，它把复杂问题简单化，帮助我们理解物理规律。教师应用物理模型讲解物理知识时，更清楚简洁；学生通过对物理模型的学习，能更容易地掌握物理规律和现象。教师通过总结各个物理模型的内在联系和区别，找到解决学生学习物理模型过程中遇到的困难的方法，才能真正发挥物理模型在教学中的作用。因此，物理模型的教学实践探讨显得尤为重要。

关键词：物理模型；教学实践；探讨

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）7（S）-0003-3

物理学研究物质的基本结构和运动的基本规律，在研究过程中，实际的事物和规律都是错综复杂的，常需要对它们进行必要的简化，忽略次要因素，突出主要因素。物理模型就是用理想化的方法将实际中的事物和规律进行简化，帮助人们理解复杂事物和规律，研究不易观察到的现象，并透过现象，看到本质的一种重要的研究方法。在物理教学过程中，帮助学生建立和理解物理模型，对学生学好物理起到至关重要的作用。

1 物理模型的分类

我们谈论的物理模型既可以是一个实体，也可以只是一个抽象的概念，一种分析问题的方法。它是反映特定的物理现象和物理问题的理想化实体、理想化过程、理想化状态、理想化结构。根据归纳中学和中职物理所涉及的物理模型，一般分为对象模型、条件模型和过程模型。

1.1 对象模型

对象模型是物理学所研究的客观存在的实际物体，但是通过简化抽象建立起来的物理模型。“质点”模型就是其中一种，在力学中研究某些物体的运动时，如果物体本身的尺寸与研究问题中的距离相比很小，又不考虑物体的转动等因素时，就可以忽略物体的大小和形状，重点突出物体的质量与位置，用一个有质量的点来代替整个物体。如研究地球的公转时，可以把地球看成是质点，而研究地球自转时就不能看成质点了。类似的还有点光源、薄透镜、点电荷、单摆、弹簧振子、刚体、理想气体、理想变压器、原子核式结构等，都是对象模型。

1.2 条件模型

对象模型在运动、变化过程中，总要受到各种条件的制约，使问题变得很复杂。条件模型就是为了便于研究，忽略次要因素，抓住主要因素，重点突出物体与主要条件之间的内在联系而建立起来的理想化模型。例如在平面上运动的物体，若摩擦力与物体所受的合外力相比很小时，这个平面就可以视为光滑平面，这就是一个条件模型。还有细绳、轻滑轮、轻质细杆、绝热容器、不计电阻的导线、理想电表、均匀介质等都是条件模型。

1.3 过程模型

过程模型是指物体在理想条件下的运动、变化过程，是一个高度抽象的物理过程。例如平抛运动，运动小球是具有质量而不计大小的“质点”，从水平抛出到整个运动的过程中，只受到恒定的重力作用。我们忽略空气阻力的作用，忽略重力加速度随高度的变化，忽略地球的自转等次要因素，而建立的“平抛运动”就是一种理想化的过程模型。还有匀速直线运动、匀变速直线运动、简谐运动、自由落体运动、弹性碰撞、等温变化、绝热过程、自由振荡、光电效应等都是过程模型。

2 学生学习物理模型过程中存在的问题

虽然对物理模型进行了分类，但是物理学中的物理模型种类繁多，学生实际学习过程中存在诸多问题。

2.1 物理模型知识缺乏联系

物理模型帮助学生理解物理知识起到很好的作用，但是中学物理内容非常多，各个部分的物理模型又各有特点，要真正掌握还需要培养学生的理解力及记忆力。而实际学习过程中，学生看到如此纷繁复杂的物理模型，就产生了畏难情绪，导致知识掌握不好。实际上，有的是因为学生没有把各个知识点串联起来，找到内在联系。比如力学中的受力分析，重点就是教会学生理解几种典型的受力模型。当学生搞清楚后，对后续的运动规律的理解就会事半功倍，而且会增强学习的信心。反之，力学没有学好，打击了学习兴趣，后面的运动学就难以理解了，继而影响后续其他物理知识的学习。

2.2 建立和应用物理模型的抽象思维存在困难

物理学家在分析研究一个物理问题时，经常采用建立“物理模型”的办法，以便更好地理解和找到问题的根本。但是这需要对该物理问题有很深刻的认识，知道什么是主要因素，什么是次要因素。而很多学生对陌生的物理知识还没有完全理解，更不用说知道什么是重点了，当需要从实际问题抽象成物理模型时，就会存在困难。比如共点力平衡问题，一个物体的静止或匀速运动很好分析，但是两个以上物体或连接体的平衡问题就很难理解了。究竟有几个力作用，有没有摩擦力，哪些是相互作用力等等问题，要采用“隔离法”来研究，对初学者有一定难度。还比如超重失重问题、碰撞模型、原子行星模型、波尔模型等。

2.3 建构物理模型不合理

学生在学习物理模型时，如果没有充分理解该知识点的主要内容，当套用物理模型解题或分析问题时，就会出现建构不合理的问题。例如利用机械能守恒定律时，如果物体除了重力或弹力做功外，还有其他力做功，就不能随意套用该定律。还比如自由落体运动、理想电流表、理想电压表、理想气体等。

3 物理模型在物理教学中的实践

学生学习物理知识和物理模型存在诸多问题，但是解决问题的方法依然是物理模型本身，关键是如何采用更好的方法来帮助学生理解记忆。所以，抓住重点，突出重要的物理模型，联系相关知识点，找到相同点和不同点，即采用“找关系、作比较”的方法，帮助学生树立信心，才能解决问题。

3.1 利用物理模型建立系统的知识结构

中学物理中力、热、光、电等各个部分都有物理模型，把每部分的物理模型整理清楚，建立系统的知识结构，就掌握了该部分的核心内容，而且更容易理解记忆。比如我们以力学部分举例说明。力和运动关系是中学物理中的最重要的部分之一，也是考试的重点。学生学不好，主要是对力与运动关系的知识体系模糊混乱。借助物理模型的帮助，将有效地帮助学生建立良好的知识结构。这一部分的基本模型有：力的模型、质点模型、匀速直线运动模型、匀变速直线运动模型等。通过学习总结，让学生在头脑中形成清晰的知识结构。“牛顿运动定律”是核心，重力、弹力、摩擦力等各种力和匀速直线运动、匀变速直线运动等质点的基本运动，都抽象为物理模型，而且都是通过牛顿运动定律建立起关系的，特别是解题过程中，首先就要想到牛顿运动定律。还比如利用电流的磁效应和电磁感应现象建立的电动机及发电机基本原理模型，就是总结电学和电磁学关系的重要模型。

3.2 将物理模型进行比较，理清知识脉络

利用物理模型的相似性进行类比，还可以有效地促进知识的迁移，理清其他部分的知识脉络。例如带电粒子在电场中的偏转与平抛运动模型相类似，教师可以利用平抛模型来帮助学生理解带电粒子在电场中的偏转问题。同时概括出这两种运动的共同属性，即当合外力大小不变、方向与初速度方向垂直时，物体将做类平抛运动，进而总结出类平抛运动的概念和基本特征。还比如重力势能与重力做功关系和电势能与电场力做功关系比较，电位与水位进行类比，电场线与磁感线对比等，都可以利用物理模型进行分析。

3.3 通过物理模型培养学生科学的思维能力

直观的形象思维是学生的基本思维能力，但是往往有很多物理问题无法直观表现出来，为了让学生更好的理解，有直观印象，就需要借助物理模型。但是在理解该问题时，又不能浅显直观地表达，而需要具备抽象的逻辑思维能力。这就要通过物理模型来培养学生思维能力的发展。比如讲磁场时，为了便于学生感知看不见、摸不着的磁场，我们就用碎铁屑的规则排列把磁场显示出来，让学生用眼观察。学生就能接受“磁体周围存在磁场”这一物理事实了。接着再要求学生把自己看到的碎铁屑的排列情况用笔画出来。这样磁场的模型——磁感线就被学生画出来了。然后再讲解磁场的性质，学生头脑中就形成了磁感线的模型，就能更好地理解了。

还有理想化的方法，是科学抽象的一种形式，在中学物理中经常会涉及。如质点、刚体等是把物体本身理想化；又如忽略空气阻力、光滑表面等是把物体所处的条件理想化；还有理想气体，实际上不存在，但是对于高温、低压下不易液化的气体如氢、氧、氮、氦以及空气等都可以当作理想气体来处理，用理想气体状态方程来计算，误差很小而且非常简单。在教学中让学生熟知各种理想化对象模型和理想化过程模型，并采用实验、多媒体教学等手段帮助学生形成正确的物理印象，使学生的思维能力得以培养。

3.4 讲解物理模型的应用，锻炼学生理论联系实际的能力

中学物理的基本课程目标之一就是要求学生“学习终身发展必备的物理基础知识和技能，了解这些知识与技能在生活、生产中的应用，关注科学技术的现状及发展趋势”。通过物理模型教学，讲解物理模型的实际应用，让学生理解生产生活中的物理知识，解释生产生活中的物理现象，从而锻炼学生理论联系实际的能力。特别是中职学校的学生，把物理模型知识和相关专业联系起来，学以致用。如带电粒子在电场或磁场中的运动，联系实际就是示波器或电视机显像管的应用。还有电感线圈模型的自感现象在变压器、日光灯中的应用，透镜模型的成像规律在照相机、显微镜中的应用等。

实际上，物理模型教学的目的是提高学生学习物理的兴趣，降低学生理解物理知识的难度，最终学好物理课程。除了利用好物理模型这个科学手段外，还需要教师不厌其烦，耐心讲解，调动学生的积极性，并采用多种教学方法和手段相结合，才能让学生掌握并运用物理知识分析解决实际问题，提高科学文化素质，掌握基本的实验技能和技巧，为以后的学习打下扎实的基础，让物理课程真正发挥它基础自然学科的作用。

参考文献：

[1]贾光武.高中物理模型教学的研究与实践[D].兰州：西北师范大学硕士学位论文，2006.

[2]程红光.高中物理教学中的模型构建及其实践[D].武汉：华中师范大学硕士学位论文，2012.

[3]丁振华.技术物理基础[M].北京：高等教育出版社，2004.

（栏目编辑 赵保钢）