高中物理教学中物理模型建构能力的培养

吴红琴

物理学主要是对自然界中存在的各种物质运动形态、结构和相互作用的学科，一般来说，物质在运动变化的过程中会受到自身及周围环境的影响或制约，因此这就要求我们在研究实际问题的过程中，要全面地考虑到所有因素，才能化解难题.在解决物理问题时应该遵循化繁为简的原则，在解题时将研究对象的主要因素突出，忽略次要因素，然后根据这些条件构建反应事物本质的理想模型.最后能够根据理想模型来建立一个科学的抽象模型，从而能够将被研究问题的本质特征反映出来，在呈现出来的问题中能够包含其中的主要矛盾，能够便于进一步分析物质运动规律.

1 物理模型概念

由于自然界具有种类繁多的物质种类以及错综复杂的运动状态，因此事物在运动的过程中会呈现出多方面特征，并且还会牵涉到许多方面的因素.而人们在研究自然界的过程中，遵循的是从简到繁、先易后难、循序渐进的原则，基于人们对较为复杂的问题进行处理时的思维过程，从而建立一个突出主题且便于研究的物理模型.对于高中物理教学来说，在传授物理知识时更为重要的是帮助学生掌握物理学研究方法，抽象研究对象的本质特征，并将物体及其运动进行理想化，从而建立物理模型.而学生对物理问题进行分析和解答时，就是对物理模型进行识别、还原、建构以及利用的过程.高中物理作为一门较难的学科，在教学的过程中学生一听就懂，但做起题目来却感到无从下手.高中教学中的物理模型能显著地提高学生学习能力，属于学习的科学方法.物理模型概念包括概念模型、数学模型以及理论模型，现对三种模型概念以及构建方法进行如下分析.

1.1 概念模型

概念模型就是为了对物体或物体运动进行描述，而将其进行抽象化.比如单摆、质点、光线、电场线、弹簧振子以及自由落体运动等.高中生在学习这类概念模型的过程中需要注意：①概念模型本质以及抓住主要矛盾辩证思维，如自由落体运动初速度为零，只受重力而忽略其他阻力.②概念模型适用条件.③区别易混淆的概念模型，如单摆和圆锥摆，单摆是在竖直平面内运动，圆锥摆在水平面内运动；单摆是将重力沿切线方向分解，圆锥摆是将重力沿水平方向分解.

1.2 数学模型

为了反映物质属性及物质运动过程，采用适当的数学工具建立数学模型来对其进行简化和假设.在建造物理模型的过程中，也会不断地建造出反映物理状态及过程规律的数学模型.但数学公式只有量值关系，无法具体地反映出物理的规律，因此为了确保解题的准确性，就需要根据具体的物理情景寻求问题解答.

1.3 理论模型

理论模型就是在研究物理学的过程中，对一些存在的物理现象与现有物理学客观规律不相符的状况进行解释.因此也提出多种假说，其中包括安培说、玻尔氢原子理论等.高中生在学习这些理论模型的过程中，需要尤其注意任何物理理论模型都具有一定的假定性，这些假设的正确性需要依靠实践进行检验.因此，高中物理教师在教学的过程中建构物理模型时，需要积极地引导学生归纳及总结物理模型，从而可以建立最为基本的物理模型方阵.如此，便能让高中生在解题的过程中遇到实际物理问题时，能够迅速且准确地建构物理模型，理清解题的思路.

2 物理模型构建

2.1 抽象法

构建物理模型中抽象法是其主要方法之一，也就是从具体的事物中抽取出具有某方面特征或属性来构建物理模型，在构建物理模型的过程中采用抽象法主要应用于如下几个方面：①确定研究对象；②确定研究范围，抽取客体中拥有某一方面或某一共同具有的属性；③抽取物理客体共同属性.例如，某类物体在受到外力作用时，会使其形状发生改变，而一旦外力撤去此类物体形状又将恢复原状，因此我们便可以根据其具有的共同特性来建立弹簧体模型.

2.2 理想化

在构建物理模型中理想化作为其重要的方法，在构建物理模型的过程中能将所研究的物理对象进行理想化处理.在构建物理模型时应用理想化具有较多的方法：①理想化物理形态；②理想化所处环境；③理想化运动变化过程.例如理想刚体及理想弹簧都是将物理形态进行理想化，绝热和光滑等均是将其所处环境进行理想化，而等压过程就是将运动变化过程进行理想化后建立起来.

2.3 类比法

高中生在解题的过程中对于类比法的应用常常感觉无从下手，本文根据一道类比应用来进行分析.例如，在同一水平面上有A、B两点，且弧长ABR.在A点静止释放一个小球，求小球从A点运动到B点所用的时间.

解题思路 小球受重力及指向圆心的支持力作用类似于单摆的摆球只受重力及指向悬点的拉力作用，槽对小球所产生的支持力对小球不做功相同于单摆悬线的拉力对摆球不做功，并且弧长ABR相似于单摆最大摆角.因此，我们可知小球的运动与单摆的摆球运动具有相同的规律，故小球从A点运动到B点的时间相当于单摆振动的半个周期.因此可以将两者可归结为同一物理模型.

2.4 归纳法

在构建物理模型的过程中采用归纳法就是结合归纳和演绎，通过个别来认识一般.学生在物理模型构建的过程中，可以在大量物理实验以及所得到的数据基础上对物理定理及定律进行归纳，然后根据归纳的物理定理及定律来演绎出新的物理规律.例如牛顿三大定律就是通过大量的实验，利用归纳法而建立起来的物理模型，而通过牛顿三大定律可以延伸出力学定律.因此高中物理教学的过程中构建物理模型的过程中要遵守一定的原则，物理模型必须在满足研究对象本质特征的基础上，做出正确的抽象；然后通过主要因素以及事物之间的复杂联系建立模型.除此之外，物理模型在构建的过程中必须将实验作为基础，并在此基础上不断地完善及发展，从而体现出物理模型的实效性.

2.5 等效替代法

对于研究比较复杂和隐蔽的物理问题时，通常会采用等效替代法来建立物理模型，其中主要包括等效过程、等效作用以及等效结构替代三种方式.现对三种等效替代法的应用过程进行如下分析.

2.5.1 等效过程

比如，从O点沿着水平方向向一堵竖直且光滑的墙壁抛出一个弹性小球，弹性小球抛出点距离水平地面的高度为h，与墙壁的水平距离为s，当弹性小球与墙壁发生碰撞后将落在水平地面上，而落地点距离墙壁的水平距离为2s，如图1所示.因此，在分析的过程中可以对小球抛出后的运动过程设定为等效，这是由 于弹性小球在碰撞墙壁前后的入射与反射速度对称，因此弹性小球的运动可以采用平抛运动进行处理，也就相当于弹性小球从墙壁水平抛出而进行的运动.

2.5.2 等效作用

在对物体受力进行分析过程中常用的一种方法为力的合成与分解，利用等效作用进行替代，其中可以将合力与分力互相进行替代，从而建立物理模型.

2.5.3 等效结构

利用不同结构但机理相同的物理模型等效替代所研究物理问题的内部结构，从而建立替代模型.

综上所述，随着新课程改革的实施，近年来在物理高考题型中越来越多的物理情境为教学过程中常见的物理模型.学生遇到此类题目时会束手无策，不知从何方向进行思考，更不懂得如何利用物理概念及规律进行解题.究其原因主要在于高中学生缺乏对物理模型建构的能力.因此在高中物理教学中为了拓宽学生思维，使学生学会解决实际问题，充分地调动学生学习的积极性，就需要不断地培养学生物理模型的构建能力，从而提高学生的解题能力.