高中物理教学中培养学生的建模能力

李伟志

鉴于物理现象的复杂性，在研究物理问题时不可能一丝不漏地考虑到一切因素.为了向学生展示事物本质，在教学中教师通常会将物理问题化繁为简，舍弃次要因素，用模型来描述物理过程.物理模型实际上是对物理世界的模拟或重建——将不重要的因素删除，抓住物理现象的基本规律与知识，向学生呈现物理问题的本质.物理模型是物理知识的凝结、概括.物理建模，便于学生看清物理现象，理解物理知识.

一、研习教材，基于物理基础知识构建模型

例如，在讲“万有引力定律”时，这部分内容涉及天文学、宇宙星系等知识，并伴有大量的公式，学生不容易掌握知识点.经过对教材的综合分析，笔者将该部分教学内容概括为两个物理模型.

第一个是行星模型（如图1）.M为行星、月亮、地球、太阳灯中心天体，m为地球、月亮、卫星、行星等围绕天体进行圆周运动的星体.万有引力作向心力是模型的动力学特征，匀速圆周运动是模型的运动学特征，故得出：GMmr2=ma=mv2r=mω2r=m4π2rT2；继而得出一系列结论：a=GMr2∞1r2；v=GMr∞1r，m=GMr3∞1r3，T=4π2r3GM∞r32.

第二个是球体模型（如图2）.在天体M的表面，跟随M一起运动的是m.如果忽略M的自转，则万有引力等同于重力：G（Mm/r2）=mg.但是图1行星模型的结论并不适用于此处的m.比如，周期T和轨道半径r32并不成正比，却和天体M的自转周期相等.通过建立物理模型，使学生对物理知识一目了然，理解起来相对容易.

二、引导学生运用物理模型解决实际问题

某些物理问题对学生而言是陌生的.在高中物理教学中，教师应该运用学生熟悉的物理模型来呈现陌生、复杂的物理问题，从而提高课堂教学效率.

例如，在发射地球同步卫星的过程中，首先把卫星发射到邻近的地圆轨道1，点火后，让卫星沿着椭圆轨道2运行，第二次点火后，再把卫星发射至同步圆轨道3.轨道1和轨道2相切于点Q，轨道2、轨道3相切于点P，如图3.比较：（1）卫星在轨道1上时经Q点的加速度与卫星在轨道2上时经Q点的加速度.（2）卫星在轨道2上时，经P点的加速度与卫星在轨道3上时经P点的加速度.

有的学生未能理解卫星在地圆轨道运行和卫星在椭圆轨道运行有何区别，所以便运用卫星匀速圆周运动的公式a=v2r比较加速度.但是，当卫星运行在轨道2时，速率改变了，万有引力便不再等于向心力.沿着椭圆轨道2，卫星经过Q点与P点时的轨道半径并非与圆形轨道1、3的半径相同，而是应该确定椭圆轨道2中的Q点、P点的曲率半径.该题目是要比较卫星在轨道1、轨道2上经过Q点与P点的加速度，那么就必须抓住题目中的关键词——加速度，继而思考和分析哪些因素会影响卫星的加速度，再从牛顿第二定律公式着手来解答题目.

分析物理题目的过程需要学生逻辑严密、思考周全.在教学中发现，有的学生审题不认真，或者被固有的思维模式所禁锢，在题目未审完的情况下就开始习惯性地套用公式解题，也没有抓住题目中的关键词语，只是主观地附加上一些条件.教师在引导学生审题时应该指导学生正确审题的方法，帮助学生养成科学的审题习惯，提高学生审题的速度与准确性.物理建模的目的，是帮助学生把物理理论知识与实际问题相联系，从而让学生对物理知识的理解更加透彻，提高学生分析物理问题的能力.在高中物理教学中，教师应该注意搜罗生活、社会中的物理现象与科学技术，了解最新的科技發展动态，加以整合运用，丰富物理课堂内容，为物理教学提供多元化的素材.

总之，在设计物理模型或者在物理建模教学中，教师要向学生讲明物理建模的作用，让学生用科学的眼光看待物理模型，从模型中找到物理条件，帮助学生纠正固有的思维逻辑形式，提高学生的创新思维能力.