物理建模思想在高中教学中的重要性

张顺锋

摘要：物理模型既是物理学赖以建立的基本思想方法，也是物理学在应用中解决实际问题的重要途径和方法，这种方法的思维过程要求学生在分析实际问题中研究对象的条件、物理过程的特征，建立与之相适应的物理模型，通过模型思维进行推理。基于这种方法，高中物理学习从某种意义上来讲主要是建立基本物理模型并分析、应用、提升的过程。教师在教学中能有效地提高基本物理模型的教学有效性，学生能在学习中提高基本物理模型学习和应用的有效性，那么在学习和理解高中物理内容中将会取得事半功倍的效果，并且近几年的高考中建模思想也体现得很明显。

关键词：高考；物理基本模型；建模思想

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2017）09-0004

物理模型是科学地进行物理思维从而进行物理研究的一种方法。理想的物理模型，既是物理科学体系中光辉的典范，也是解决现实物理问题不可或缺的依据，其重要性不言而喻。它能具体、形象、生动、深刻地反映物理的本质和规律。物理教学应该把物理模型作为重要环节，而物理教学中的基本建模思想正是在这种研究思想的指导下提出的通過一定的抽象思维，适当地对物理研究对象进行理想化设想形成物理模型，进而解决物理问题的一种方法。有效地掌握，合理地运用基本物理模型是提高物理学习效率和提升考试效益的有效方法。尤其是现在课程改革后所使用的教科版物理教材，更加注重对物理基本模型和基本建模思想的培养与应用。所以，加强物理基本模型和基本建模思想的培养对学好物理是大有益处的。

下面，笔者针对高中物理教学中建模方面的问题谈谈自己的看法。

一、物理建模的含义

模型一词，在西文中源于拉丁文“modulus”，意思是“尺度、样本、标准”。钱学森给模型下了这样的定义：“模型就是通过对问题现象的分解，利用我们考虑得来的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所创造出来的一幅图画……”。

物理学是与实际联系很密切，且理论性、系统性很强的学科，其所研究的对象宽泛而繁杂，往往研究对象并不是以一个孤立系统而存在，同时还有可能存在许多的外部影响，为了方便进行物理的理论分析，要将一些对研究会造成影响的因素忽略。当然不能忽略问题研究的本质。这就要求在研究问题时，要根据本质，分析其影响因素的主次，进而抛去次要因素，抓住主要因素，从中抽象出研究对象的简化的理想的物理模型，这样才能更加充分地抓住问题关键，这就是物理建模。

二、物理模型的特点

建立基本的物理模型，应该具有三个特点：即代表性、方法性和美学性。首先是代表性，物理模型是从许多的物理对象中经过有针对性地删减外部因素后保留下来的，它抓住了研究对象的本质，因此每个物理模型都具有非常典型的代表性；其次是方法性，每一个物理模型的确立都不是凭空想象就可以得出来，而是由众多的物理研究人员经过反复思考才最终形成的，物理模型反映了物理学科的研究方法；最后是美学性，我们现在接触到的物理模型都是非常简单但又准确地反映了研究对象的本质状况的，通过物理模型能够简明扼要地揭示物理问题，体现了物理学科的形式美。

三、物理模型的分类以及使用的规律

1. “子弹打木块”模型：三大定律：摩擦生热，临界问题，数理问题；2. “爆炸”模型：动量守恒定律，能量守恒定律；3. “单摆”模型：简谐运动：圆周运动中的力和能问题：对称法，图像法；4. “限流与分压器”模型：电路设计：串并联电路规律及闭合电路的欧姆定律，电能，电功率，实际应用；5. “电路的动态变化”模型：闭合电路的欧姆定律：判断方法和变压器的三个制约问题；6. “磁流发电机”模型：平衡与偏转。力和能问题；7. 电磁场中的单杆模型：棒与电阻。棒与电容。棒与电感。棒与弹簧组合。平面导轨。竖直导轨等，处理角度为力电角度：电学度，力能角度；8. 电磁场中的“双电源”模型：顺接与反接，力学中的三大定律：闭合电路的欧姆定律，电磁感应定律；9. 交流电有效值相关模型：图像法，焦耳定律，闭合电路的欧姆定律，能量问题；10. “能级”模型：能级图，跃迁规律，光电效应等光的本质综合问题；11. 远距离输电升压降压的变压器模型；12. “回旋加速器”模型：加速模型（力能规律），回旋模型（圆周运动），数理问题；13. “质心”模型：质心（多种体育运动）。集中典型运动规律。力能角度；14. “挂件”模型：平衡问题。死结与活结问题，采用正交分解法，图解法，三角形法则和极值法；15. “追碰”模型：运动规律，碰撞规律，临界问题，数学法（函数极值法、图像法等）和物理方法（参照物变换法、守恒法）等；16. “运动关联”模型：一物体运动的同时性、独立性、等效性。多物体参与的独立性和时空联系；17. “皮带”模型：摩擦力，牛顿运动定律，功能及摩擦生热等问题；18. “平抛”模型：运动的合成与分解，牛顿运动定律，动能定理（类平抛运动）；19. “行星”模型：向心力（各种力）。相关物理量。功能问题。数理问题（圆心、半径、临界问题）。20. “全过程”模型：匀变速运动的整体性。保守力与耗散力，动量守恒定律，动能定理，全过程整体法；21. “人船”模型：动量守恒定律，能量守恒定律，数理问题；22. “斜面”模型：运动规律，三大定律，数理问题；23. “对称”模型：简谐运动（波动）、电场、磁场、光学问题中的对称性、多解性、对称性；24. “绳件、弹簧、杆件”三件模型：三件的异同点，直线与圆周运动中的动力学问题和功能问题。

四、物理建模的重要性和必要性

高中物理内容抽象、逻辑性强是其难度所在，如果单纯地进行知识灌输，学生很难理解和掌握。而在学习中逐渐地建立物理模型，使难以琢磨的物理理论变得实在，变得可以想象，那么对于物理的学习就能起到很大的帮助。

高中物理建模，将解题过程化繁为简，降低了物理解题难度，增强了学生对物理学习的兴趣和自信。同时，正确建立物理模型的过程本身也是不断提高学生自身思维品质的过程。通过物理建模，能够有效地提高学生的综合能力。例如平抛运动。我们知道，平抛运动其本质就是在初速度方向上的匀速直线运动，在与初速度垂直方向上的匀加速直线运动的合成。电场中，在研究带电粒子在匀强电场中的偏转运动时，就可以很快地发现这个运动和平抛运动具有十分相似的受力特点和运动情况，那么就将平抛运动的受力分析和运动分析，以及相关的数学运算都进行套用。endprint

五、物理建模可以让学生体验到探求规律的过程，以强化对客观世界的认识过程

通过建立模型，可以让学生充分体验到物理探索过程中的困难，磨炼学生的学习意志，同时建立模型的过程也是学生掌握物理研究方法的一种手段，有利于培养学生运用科学抽象的思维方法来处理实际问题的能力。其实，运用基本物理模型的过程也是一种发现和探索的过程。

六、培养基本的物理建模思想的方法

1. 充分利用好物理實验教学

高中物理建模教学工作应充分借助物理实验教学开展，因为物理实验是客观实在的东西呈现在学生面前，不需要学生空想。要看到实在的东西才能进入思考状态是从初中进入高中的学生学习物理的普遍特点。那么，通过实验，让学生先感性认识，知道实验原理、研究过程和过程分析、数据处理，在实际动手中亲身感受模型与实物的区别，这样更有助于学生加深对物理模型的理解和应用。总的来说，模型建立的步骤：第一步：通过观察现象积累经验；第二步：为了解经验建立模型；第三步：用你的模型预言未知现象；第四步：用实际物质做实验来验证你的预言，用这种方法试着探索你的模型适用范围；第五步：在这个适用范围内运用你的模型解决实际问题。

2. 培养学生对物理信息的抽象能力

物理模型的建立，是对物理对象的抽象，抓住研究问题的主要方面。物理教师教学时要强调培养学生对于物理信息的抽象能力，尤其是在训练从考试题目中的相关信息中抽象出基本的物理模型，然后运用已有的基本知识和模型储备，进行合理的套用。高中阶段的考试都是在基本物理模型的基础上进行考查，所以，当学生在接触到物理信息后应该快速分辨出哪些因素会影响研究目的，而哪些因素是无关紧要的，找出运用基本模型的突破口，快速上手，这样学生才能在后续的研究过程中有针对性地开展研究活动，从而解决问题。

波利亚曾说过：“在教一个科学的分支（或一个理论、一个概念）时，我们应当让孩子重蹈人类思想发展中的那种最关键的步子，不应该让他们重蹈过去的无数个错误，而仅仅是重蹈关键性步子。”所以，让学生去领悟模型，感悟建模思想，理解模型的重要性。

参考文献：

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[2] 吕明德.学习建构主义理论 培养学生创新能力[J].中学物理教学探讨，2001（5）.

[3] 史献计.物理模型建构的心理过程分析[J].物理教师，2005（4）.

（作者单位：河南省三门峡市一高 472000）endprint