建构物理模型以培养迁移和创新能力

吕小强

【摘 要】本文论述物理模型建构的方法，抽象总结以提取共性因素，近似忽略以揭示自然本质，分析综合以全面理解事物;类比联想并运用推论思维，假设验证并不断补充完善，等效替代并促进不同转换，培养学生的物理知识迁移和创新能力。

【关键词】高中物理 模型建构 迁移创新

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2019）03B-0138-02

物理模型的搭建离不开建构者对所学物理知识的深刻理解，并且还要求建构者能够在深刻理解掌握的基础上对相关知识进行迁移，灵活变通，这一要求就需要学生有良好的物理知识迁移和创新能力。因此，模型式教学对于培养学生的迁移和创新能力有积极的促进作用。教师在授课过程中要结合讲课进度，指导学生掌握不同的模型构建方法，提升其迁移和创新能力。

一、抽象总结，提取共性因素

抽象与总结是迁移和创新能力的重要体现，通过抽象思维提取事物本质以及知识点之间的共同因素，并且对其进行归纳总结，发现该物理知识的“灵魂”，从而更加深刻地掌握相关内容。因此，在采用物理建模的方式开展课堂讲授时，教师可以指导学生细心地对相关事物进行分析，归纳出一系列的现象和事物所具有的共通的物理模型。

比如，在讲述“超重与失重”这一内容时，可以指导学生对这两种物理现象的概念、成因、特征进行抽象总结，分析并提取出超重和失重之间的共性与区别，从而将其掌握。在仔细阅读课本中的描述并且听过教师的大致讲解之后，组织学生讨论物体的速度 v 与加速度 a 的方向之间的关系，可以发现当 v 和 a 的方向均竖直向上时就会出现超重现象。比如，站在加速上升的电梯里面的人所受到的合力指向上方，底面对人的弹力 T>重力 mg，并且 T=mg+ma，弹力减去重力就是提供物体做加速运动的力;而失重的概念则与超重相反，若物体的 a 与 v 同向并且都竖直向下则会出现失重现象，具体表现为物体受到的向上的力小于物体本身的重力，即 T

可见，对于难以理解的物理知识，采用抽象总结的方式，提取其所具有的相似的物理因素，以此为基础搭建相应的物理模型，可以很好地加深学生对抽象内容的掌握程度，培养学生的物理创新能力。

二、近似忽略，揭示自然本质

在高中物理所学的知识中主要是对一些理想的物理状况进行分析，忽略一些虽然具有干扰，但是影响并不是十分大的因素，直接分析该物理现象的本质因素。因此，在引导学生构建物理模型时也要利用近似忽略这一思想，剖析事物的自然本质特征。

比如，在讲到“平抛运动”这一内容时，我们知道，高中阶段讨论的平抛运动仅仅就抛体的初始速度以及所受的重力进行分析，而忽略了实际中存在的空气中的阻力，因此，就要指导学生学会近似忽略，分析抛体运动的本质。在忽略空氣阻力情况下，抛体运动的本质就是竖直方向上的自由落体以及水平方向上的匀速直线运动合成，运动时间仅仅由抛出时的高度所决定，从而构建了抛体运动的一般模型。比如例题：

一架直升机需要在飞行的途中将物体投下然后返航。已知直升机飞行的高度为 h，飞机速度为 v，飞机应在何处投放物资？

看到这一类问题时，首先要根据已知的量搭建平抛运动的模型，忽略空气阻力的影响。然后根据题干给出的物体的高度，进而利用自由落体公式求出物体从抛出到落地时所用的时间 t。在平抛运动中的水平方向就是以初速度 v0 做匀速直线运动，因此运动距离 s=tv0。已知高度为 h，加速度为 g，根据  可以得出下降的时间 t，因此其移动距离 x=vt，由此就可以得出飞机应在距目标 x=vt 处投放物资。

可见，近似忽略的方法可以极大地降低物理问题的分析难度，便于学生深入地理解所学的知识。因此，教师应当指导学生掌握近似忽略的方法，灵活地搭建物理模型，更容易地探究物理知识的本质特征。

三、分析综合，全面理解事物

物理是一门综合性很强的学科，教师在讲解中要注意学生学习的系统性、综合性，全面理解事物。这不仅能够将事物分解，理解各部分的属性，而且能够对各部分进行综合，掌握事物的综合特征。因此通过分析综合的方式搭建物理模型，由局部到整体逐步深入分析，就可以帮助学生更全面地理解物理知识，培养其迁移和创新能力。

比如，在讲授圆周运动这一部分的内容时，经常能够遇到多个圆周运动的物体共轴或者通过导带相连接的情况。学生遇到这种情况时就会感到难以分析，此时可以采用分析、综合的方法，对该模型中的不同事物进行局部分析，然后将其综合为一个整体。该模型中所具有的主要物理因素为做圆周运动的物体的角速度与线速度，角速度 ω 即其在单位时间内滑过的角度，;线速度 v 是其在单位时间内经过的位移，。首先，对相连的两个圆周运动的线速度进行分析，可以发现通过导带相连接的两个圆周运动物体的线速度是与导带的运动速度一致的，故而此时两物体的线速度 v 必然一样。之后，对共轴的两物体做圆周运动的角速度进行分析，这两个物体就相当于是一个做圆周运动的圆盘上不同位置的点，其每秒扫过的角度是一样的，因而其角速度 ω 是一样的。搭建了这一物理模型之后，学生再遇到这一部分的问题时就能迎刃而解。比如，当判断传送装置两个滑轮的线速度时，根据这一物理模型他们就能够迅速地想到，因为是通过同一条传送带相连接，所以导带的运动速度跟两个滑轮各点上的线速度一致。由此能够推出 ω 和 v 以及半径 R 的关系：v=ωR，做到知识迁移创新。

物理学习中十分重要的一点就是对知识的综合性掌握，全面的理解。因此教师在教学过程中应当十分注重这一特性，指导学生掌握通过分析、综合来搭建物理模型的这一方法，帮助其更全面地理解物理知识。

四、类比联想，运用推论思维

高中物理的学习是一个循序渐进的过程，新旧知识之间总会有一些相似或者相异的地方，因此，可以通过类比联想的方法来完成物理模型的搭建，通过不同知识的类比推理来加深学生的理解，培养学生物理核心素养。

比如，在讲解“电势和电势能”这一内容时，就可以与前面学过的重力势能与重力做功的相关知识进行类比，搭建出势能的物理模型。学生在学习了重力势能的知识后已经知道重力势能的大小只与物体所处的高度 h 以及其物体自身质量 m 有关。比如，物体 m 在 h 处的重力势能为 mgh。当物体高度发生变化时，重力势能也会发生变化，并且变化的量就是这一过程中重力所做的功，W=mgh1-mgh2。将这一性质类比到电势和电势能就会得出电荷在静电场中所受静电力做功的特点，W=EQL cosθ，也就是说，静电力做功等于电荷在移动过程中电势能的变化量，即 W=EpA-EPB。如果电荷在运动中静电力做正功则电势能减小，否则电势能提高。这一点和重力势能的特征一致，从而完成了势能特点的模型搭建。

通过类比联想的方法搭建物理模型，能够更好地帮助学生理解物理知识之间的联系性，对物理内容的理解更加具有系统性，并且在类比思考的过程中可以提高其对知识灵活迁移创新的能力，提升学生的物理核心素养。

五、假设验证，不断补充完善

高中物理所要学习的知识相对其他学科来讲确实有些复杂，模型搭建的过程中不可能一蹴而就，需要不断地进行假设验证，对模型的结构进行完善补充。因此，教师引领学生构建物理模型时应当引导学生摆正心态，积极地进行改进。

比如，在引导学生搭建加速度与力和质量关系的模型时，可以先提出一个简单的模型，之后通过假设与实验验证对之进行改善。首先，通过生活中的一些现象，我们会发现物体受到的力越大，速度变化就越快，所以我们可以认为物体的加速度与受到的力成正比，存在一个系数 k，使得 F=ak。这样我们就有了第一个假设。之后，对其进行验证。我们可以准备质量不同的两个物体 A 和 B（mA>mB），然后分别给这两个物体施加 10 kN 的力，通过摄像机记录施加力后在 10 s 内物体 A 和  B 的位移和速度变化情况。比较后可以发现 B 的速度变化量比 A 的速度变化量大，即 aB>aA，因此证实了加速度 a 與质量成反比。对上面的假设进行完善，可以得出 ，从而得出了这三者之间的关系，构建出了相关物理模型。

在高中阶段应当培养学生树立不断地对所学知识进行验证、完善的思想，培养其物理创新能力。在学习过程中，学生要不断地完善所构建的物理模型，加深对物理知识的理解，提升物理综合素养。

六、等效替代，促进不同转换

教师在指导学生构建物理模型时，要使学生学会模型构建的方法，让其学会模型的等效替代，从而能够灵活地根据物理知识的相关性，完成不同模型之间的转换，做到举一反三，灵活迁移。

比如，在讲解“库仑力”的相关知识时，引导学生搭建库仑力的物理模型时，可以通过对万有引力的模型进行转换来分析研究。这两者的定义十分相似，库仑力 ，而万有引力 。后者表示两个物体之间的相互吸引作用力的大小，前者求的是电荷 q1 和 q2 的吸引力或排斥力大小。两者求解的式子十分相似，结果分别由物体的质量 m1 和 m2，电荷带电量 q1 和 q2，以及物体间的距离所决定。根据这一特性就可以使用等效替代的方法，完成模型之间的转换，做到举一反三。但是在转换过程中也要注意两者间细微的不同之处，库仑力的方向与万有引力的方向不同。

在物理模型构建的过程中，应该熟练地掌握等效替代的方法，深入地理解某一模型的基本特性，然后对其进行灵活地转换，完成另一模型的构建。

综上所述，在高中物理教学中开展模型教学，在模型的搭建过程中帮助学生加深对物理现象的理解，发展学生的物理核心素养，并且通过不同的模型构建方法的讲解，鼓励学生主动地深入分析各项物理知识，更加系统地掌握物理概念，从而使学生能够更灵活地对物理知识进行迁移创新。

【参考文献】

[1]杜 放.高中物理核心素养的内涵与培养策略[J].华夏教师，2018（8）

[2]程柱建.物理模型的建构及其教学[J].教学与管理，2017（28）

[3]黄春娥.浅谈物理模型的建构及运用[J].中等职业教育（理论），2009（1）

（责编 卢建龙）