建模思想在高中物理教学中的应用

李洪昱

贵州省安龙县第四中学

建模是指在研究客观存在问题时，透过问题的表象来阐明事物的本质，建立理想模型解决实际问题。吉尔伯特 (Gilbert)认为物理学是研究物理现象和规律的自然科学，而科学本身是建模过程。为了弄清研究中的物理问题，我们往往需要忽略一些次要因素，抓住主要因素，建立物理模型来解决问题 。

1 建模思想在高中物理教学中的作用和意义

1.1 帮助学生明晰问题

在高中物理学习过程中，有很多学生能理解知识但不会做，其原因是对知识的理解不够，分析问题不到位。通过建模可以使学生分析和理解物理问题的能力越来越强，尤其是对于复杂而抽象的问题，模型的建立可以简化问题，抽象具体。比如天体运动，我们没有看到物体如何运动，但我们知道有些天体运动轨迹是椭圆，其偏心率很小，则可以简化为匀速圆周运动模型来进行处理，这样更方便我们理解天体运动 。

1.2 提高学生解决问题的能力

一个物理模型要经过反复实验、总结和改进，从而得出正确的模型。在实际过程中学生可以体会到科学的奥秘与探索的艰辛。这样不仅可以提高学生的应变能力，还能提高他们的逻辑思维能力和运用科学方法解决问题的能力。

1.3 提高学生解决未知事物的创新能力

物理建模是一个探究未知规则的过程，在这个过程中没有捷径，是一个新的创造过程。这样开放思维的探索过程对学生创新思维的培养非常有利，同时在老师的帮助指导下，每一次成功，能让学生体验到学习的乐趣，而且还可以提高他们学习物理的信心和兴趣。

2 构建物理模型的常用方法

在模型教学中，教师首先要说明建立模型是研究问题的有效方法。其次，有必要明确每个模型是如何通过抽象建立的，每个研究对象被抽象成相应的模型。至于应该采用什么样的建模方法取决于问题本身的性质和研究的需要，通过忽略次要因素、抓住主要因素，使研究对象转化为熟悉而简单的物理模型，然后运用数学等方法使问题得以顺利解决，常用方法如下。

2.1 科学抽象法

科学抽象是提取事物的主要方面或属性，而忽略一些次要因素。例如：从南京到北京的列车运行过程中，为了便于研究，忽略其长度，列车可以抽象成质点模型；在研究物体运动时，我们要考虑接触面光滑的问题；我们注意到，下落物体所受空气阻力相对于重力是非常小的，可以忽略不计，所以可抽象成自由落体运动模型。

2.2 微元法

在研究物理学中的一些复杂问题时，有时需要研究许多小单元，在这个过程中，小的变化通过积累，可得到整个研究对象或物理规律变化的全过程。例如：x=vt 位移公式用于研究匀速直线运动，当研究匀变速直线运动位移和时间的关系时，教师可以让学生画出一t 图像，无限分割成许多小的部分，每段时间都很短，因此可以近似把每段看成是匀速直线运动，我们可以通过面积求和，求出匀变速直线运动的位移，而且还可以扩展到变速直线运动。

2.3 等效替代法

在高中物理教学中，许多教师都发现了这样一种现象，有的学生在学习物理概念和规律时认识不到位，虽然物理知识比较简单，但学生不能表达清楚。在许多物理问题中所包含的物理模型是相似的，如果他们在本质上是相同的，我们可以通过分析，找出它们的共性，从而将问题简化。等效方法可以简化复杂的物理问题，给我们带来极大的方便 。

2.4 类比法

类比是比较相同或相似的事物，根据两个事物的相似性推断出它们在其他方面可能有类似的属性。

3 建模思想在高中物理教学中的应用

物理模型是建模思想的产物，因为它是在一定条件下构建的，所以只能在一定条件下使用。物理模型的建立可以简化复杂问题。当然，实际事物作为理想模型来处理，要根据具体情况进行分析。

(1)研究对象的模型化

质点模型、原子模型、理想气体模型等均属“对象模型”。它的特点是将研究对象简化成某种理想模型，从而使问题简化、直观、形象。

(2)条件的模型化

物理过程总是在一定条件下发生，将 条件理想化以便突出主要的物理现象与过程，这便是条件模型方法，例如“光滑”“均匀”“轻质”等均属条件模型 。

例：用r 表示两个分子间的距离，EP 表示两分子间相互作用势能，当r—r0时两分子间斥力等于引力。设两分子距离很远时一0，则()。

A.当 r＞ TO 时，EP 随 r 的增大而增加

B.当 r(ro 时，EP 随 r 的减小而增加

C.当 r＞ ro 时，EP 不随r 而变

D.当 r 一 时，Ep 一0

解析：我们将研究对象——相互作用的两分子抽象为一个轻质弹簧联系着两个小球的物理模型，当弹簧不伸长时，即相当于两分子距离r—r-o，引力等于斥力；若r＞ r。时，相当于拉伸弹簧，显然势能增加；若 r＜ r0 时相当于压缩弹簧，显然势能也增加；所以选项A、B 正确，C 选项错误。注意题目已规定两分子距离很远时，E 一0，所以D 选项错误。

结语

在建立物理模型的过程中，应根据不同的实际问题，建立正确的模型，从而实现问题的简化。解决物理问题包括：确定研究对象，忽略次要因素，总结物理规律，建立物理模型。总之，建模思想可以帮助学生运用知识，提高他们解决问题的能力 。