高中生物理建模能力的培养研究

邓光亚

摘要：构建物理模型是物理教学中常见的研究方法，在传统教学中教师重视知识的传授，而非能力的提升，只将现成的模型生硬地交给学生，缺乏对学生建模能力的培养，导致学生不会灵活运用模型解决问题，随着物理核心素养的提出，高中生物理建模能力以及应用模型解决问题能力逐渐被重视，本文就物理模型的概念分类、建模的方法，以建模的能力培养策略做以阐述。

关键词：物理建模;模型结构;建模能力

一、物理模型的概念及分类

物理模型是指当所研究的问题较复杂时，为了便于研究可以忽略次要因素，抓住主要因素，从而突出问题的本质特征，这样将问题抽象成想象理想化的模型，这种理想化模型即为物理模型，这个建构模型的过程叫做建模过程。

物理模型一般分为对象模型、状态模型、过程模型。

对象模型是将研究对象忽略次要因素，抓住主要因素，突出本质特征，分离出对解决问题有用的部分，而形成的实物模型，常见的对象模型有质点、点电荷、点光源、轻绳、轻杆、轻弹簧、轻滑轮、弹簧振子、弹性小球、理想气体、光滑斜面、光滑轨道、均匀介质、理想变压器、匀强电场、匀强磁场等。

过程模型是在研究复杂的物理过程时，根据需要忽略次要因素、抓住主要因素，建立能够揭示研究过程本质规律的理想化模型。如在研究运动时抽象出匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、自由落体运动、平抛运动、斜抛运动、简谐振动等，再如研究理想氣体状态变化时，抽象出等温变化、等压变化、等容变化等过程。

状态模型是对象模型的进一步描述，表征对象模型所处的状态，如研究流体时流体的吻痕流动状态，研究理想气体时，气体的平衡态研究无缘祖物率时，原子所处的基态和激发态等等

二、构建物理模型的必要性

现阶段高中生普遍感到物理难学，表现为课堂上能听懂老师所讲内容，但是课后做题时却无从下手，其中一个重要原因是学生不能从形象思维中摆脱出来，只会死记概念规律，没有充分重视概念规律的形成过程，导致学生只会机械地模仿着的解决简单问题，当遇到需要做逻辑分析的问题时，学生无法利用熟记的知识和规律分析解决实际问题。

物理模型，既是基础知识的高度概括，又是一种科学的思维方法，在教学过程中，通过分析每一个物理模型，弄清每个物理模型的建立过程，能帮助学生建立正确的思维方法，通过灵活利用物理模型分析解决问题，能够提高学生思维的灵活性，创造性，把复杂的知识简单化，这样既降低了教学难度，又增强了学习物理的自信心，有利于学生学科素养的培养和提升。

三、构建物理模型常用的方法

建立物理模型的方法，很多常用的有五种，分别为抽象和概括近似和忽略类比与推理，假设和验证等效率替代分析和综合。

抽象和概括是指忽略事物的无关因素，保留与研究问题有关的本质因素，从而建立物理模型的方法。例如高中物理中点电荷模型的建立过程，就是忽略了带电体本身的大小，只考虑携带的电荷而建立的模型。

近似和忽略是指在物理建模过程中忽略影响问题的次要因素，抓住主要因素建立模型的方法，例如建立平行板电容器模型，忽略两端电场变化，近似的将平行板中的电场看成匀强电场。

类比与推理是根据两类对象在某种属性上相似，进而推出它们在其他属性上也可能相似的一种推理方法，在建立电场电势差模型时，类比电场力做功与重力做功，进而推理出电场中存在与能量有关的物理量，建立电势的模型。

假设和验证是在解决问题过程中无法直接验证某些现象或事物，为了揭示事物和现象的本质，依据一定的理论和事实，建立假想模型的方法，只要假想模型能说明已有的事实，并能预测可能出现的结果，那就说明这种模型是正确的，如在建立正电子模型时，狄拉克为了解决负能量问题建立空穴理论模型，提出电子具有相反的粒子存在，这种粒子与电子具有相反的电性，进而建立了正电子模型。

等效与替代是根据物理现象间的相似性，将研究对象及研究过程做等效处理，以模型代替事物，从而简化问题的一种方法。中学物理中等效替代的方法随处可见，如利用合力效果替代各个分力的效果，建立合力模型;如利用简单的分运动模型等效复杂的合运动等，如利用等效电阻替代并联电阻等。

四、培养建模能力的常用策略

（1）利用多媒体技术培养学生的建模能力

多媒体技术具有直观性，动态性，交互性，针对性和可重复性的特点，在物理教学中，利用多媒体可以将抽象的知识直观化，把微观的知识宏观化，把隐性的现象显性化，建立清晰的物理模型

利用多媒体显示一些不易操作的实验

物理现象是学生学习知识的开端，也是学生理解知识的基础，通过实验可以使学生直观观察实验现象，进而帮助学生建立物理模型。如在研究光的折射时，传统实验中由于在日光下进行不易，不仅实验现象不明显，而且难以把握光折射的临界角，但通过模拟实验，可以很清晰的对比各色光在三棱柱中的折射规律，方便学生总结规律，建立折射的模型。

利用多媒体显示微观现象

在物理学中，有些实验的研究对象是微观层面的，传统实验无法演示，例如在研究电荷转移时，由于电荷的转移无法直接观测，学生在实验结束后无法形成直观印象，而通过模拟实验，学生能够清楚看到电荷在带电体间的转移，从而形成电荷转移的模型。

利用多媒体模拟抽象物质

模拟软件可以将一些较为抽象的现象，直观的展示在学生面前，帮助学生理解抽象规律，如在讲条形磁铁磁感线时，教师很难将看不见摸不着的磁场说清楚，但是通过模拟软件可以很好的将条形磁铁的磁场勾勒出来，使学生对条形磁铁的磁感线有清晰的认识。

（2）利用物理探究实验培养建模能力

在传统实验教学中，教师往往先说明实验原理在演示实验步骤，然后让学生按照步骤操作。这样，学生的自主发挥的空间完全被挤压了，丧失了科学探究的机会，逐渐失去了学习兴趣，这种模式下的实验课堂不利于培养学生的建模能力。

然而探究性实验按照提出问题、猜想、设计实验，收集证据、论证、得出结论的程序逐步落实，既利于培养学生的探究能力又利于培养实事求是的科学态度以及解决问题的能力。

（3）利用一题多解培养建模能力

物理习题通常可以通过多种方法求解，也就可以通过多种方法建模。这就要求教师在习题课上采用多种解法培养学生发散思维，提高学生建立模型的能力。除此之外，老师在习题课之余也应该要求学生进行多解训练，帮助学生理解公式定理，扩展发散思维。例如，汽车在5秒内完成刹车过程，最后1秒内通过的距离为2米，求解这个过程中的加速度a。

第一种解法：根据公式S=v0t+1/2at2，将刹车过程看成初速度为0的匀加速过程，有s=1/2at2，a=4m/s。

第二种解法：逆用推论S1：S2：S3……Sn=1：4：9：……n2，第一秒的位移S1=2，则第5秒的位移S5=50m，利用s=1/2at2，得a=4m/s。

第三种解法：图解法，利用图象中相似三角形面积之比等于位移之比，s=1/2at2=50m，利用公式得a=4m/s。

总之，理想化模型已成为了物理学中的非常重要的一部分，通过构建模型的过程可以培养学生的想象能力、思维能力、创新能力，分析解决问题的能力，因此具有物理建模意识，培养物理建模能力，是每个学生学习物理学的目的之一，也是高中物理教师孜孜追求的目标之一。

（陕西省汉中市洋县中学）