高中物理教学中学生建构物理模型能力的培养

易立华

【摘要】高中物理教学应加强对学生建构物理能力的培养，让学生掌握建构常用的物理模型的原则，学会运用理想法、联想法、等效法、函数图像法来建构物理模型。培养学生建立物理模型的思维，提高学生建构物理模型的能力，从而提高其解决实际问题的能力。

【关键词】高中物理;建构物理模型;类比联想

教师和学生对物理模型的认知、理解及对物理模型的掌握程度，都直接影响到物理模型在高中教学中的作用，影响到学生是否能够合理地运用物理模型，决定了高中物理教学对学生的学科核心素养的养成和发展。对此，本文浅论在高中物理教学中如何对学生建构物理模型的意识和能力进行培养和提高。

一、高中物理模型概念和作用

1.物理模型的概念。模型在《辞海》中的定义为：“根据实物、设计或设想，按比例、生态或其他特征制成的同实物相似的物体。”钱学森认为：“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，吸收一切主要因素，略去一切不主要的因素，所创造出来的一幅图画……是形象化了的自然现象”。物理模型是人们将生活中的实物体、过程或系统进行简化、抽象、概括、总结后，突出事物变化过程的主要因素，忽略一些次要因素，得到的理想化的物体、过程或系统。

高中物理中常见的物理模型可以分为实体模型、过程模型和相互作用的系统模型三类。实体模型：客观存在于生活中的实体物体，在物理研究中我们将其简化后得到的物理模型，包括有质点、光滑斜面、轻杆、轻质弹簧、点电荷、匀强电场、匀强磁场、理想气体、弹簧振子、原子核式结构等;过程模型：对实际的过程和现象突出主要变化、忽略细微变化，经过人为的理想化后得到的运动过程模型，包括匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动、竖直上抛运动、平抛运动、匀速圆周运动、类平抛运动、简谐运动、行星运动、理想气体的等温变化、等压变化、绝热过程等;第三类相互作用的系统模型：在研究复杂的物理问题时会涉及到多个物体和多个要素，人为地忽略一些次要要素而建立的系统模型，包括弹簧类模型、块板模型、传送带模型、波尔能级结构模型等。

2.物理模型在高中物理教学中的地位和作用。在《普通高中物理课程标准》中关于物理学科核心素养有这样的阐述：“科学思维是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程……科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。”由此可见使学生具有建构模型的意识和能力是高中物理的课程目标，是学生必须获得的能力，所以高中物理教学过程中必须要让学生体会建构物理模型的过程和养成建构物理模型的意识。

高中的物理规律和知识点用物理模型来进行讲解的话将会变得容易理解，通过物理模型来揭示物质的实质和规律更易让学生接受。这些物理知识的系统化建构有着物理模型的支撑会更加牢固，能让学生把握知识的核心。学生的思维能力、科学素质都能用物理模型进行培养，合理使用物理模型能减轻学生学习压力。学生解题时养成建立物理模型的思维，可将问题化难为易，从而提高其解决问题的能力。学生一旦掌握从整体上分析问题、自主建构物理模型解决问题的能力后，再遇到复杂的、变化多样的物理题就不会胆怯了，就能直达问题的本质，从而提高学生分析解决实际问题的能力。

二、高中教学中物理模型的建构

1.建构物理模型的原则。

（1）要有典型性。物理模型是对现实生活现象和问题的概括和提炼，要体现出事物的一般特征，突出事物的本质属性。物理模型要能够代表同类物理事物的一般特点，建构物理模型时要先分析问题现象的本质和主要因素，建构的物理模型要具有代表性、典型性。

（2）要有简洁性。建构物理模型的目的是帮助学生理解物理概念和物理规律，进而做到用所学到的理论来解决实际问题。因此，建构的模型要简洁易懂，让学生对模型的特点和反映的规律一目了然，从而更好地理解物理概念，学会运用规律解决实际问题。

（3）要体现美感。物理学中的规律具有和谐的美、自然的美、对称的美，而建构物理模型则是展示这种美的最佳方式。物理模型是物理知识的形象化表述方式，建构物理模型时要注意体现物理学的自然美感，这样学生通过观察直观的教学模型，可以亲眼看到物理的美，受到美的感染和熏陶。

2.建构物理模型的方法。物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、遵循逻辑推理的理论科学，旨在研究自然界最普遍物质运动及其形态、物质组成、各层次的结构和相互作用。可自然界的物理现象纷繁复杂，物理规律却隐藏在复杂物理现象的背后，要揭示出自然界客观规律和各种现象的内在联系，就必须通过建构理想的物理模型进行研究和理解。所以在物理教学中应该通过一系列手段和方法使学生掌握建构物理模型的方法，在建立模型后通过自我体验获得结论。教学中建构物理模型的主要方法有以下4种：

（1）建立理想化模型。物理学中往往会研究一些物体在特定条件下的物理规律，而在现实生活中往往有多种影响物理规律发生的环境因素，这就需要我们建立一个可以忽略其他次要因素的理想化物理模型。如研究火车在平直的轨道上的运动规律时，我们忽略轨道微小的弯折和火车速度的微小变化而建构“匀速直线运动”的模型;在研究物体机械运动时，我们不考虑物体的大小和形状同时忽略其自身的转动，建构“质点”模型;在研究杆与物体相互作用的问题时，忽略杆的质量和體积建构“轻杆”的理想化模型;再如在研究物体在空中运动时忽略空气的阻力只考虑重力作用而建立“自由落体运动和平抛运动”的模型;在研究气体变化的问题时，我们忽略其他分子间的作用力和分子本身体积的大小，建构“理想气体”的模型等。这些都是理想化物理模型，它能帮助学生更加轻松和条理化地学习相关知识。

（2）通过类比联想法建立物理模型。物理来源于生活，在生活中存在很多现成的物理模型，但仍有较多物理规律比较抽象、不易理解。因此可通过类比联想法建立物理模型。如在讲解多普勒效应的时候，由于声波在空气中不可见，光凭教师的口头讲解恐怕难以让学生理解“在声源前进方向上声波的疏部和密部被压紧而导致音调变高”，教师由此联想到几乎每个孩子都有在湖边扔石头的经历，可引导学生通过联想建构一个以“水波”替代声波的物理模型;又如在学习原子结构时原子核和电子的关系时联想到太阳系中行星的运动规律，由此建构“波尔能级结构”模型等。通过类比联想法建构物理模型能有效地将抽象化为形象，将无形化为有形。

（3）利用等效法建立物理模型。利用等效法建立物理模型是在多样化的具体表象特征和归一化的本质特征之间构架了一座桥梁，使我们研究的问题化繁为简。在建立小船渡河模型时我们运用等效的思维方式，将小船的实际运动等效为小船同时进行“随水匀速运动和小船向对岸运动”的合运动的运动模型;在学习电源的概念时我们将电源等效为一个“电流泵”的物理模型，这样学生理解电源的作用和性质时就容易得多;在测量干电池的电动势和内阻时为了更容易理解和分析实验误差，我们将干电池和电流表（或电压表）组合建构了“等效电源”的物理模型，这样学生对测量误差的理解和分析就简单多了。

（4）运用数学函数法建立物理模型。在物理学中研究物体的某种变化规律的过程时，引用函数和图像进行呈现可以非常直观且全程性精确描述物体各物理量之间的变化关系。基于此我们常借助数学函数和图像建构模型。如研究平抛运动的轨迹时，通过数学推导得到轨迹的方程为二次函数，建构“抛物线”的运动轨迹模型，这样使学生对平抛运动认识更加形象;在恒定电流的学习时研究电源的输出功率和外电阻的关系时，通过闭合电路欧姆定律和功率的公式推导得到输出功率与电阻的函数，建构出数学图像模型，运用P-R图像将输出功率与电阻的关系全面直观地展示出来，使其最大值和变化规律一览无余，学生理解和记忆非常形象具体。可见将物理与数学结合建立的模型对于更科学、更实效地学习和研究物理规律的作用非常大，是教学中常用的建模方法。

3.提高学生的建模能力的策略。《普通高中物理课程标准》明确指出：“教师在教学中要重视科学态度和科学方法的教育，应该通过概念的形成、规律的得出、模型的建立、知识的应用等来培养学生分析、概括、抽象、推理、想象等思维能力。”高中物理教学除了让学生学习物理知识之外，还要注意引导学生学习研究问题的方法，掌握常见物理模型的特点和规律，提高学生的建模能力。在教学中提高学生的建模能力有以下具体策略：

（1）培养学生建构物理模型的意识。在教学过程中，教师要引导学生树立物理模型的意识，让学生逐步认识物理模型在学习物理和理解物理概念、物理规律，以及解决物理问题方面具有非常重要的作用，丰富多彩、变化多样的物理问题和物理现象的本质都是常见的物理模型。如与体育运动相关的排球、足球、铅球的落点问题都可代入平抛运动模型进行求解。

（2）对学过的物理模型及时归纳、总结。教师每教学一个物理模型，都要善于引导学生对已学的相关、相似的模型进行对比、归纳与总结，讲解它们之间的异同、联系，这样可以促进学生掌握和理解新的物理模型，同时教师要更善于引导学生自己进行归纳和总结。如在学习“传送带”模型时，教师就要引导学生将其与前面学习的“块板”物理模型进行比较，找到它们的异同点，分析两者之间的联系，这样理解模型更容易且深刻。

（3）合理利用各种教学手段提高学生建模的能力。首先物理是以实验为基础的学科，学生做实验得到的感性体验和认识是学生学习和理解物理模型的重要途径，日常教学一定要多做演示实验，激发学生参与的积极性，同时布置一些课后小实验，鼓励学生自主完成实验，以便对一些物理现象有感性体验，提高建模能力。其二，随着信息技术和多媒体技术的快速发展，教师应充分利用多媒体，激发学生学习物理的兴趣的同时增强教学的直观性，利用多媒体辅助教学可以更加直观地展现比较抽象且无法用教具展现的物理模型，从而加深学生对物理模型的理解。其三，通过物理学史的介绍和学习，加深学生对物理模型的认知。如在学习“行星卫星运动”模型时，和学生一起了解人类对行星的研究历程，加深学生对天体运动模型的理解，并提高学生的建模能力。

高中物理知识比较抽象，多用符号、公式来表达物理概念，因此学习起来有一定难度，如果能使用物理模型将这些抽象的知识具体化，将复杂的理论简单化，就能降低学习难度，培养学生的学习兴趣。在教学中使用物理模型可激发学生的思维，提高学生构建物理模型的能力，培养学生的学科核心素养，促进学生全面发展。

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[2] 李化南，张键.物理模型在中学物理教学中的应用[J].菏泽学院学报，2013（05）.

[3]罗欣慧.基于核心素养理念的中学物理教学改革研究[J].南昌师范学院学报，2019（06）.

（基金项目：本文系海南省教育科学规划一般课题“基于高中物理教材的动力学问题学困原因分析及对策”的研究成果，课题编号：QJY20201060）