论物理模型及其教学

耿建

摘要：物理模型是基于真实的物理情境的抽象，不同类型的物理模型缘于不同的分类标准。物理模型是静态的，其建构过程则体现了科学方法。教学中，需要让学生掌握物理模型，更需要培养学生建构物理模型的意识以及借鉴物理模型解决具体问题的能力。

关键词：物理模型;模型建构;科学思维

日常的物理教学会涉及许多具体的物理模型，如质点模型、理想气体模型、氢原子模型等，又如板块模型、磁聚焦模型、电磁感应中的单双杆模型等。高三也经常可见以“模型”为专题的复习课。如何真正发挥出物理模型的功效，需要我们了解物理模型的内涵、厘清物理模型的类别及特征、明晰物理模型的功能，由此得到物理模型教学的建议。

一、物理模型的内涵

《辞海》中关于“模型”的一项定义为：“在自然辩证法中，与‘原型’相对，研究对象的替代物。原型，即客观存在的对象客体。模型，则是具有原型相似特征的替代物，是系统或过程的简化、抽象或类比表示。”②夏征农.辞海[Z].上海：上海辞书出版社，2002：1185，1186。《辞海》中还有对“模型方法”的定义：“以研究模型来揭示原型（被模拟对象）的形态、特征和本质的科学方法。以客观事物、现象和过程之间存在的相似性为客观依据。模型一般可分为物质模型和思想模型两大类。”②

进一步，我们可以得到物理模型的几点内涵。其一，模型需要原型，物理模型的原型就是真实的物理情境。其二，模型具有概括性、抽象性，即通过简化、抽象或类比凸显原型的主要特征，物理模型就是凸显真实的物理情境（系统或过程）主要特征的替代物。物理模型有物质模型和思想模型两大类。其三，建构物理模型属于一种科学方法，在过程中对真实的物理情境进行简化、抽象或类比，从而建构得到相应的物理模型。其四，物理模型是静态的，指向结果，凸显真实的物理情境的主要特征;建构物理模型是动态的，体现为抽象概括真实的物理情境主要特征的过程，是科学方法的一种。

二、物理模型的类别及特征

不同的分类标准就有不同的类别。曹宝龙老师认为，合理的物理模型的分类方法应该以问题解决过程的要素为依据。问题性质的研究也是问题解决的关键，以问题性质的要素为依据可以将模型分成：问题的对象（状态）模型、问题的过程模型和问题的条件模型。曹宝龙.物理模型的建构与教学建议[J].物理教学探讨，2016（5）：2。张贤祺老师把物理模型分为实体模型、过程模型和方法模型。张贤祺.浅谈物理模型的建构[J].物理教师，2010（7）：1315。这两种方法都是按模型的特征进行分类的，是静态的模型分类方法，即局限于“是这个物理模型”的层面，分类的结果也大体相同。模型是对原型提炼、抽象的结果，不仅需要最终的模型结果及应用——当学生遇到新问题时，能从原有的认知结构中寻找到与现有的问题情境相匹配的模型，更有意义的则是模型的建构。我们需要通过不同类型模型的建构，体现科学方法，培养学生建构模型的意识和能力，即当学生面对无法与现有物理模型匹配的真实的物理情境时，能有意识地去建构新的物理模型，并利用新的物理模型分析与解决问题。另外，张贤祺老师认为，“方法模型”是物理模型的一种，其中涵盖极限分析法、等效替代法、对称分析法、图像分析法、假设推理法等。而笔者以为，这些是科学方法在具体问题中的应用，没有原型与之对应，应该不属于物理模型。

如何培养学生的模型意识、模型习惯以及利用模型分析和解决问题的能力，则需要回归学习过程，在过程中不断积累。按学习的时间节点和阶段性分类，学习过程包括新知识习得阶段和应用知识解决问题阶段，简言之，就是新授课阶段和复习课阶段。新授课阶段是物理概念、规律累积的过程。该过程中，学生会第一次接触各种类型的物理模型，如质点、点电荷、点光源、理想气体、理想变压器、薄透镜、单摆、弹簧振子、匀变速直线运动、完全弹性碰撞、简谐运动等。这些物理模型都来自教材。在复习课阶段，学生会遇到不同类型的具体问题。教学中，我们常常将一些具有共同特征的问题归纳为物理模型，如弹簧模型、板块模型、磁聚焦模型、电磁感应中的单双杆模型、类平抛运动模型等。这些物理模型来自问题解决的过程，是为方便同类问题的解决而提炼出来的。

无论是新授课，还是复习课，要想帮助学生建立（或复认）完整的概念、模型，均离不开情境或场景支持。徐卫华.基于场景支持理论的高中物理模型建構[J].物理教师，2021（12）：17。也就是说，不管是哪个阶段，模型不是简单的结论，都需要经历一个“情境—模型”的建构过程。对应这两个学习阶段，物理模型的建构过程在功能和特征上存在明显的差异。图1和下页图2所示即为两类模型建构过程的流程图和各环节具有的特征。

新授课时，教师一般会呈现多样的、开放的物理情境。例如，“质点”模型教学，可创设的物理情境有飞机的飞行、汽车的运动、轮船的航行、天体的运动等。当研究的问题与这些不同情境下物体的大小、形状无关时，就将这些不同类型的物理原型抽象为一个有质量的点。“质点”这一模型是之前的物理学习过程中没有涉及的，是由各种具体原型抽象出来的，具有创新性。当建构了质点模型之后，遇到可以忽略物体大小和形状的情况时，就可以将这类物体看成质点。这是质点模型的普适性。如研究运动员百米比赛中的平均速度时，可以将运动员视为质点。这也反映了质点模型的应用性。

而在复习课中，常常会遇到不同的具体问题。如板块模型，有水平面上的板块问题，有斜面上的板块问题，有初速度、相对运动不同的板块问题，有受力条件不同的板块问题等。但只要是具体的问题，其物理情境就是单一的、封闭的。这类问题的分析思路、解决方法具有共通性。比如，都需要明晰运动过程，确定受力特点，运用功能关系或者动量守恒规律等。因而，不同情境下的板块模型也就可以加以类比。有了一定的积累之后，就可以对此类问题形成一种程序化的解决策略，这是方法的迁移。但不同的具体问题具有个性化差异，如果无视问题的个性化、情境的差异性而“刻舟求剑”式地简单套用物理模型固有的方法，则是对物理模型的一种异化。

三、物理模型的功能

物理模型的意义在于物理模型建构及运用的科学方法。我们希望通过建构物理模型的过程，提升学生的科学思维素养，养成建构模型的意识和利用模型的习惯，发展拓展模型的能力。因此，王全等有了“物理模型教学”的提法。物理建模教学的目的是促进学生通过建构和使用科学模型去描述、解释、预言、设计来理解物理世界和调控物理现象。王全，母小勇.模型与建模：国际物理教育新视点[J].外国中小学教育，2009（3）：56。因此，物理模型是手段、途径、桥梁，而不是目的。在新授课教学中，倡导“根据这些物理情境，能抽象概括得到什么共同特点？”这样的提问，旨在培养学生抽象、概括的能力。而在复习课教学中，倡导“看到这个物理情境，你想到了什么？”这样的提问，旨在培养学生提炼、迁移的能力。而像“这是某物理模型，常常在某地方使用”“这个问题中的物理模型是……，应该运用……方法分析” 这样的简单告知，就让物理模型变成了思维的起点，忽略了问题的本质，容易让学生养成脱离具体问题的情境、条件，直接去寻求问题答案的功利化学习习惯。

新时代推进高考综合改革，物理学科考试评价要实现由“知识能力立意”向“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”转变，有效发挥质量监测作用，促进高中物理育人方式改革。而落实“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”的高考评价体系理念，体现为学生能够在复杂的、新颖的试题情境下综合运用所学知识和技能处理问题。程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径[J].中国考试，2019（12）：3844。通过设置真实的问题情境，考查学生灵活运用所学知识分析问题、解决问题的能力，允许学生多角度作答，使“死记硬背”“机械刷题”“题海战术”的收益大大降低，引导学生的关注点从“解题”向“解决问题”、从“做题”向“做人做事”转变。教育部考试中心.中国高考评价体系：函套[M].人民教育出版社，2019（1）：18。新课程、新高考背景下，真实的、复杂的、新颖的问题情境成为考查学生物理学科核心素养的方向。解决这样的问题，首先需要学生认识情境的物理本质，而认识的过程就是将问题情境与原来认知结构中储备的物理模型建立联系。具体的问题情境是多样化的、不可穷尽的。因此，这种联系是基于共性基础上的个性化体现，不是“依葫芦画瓢”，而是真正体现“具体问题具体分析”。面对的“具体问题”，可能有原来学习过程中遇到的物理模型的“影子”，但肯定有原来物理模型所不具备的个性化特征，这就需要“具体分析”。分析过程可以借鉴原来物理模型的共性特征，这才是学习、积累物理模型的功用，是“用模型解决问题”而不是简单的“教模型”。

四、物理模型教学的建议

新授课阶段，物理模型是新概念、规律建立的桥梁，是透过表象认识物理本质的科学方法。在物理模型的新授课教学中，要注意这样几点。一是要用归纳的方法给出物理模型。物理模型是在众多的真实情境中抽象概括出来的，是多样性基础上的统一，体现为归纳的科学方法。如质点模型的建立过程。二是培养学生对物理模型的批判性。物理模型具有代表性、典型性，而又具有条件性，随着认识能力与技术的提升，物理模型是不断变化升级的。如对原子模型的认识，从哲学层面不可分割的组成物质的最小单位，到“枣糕模型”“核式结构模型”，再到半经典半量子的“氢原子模型”。这体现了人类的认识不可穷尽的特点。三是要让学生意识到物理模型的局限性。模型是原型的替代物，体现了从简单到复杂的认知水平螺旋上升的过程。因为面对真实的物理情境时，不可能一下子就能揭示事物的本质，首先需要简化，然后逐渐逼近本质。如对气体状态参量关系的研究，從气体的等温变化，到气体的等容、等压变化等规律的研究中，提炼出理想气体的物理模型;然后再结合高压、低温等实验条件下气体状态参量之间的关系，意识到理想气体模型只是在压强不太大、温度不太低状态下的实际气体的替代物。

高三二轮复习阶段，常常有模型专题复习课。在这些专题复习课中要注意这样几点。一是防止物理模型知识化。复习课中常常将物理模型变成复习的起点——一拿到具体问题，就让学生判别这个问题属于什么物理模型，而不是辨识这个问题具有什么物理模型的特征。二是防止物理模型模式化。复习课中常常用物理模型代替真实的情境，当判定了一个问题属于什么物理模型后，紧接着就强调解决该物理模型问题选用的规律和方法，而忽视了这个具体问题的个性化特征。三是不要试图将物理模型穷尽。专题复习课经常是对一种物理模型的深度挖掘，试图将同一种物理模型尽可能多地展现甚至穷尽。这样的处理方式反而使物理模型变成学生学习的一种负担，成为另一种“题海战术”。

物理学习的过程，本质上是通过“物”的层面的研究来揭示背后的“理”，物理模型则是研究过程中的重要手段与媒介。尽管物理模型是重要的，甚至是必要的，但物理模型不是目的。我们的教学需要做到的是，帮助学生利用好物理模型来更好地认知世界，为他们提供更好的认知世界的途径和方法。这也是将模型建构划归到科学思维要素之一的重要原因。