如何在物理教學(xué)中構(gòu)建物理模型

林軍

摘 要： 物理教學(xué)在注重知識(shí)傳授的同時(shí)更應(yīng)該注重知識(shí)體系的建立過(guò)程和建立過(guò)程中采用的方法。教學(xué)過(guò)程中，往往過(guò)多關(guān)注對(duì)已有知識(shí)的傳授和掌握程度的檢測(cè)，而忽略學(xué)生對(duì)知識(shí)體系建立過(guò)程的體驗(yàn)和方法的傳授，導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)遷移能力和發(fā)現(xiàn)新知的能力非常欠缺。物理模型的建構(gòu)是物理學(xué)中非常重要的研究方法，通過(guò)平時(shí)教學(xué)有意識(shí)地讓學(xué)生體驗(yàn)其過(guò)程，掌握其方法在某種程度上比掌握知識(shí)體系本身更重要和迫切。

關(guān)鍵詞： 物理模型建構(gòu) 聯(lián)想 虛擬 歸納 數(shù)學(xué)函數(shù)

物理學(xué)是一門(mén)研究自然界最普遍物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及其形態(tài)，物質(zhì)組成，以及各層次的結(jié)構(gòu)，相互作用和運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)性學(xué)科。在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)家經(jīng)過(guò)對(duì)生活中的一些自然現(xiàn)象產(chǎn)生疑惑后通過(guò)構(gòu)建物理模型，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段得出的物理規(guī)律和原理締造了整個(gè)物理學(xué)的主體結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)中獲取一些普遍規(guī)律的重要手段，而構(gòu)建合適的物理模型是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的前提，所以物理教學(xué)中應(yīng)該通過(guò)一系列手段和方法使學(xué)生掌握構(gòu)建物理模型的方法，在建立模型后通過(guò)自我體驗(yàn)獲得結(jié)論。教學(xué)中構(gòu)建物理模型的主要方法有以下幾種。

一、展開(kāi)聯(lián)想，在生活中找類似的物理模型

物理來(lái)源于生活，在生活中存在很多現(xiàn)成的物理模型，初中階段講述超聲波測(cè)速的原理——多普勒效應(yīng)的時(shí)候，由于聲波在空氣中不可見(jiàn)，對(duì)于剛接觸物理的初中學(xué)生而言實(shí)在太抽象。光憑教師的語(yǔ)言恐怕難以讓學(xué)生理解在聲源前進(jìn)方向上聲波的疏部和密部被壓緊而導(dǎo)致音調(diào)變高。聯(lián)想到幾乎每個(gè)孩子都有在湖邊扔石頭的經(jīng)歷，不難引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建一個(gè)以水波替代聲波的物理模型。若干個(gè)石頭等時(shí)間間隔地自由下落至湖面上同一點(diǎn)，可以看到同心圓的水波，間隔相等；在扔下第一個(gè)石頭后水波像四周傳遞的過(guò)程中在原入水處等距離間隔和時(shí)間間隔扔下石頭，可以看見(jiàn)水面上的波紋在入水點(diǎn)改變的方向上排列比較緊密，而在反方向上比較稀疏。通過(guò)類似比較將聲音的多普勒效應(yīng)在湖面上呈現(xiàn)得一清二楚，這就是構(gòu)建物理模型給我們帶來(lái)的無(wú)可比擬的優(yōu)越性，它將抽象化形象，將無(wú)形化有形。在物理教學(xué)過(guò)程中，還有許多類似的地方，如探索微觀粒子世界中將原子結(jié)構(gòu)類比成太陽(yáng)系的結(jié)構(gòu)模型，電學(xué)中將電流類比成水流模型，將電壓類比成水壓模型等。

二、建立虛擬模型描述客觀物理規(guī)律

物理學(xué)是一門(mén)從具體形象的生活現(xiàn)象中歸納出抽象結(jié)論的學(xué)科。其中有許多學(xué)生無(wú)法用肉眼直接觀察到的物理現(xiàn)象和物質(zhì)的存在形式，而這些現(xiàn)象和物質(zhì)的存在形式是學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)有所了解的前提。如在光現(xiàn)象中光的傳播規(guī)律，磁現(xiàn)象中磁場(chǎng)的基本規(guī)律等。光的傳播和磁場(chǎng)在物理學(xué)中是確實(shí)存在的，但是在具體現(xiàn)象中表現(xiàn)為不可見(jiàn)。為了使學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容有更直觀的了解，我們可以引入一個(gè)虛擬模型，在形象與抽象之間建構(gòu)一個(gè)橋梁，借助這些模型幫助學(xué)生通過(guò)對(duì)虛擬模型的了解認(rèn)識(shí)不可見(jiàn)的客觀存在的物質(zhì)形式特點(diǎn)的了解。光線模型和磁感線模型的引入很好地解決了學(xué)生在認(rèn)識(shí)層面上的障礙，幫助學(xué)生從形象向抽象思維的過(guò)渡，不失為一種精妙的方法。

三、通過(guò)比較大量實(shí)際物體和事例分析共同點(diǎn)，通過(guò)歸納和簡(jiǎn)約化處理建立理想模型

物理學(xué)中往往會(huì)研究一些物體在特定條件下的物理規(guī)律，而在現(xiàn)實(shí)生活中往往有多種條件作用，這就需要我們建立一個(gè)可以忽略其他次要因素的物理模型。如研究運(yùn)動(dòng)的物體在不受力的狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的時(shí)候，由于實(shí)驗(yàn)者所處的環(huán)境條件的限制，不可能存在不受力的物體，我們通常采取只研究水平方向運(yùn)動(dòng)的物體在水平方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變忽略重力和支持力對(duì)物體的影響，再通過(guò)逐漸減小摩擦力通過(guò)對(duì)水平運(yùn)動(dòng)的物體在摩擦減小后運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)近的變化忽略摩擦的影響，最終推斷運(yùn)動(dòng)的物體不受力時(shí)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。在研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，我們不考慮物體自身的轉(zhuǎn)動(dòng)，建立了質(zhì)點(diǎn)模型，有效地解決了物體受力分析的處理。再如點(diǎn)光源模型，點(diǎn)電荷模型等，這些都是理想模型的例子。這些模型的建立可以很好地忽略掉一些次要因素對(duì)研究系統(tǒng)的影響，使學(xué)生對(duì)于這部分知識(shí)體系的學(xué)習(xí)變得更輕松和條理化。

四、等效法物理模型的建立

敘拉古城國(guó)王希倫懷疑金匠用一些合金偷換了他王冠上的黃金，就請(qǐng)阿基米德來(lái)測(cè)定王冠的真正含金量。阿基米德一直解不開(kāi)這道難題。但有一天，在洗澡中他忽然找到了答案——同等質(zhì)量形狀不同的黃金浸沒(méi)在水中的時(shí)候排開(kāi)的水的多少是一樣的。這是物理學(xué)史上最著名的發(fā)現(xiàn)之一，等效模型在此起到了舉足輕重的作用。在分析問(wèn)題的客觀表現(xiàn)后抓住問(wèn)題的歸一本質(zhì)，等效法物理模型在物理研究中是一種常用的方法。等效物理模型在多樣化的具體表象特征和歸一化的本質(zhì)特征之間構(gòu)架了一座橋梁，引導(dǎo)著研究者追尋事物的本質(zhì)特征，給人一種“百川終歸?！钡母杏X(jué)。曹沖稱象是其又一次生動(dòng)的演繹，將其精妙表現(xiàn)得淋漓盡致。物理學(xué)中的總電阻、合力等都是其具體體現(xiàn)，使我們研究的問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)，掌握它有助于發(fā)散性思維和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。

五、通過(guò)與數(shù)學(xué)知識(shí)的聯(lián)系，建立數(shù)學(xué)函數(shù)模型

物理學(xué)中常常研究物體的某種變化過(guò)程，如運(yùn)動(dòng)物體的速度時(shí)間和路程的關(guān)系，我們借助于數(shù)學(xué)函數(shù)和圖像模型可以非常直觀且全程性精確描述物體在運(yùn)動(dòng)中各個(gè)時(shí)段的各物理量的關(guān)系。如建立時(shí)間為橫軸速度為縱軸的函數(shù)圖像可以清晰地顯示物體在各個(gè)時(shí)刻的速度變化，構(gòu)成的面積可以顯示通過(guò)路程的變化。在電學(xué)中研究與定值電阻串聯(lián)的滑動(dòng)變阻器的功率隨變阻器阻值的變化規(guī)律時(shí)候，通過(guò)構(gòu)建二次函數(shù)的數(shù)學(xué)圖像模型可以將變阻器的功率變化在圖像中全面直觀地展示出來(lái)，一覽無(wú)余?？梢?jiàn)將物理與數(shù)學(xué)結(jié)合建立的模型不僅密切了學(xué)科之間的聯(lián)系，而且使研究物理方法多樣性。對(duì)于更科學(xué)、更實(shí)效地學(xué)習(xí)和研究物理規(guī)律起到了巨大的推動(dòng)作用。

在中學(xué)物理教學(xué)中，通過(guò)多種嘗試和引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)多種建立物理模型的過(guò)程并使他們初步具備這樣的能力是中學(xué)物理教學(xué)的目標(biāo)之一。不僅能使學(xué)生更好地掌握所學(xué)的知識(shí)體系，更能使他們成為有想法、敢質(zhì)疑、有做法的學(xué)生，對(duì)于其后續(xù)學(xué)習(xí)和發(fā)展有不可估量的作用。所以我們?cè)谥袑W(xué)物理教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該多多注重學(xué)生在這方面的體驗(yàn)過(guò)程，逐漸培養(yǎng)學(xué)生在這方面的能力素養(yǎng)，讓學(xué)生帶著“想法和做法”在學(xué)習(xí)的道路上前行。