中學物理模型構建與轉換能力的培養(yǎng)

楊求銀

一、物理模型的類型

（一）按模型的設計思想分類

1.理想化物理模型

特點是突出研究客體的主要矛盾，忽略其次要因素，將物體抽象成只具有物體主要因素但并不客觀存在的物質（過程），從而使研究問題簡化。如中學物理教材中的質點、剛體、諧振子、單擺、理想流體、氣體分子結構、點電荷、勻速直線運動、完全彈性碰撞等模型。

2.探索性物理模型

特點是依據(jù)觀察或實驗的結果，假想出物質的存在形式，但其本質屬性還在進一步探索之中，如原子結構模型、光的波粒二象性模型、宇宙大爆炸模型、黑洞模型等等。是以間接的實驗和理論，將某種尚不清楚的實際物體形態(tài)假想為另一種通過理論構思的形態(tài)，再通過一步一步的探討深入實際。這種模型可能離現(xiàn)實很遠，但它是逐步接近現(xiàn)實的必經之路。

（二）按模型研究的對象分類

1.實物模型；2.物質模型；3.系統(tǒng)模型；4.結構模型；5.狀態(tài)模型；6.過程模型。

（三）按照物理模型的數(shù)學處理方法分類可將物理模型分為公式模型、圖表模型、結構模型

當今數(shù)學教育中提倡“問題解決”“建模”與“應用”，是站在數(shù)學的角度研究實際問題，當然也包括物理問題。數(shù)學是一門工具學科，在物理研究中要大量地用到數(shù)學方法，客觀世界的一切規(guī)律原則上都可以在數(shù)學中找到它們的表現(xiàn)形式。前述物理狀態(tài)模型實質就是將數(shù)學量與物理量相對應，物理量之間的關系即反映了物理規(guī)律，對應地可以利用數(shù)學公式、圖表或結構圖等數(shù)學語言進行描述。由此建立數(shù)學公式模型、圖表模型和結構模型。

二、培養(yǎng)模型轉換能力

（一）加強有關物理模型特點及作用的認識和理解，掌握模型的適用范圍

理想模型最明顯的特點就是忽略原型中影響問題的各種次要因素，對研究問題作了極度的簡化和理想化的處理，從而使我們可以通過模型去認識原型的各種主要特征和必然聯(lián)系。就如質點模型是動力學運動定律的基礎；點電荷模型是庫侖定律、電磁理論等建立的基礎；理想氣體是分子動理論賴以建立的基礎；薄透鏡、電光源等式幾何光學理論建立的基礎。

對于一個實際研究對象要抽象成什么樣的物理模型，并不是以其外貌的相似為依據(jù)，而是要視其具體情況具體分析。即使同一個物體，在不同的物理問題情境中也可能抽象成不同的模型。以質點模型為例：一般在以下這兩種情況下可把物體視為質點：（1）當物體本身的幾何線度比所研究的空間范圍小得多時可當成質點；（2）當物體平動時，由于物體各部分運動情況完全相同可看作質點。再如理想氣體是實際氣體在一定程度上的理想化模型，只能在壓強不太大、溫度不太低的條件下才可把實際氣體看作理想氣體來考慮。物理模型都有適用的條件，因此，只有真正的掌握物理模型的適用范圍才有助于正確的進行模型轉換。

（二）提高學生抓住事物的主要因素去研究、學會問題的簡化方法

看上去讓學生困惑頭疼的物理題，學生要是能懂得將抽象、復雜的模型轉換成原有的物理模型，將會很輕松的解完此題。由此看來提高學生科學分析事物的方法不僅可以提高學生模型轉換的能力，還可以增強學生學習物理的信心了。

（三）對物理模型進行變式[21]訓練，更有利于學生對各類物理模型的組織構建

對物理模型的理解不可以太機械化，如杠桿是一個簡單機械模型，一根硬棒在力的作用下可繞固定點轉動，那么它就是杠桿。這個模型是較抽象的，實際原型是非常具體的，有各式各樣的結構特征?？刹扇〉淖龇ㄊ歉軛U教學中經常進行直與曲的變換、固定點變換等等。對學生進行較多地這種具體模型的變式訓練，有利于學生對物理模型的深層理解。

物理模型看上去也許是獨立的，但設計模型的思想基本是相通的。物理模型體系也應當是前后呼應，觸類旁通的。個體通過對物理模型的組織構建，會更利于對模型材料的保持與提取。構建物理模型體系，有利于人們解新的物理模型并將其歸入自己已有的認知結構的適當位置中，還有利于有序提取相應模型知識以解決問題。

（四）讓學生掌握常用的“模型轉換”方法

1.創(chuàng)設物理情景進行模型轉換

在解題訓練中通過創(chuàng)設物理情景進行物理模型轉換，多角度、多方位，全面地看問題可以更加科學的解題。

2.等效條件進行模型轉換

等效思想是在相同結果的情況下采用的轉換代替思想方法。在應用等效思想方法的同時再引入物理模型，可在抓住主要的物理條件、過程和方法的基礎上，找出解決物理問題的切入點，把實際問題加以簡化。因此，在解題中利用等效物理模型不僅能起到事半功倍的效果，還能培養(yǎng)學生分析、概括問題和推理的能力。

3.改變思維視角進行模型轉換

真實世界只是量的特征世界，它的差異只是數(shù)的差異。客觀世界的各種事物都不是孤立存在的，他們之間存在著相互聯(lián)系、相互制約的關系。一個或一些現(xiàn)象的產生會影響到另一些現(xiàn)象的產生。前者是后者的原因，后者就是前者的結果。物理學中的研究對象同樣也是符合客觀事物的因果聯(lián)系。在解決物理問題倘若可以抓好各個對象間的聯(lián)系，靈活的改變你的思維，往往會有更加巧妙的解法。

總之“模型轉換”為我們提供了一種解題的方法和思路，但是物理模型是有限的，而客觀事物是無限的，尤其對于中學學生而言，由于他們所學物理知識的局限和數(shù)學能力的制約，許多物理情景并不能直接抽象成學生熟悉的模型。這就需要通過一定的方法培養(yǎng)和提高學生模型轉換能力，讓他們會用一種他們熟悉的模型去代換另一陌生的模型——只要在保證效果相同的前提下。經過這種模型的轉換，往往使問題變得更簡單、更具體、更生動，也更容易把握。這樣即使物理學枯燥難學，但物理學豐富的內涵和獨特的思維方法在物理模型的建立與應用的過程中必將被學生所理解與應用、信服與欣賞。要充分科學地用足用活物理模型，就需要一定的模型轉換能力，更需要久而久之的培養(yǎng)訓練。