高中生物理建模能力的培養(yǎng)研究

鄧光亞

摘要：構(gòu)建物理模型是物理教學(xué)中常見的研究方法，在傳統(tǒng)教學(xué)中教師重視知識的傳授，而非能力的提升，只將現(xiàn)成的模型生硬地交給學(xué)生，缺乏對學(xué)生建模能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生不會靈活運(yùn)用模型解決問題，隨著物理核心素養(yǎng)的提出，高中生物理建模能力以及應(yīng)用模型解決問題能力逐漸被重視，本文就物理模型的概念分類、建模的方法，以建模的能力培養(yǎng)策略做以闡述。

關(guān)鍵詞：物理建模;模型結(jié)構(gòu);建模能力

一、物理模型的概念及分類

物理模型是指當(dāng)所研究的問題較復(fù)雜時，為了便于研究可以忽略次要因素，抓住主要因素，從而突出問題的本質(zhì)特征，這樣將問題抽象成想象理想化的模型，這種理想化模型即為物理模型，這個建構(gòu)模型的過程叫做建模過程。

物理模型一般分為對象模型、狀態(tài)模型、過程模型。

對象模型是將研究對象忽略次要因素，抓住主要因素，突出本質(zhì)特征，分離出對解決問題有用的部分，而形成的實物模型，常見的對象模型有質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、點(diǎn)光源、輕繩、輕桿、輕彈簧、輕滑輪、彈簧振子、彈性小球、理想氣體、光滑斜面、光滑軌道、均勻介質(zhì)、理想變壓器、勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場等。

過程模型是在研究復(fù)雜的物理過程時，根據(jù)需要忽略次要因素、抓住主要因素，建立能夠揭示研究過程本質(zhì)規(guī)律的理想化模型。如在研究運(yùn)動時抽象出勻速直線運(yùn)動、勻變速直線運(yùn)動、勻速圓周運(yùn)動、自由落體運(yùn)動、平拋運(yùn)動、斜拋運(yùn)動、簡諧振動等，再如研究理想氣體狀態(tài)變化時，抽象出等溫變化、等壓變化、等容變化等過程。

狀態(tài)模型是對象模型的進(jìn)一步描述，表征對象模型所處的狀態(tài)，如研究流體時流體的吻痕流動狀態(tài)，研究理想氣體時，氣體的平衡態(tài)研究無緣祖物率時，原子所處的基態(tài)和激發(fā)態(tài)等等

二、構(gòu)建物理模型的必要性

現(xiàn)階段高中生普遍感到物理難學(xué)，表現(xiàn)為課堂上能聽懂老師所講內(nèi)容，但是課后做題時卻無從下手，其中一個重要原因是學(xué)生不能從形象思維中擺脫出來，只會死記概念規(guī)律，沒有充分重視概念規(guī)律的形成過程，導(dǎo)致學(xué)生只會機(jī)械地模仿著的解決簡單問題，當(dāng)遇到需要做邏輯分析的問題時，學(xué)生無法利用熟記的知識和規(guī)律分析解決實際問題。

物理模型，既是基礎(chǔ)知識的高度概括，又是一種科學(xué)的思維方法，在教學(xué)過程中，通過分析每一個物理模型，弄清每個物理模型的建立過程，能幫助學(xué)生建立正確的思維方法，通過靈活利用物理模型分析解決問題，能夠提高學(xué)生思維的靈活性，創(chuàng)造性，把復(fù)雜的知識簡單化，這樣既降低了教學(xué)難度，又增強(qiáng)了學(xué)習(xí)物理的自信心，有利于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升。

三、構(gòu)建物理模型常用的方法

建立物理模型的方法，很多常用的有五種，分別為抽象和概括近似和忽略類比與推理，假設(shè)和驗證等效率替代分析和綜合。

抽象和概括是指忽略事物的無關(guān)因素，保留與研究問題有關(guān)的本質(zhì)因素，從而建立物理模型的方法。例如高中物理中點(diǎn)電荷模型的建立過程，就是忽略了帶電體本身的大小，只考慮攜帶的電荷而建立的模型。

近似和忽略是指在物理建模過程中忽略影響問題的次要因素，抓住主要因素建立模型的方法，例如建立平行板電容器模型，忽略兩端電場變化，近似的將平行板中的電場看成勻強(qiáng)電場。

類比與推理是根據(jù)兩類對象在某種屬性上相似，進(jìn)而推出它們在其他屬性上也可能相似的一種推理方法，在建立電場電勢差模型時，類比電場力做功與重力做功，進(jìn)而推理出電場中存在與能量有關(guān)的物理量，建立電勢的模型。

假設(shè)和驗證是在解決問題過程中無法直接驗證某些現(xiàn)象或事物，為了揭示事物和現(xiàn)象的本質(zhì)，依據(jù)一定的理論和事實，建立假想模型的方法，只要假想模型能說明已有的事實，并能預(yù)測可能出現(xiàn)的結(jié)果，那就說明這種模型是正確的，如在建立正電子模型時，狄拉克為了解決負(fù)能量問題建立空穴理論模型，提出電子具有相反的粒子存在，這種粒子與電子具有相反的電性，進(jìn)而建立了正電子模型。

等效與替代是根據(jù)物理現(xiàn)象間的相似性，將研究對象及研究過程做等效處理，以模型代替事物，從而簡化問題的一種方法。中學(xué)物理中等效替代的方法隨處可見，如利用合力效果替代各個分力的效果，建立合力模型;如利用簡單的分運(yùn)動模型等效復(fù)雜的合運(yùn)動等，如利用等效電阻替代并聯(lián)電阻等。

四、培養(yǎng)建模能力的常用策略

（1）利用多媒體技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生的建模能力

多媒體技術(shù)具有直觀性，動態(tài)性，交互性，針對性和可重復(fù)性的特點(diǎn)，在物理教學(xué)中，利用多媒體可以將抽象的知識直觀化，把微觀的知識宏觀化，把隱性的現(xiàn)象顯性化，建立清晰的物理模型

利用多媒體顯示一些不易操作的實驗

物理現(xiàn)象是學(xué)生學(xué)習(xí)知識的開端，也是學(xué)生理解知識的基礎(chǔ)，通過實驗可以使學(xué)生直觀觀察實驗現(xiàn)象，進(jìn)而幫助學(xué)生建立物理模型。如在研究光的折射時，傳統(tǒng)實驗中由于在日光下進(jìn)行不易，不僅實驗現(xiàn)象不明顯，而且難以把握光折射的臨界角，但通過模擬實驗，可以很清晰的對比各色光在三棱柱中的折射規(guī)律，方便學(xué)生總結(jié)規(guī)律，建立折射的模型。

利用多媒體顯示微觀現(xiàn)象

在物理學(xué)中，有些實驗的研究對象是微觀層面的，傳統(tǒng)實驗無法演示，例如在研究電荷轉(zhuǎn)移時，由于電荷的轉(zhuǎn)移無法直接觀測，學(xué)生在實驗結(jié)束后無法形成直觀印象，而通過模擬實驗，學(xué)生能夠清楚看到電荷在帶電體間的轉(zhuǎn)移，從而形成電荷轉(zhuǎn)移的模型。

利用多媒體模擬抽象物質(zhì)

模擬軟件可以將一些較為抽象的現(xiàn)象，直觀的展示在學(xué)生面前，幫助學(xué)生理解抽象規(guī)律，如在講條形磁鐵磁感線時，教師很難將看不見摸不著的磁場說清楚，但是通過模擬軟件可以很好的將條形磁鐵的磁場勾勒出來，使學(xué)生對條形磁鐵的磁感線有清晰的認(rèn)識。

（2）利用物理探究實驗培養(yǎng)建模能力

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，教師往往先說明實驗原理在演示實驗步驟，然后讓學(xué)生按照步驟操作。這樣，學(xué)生的自主發(fā)揮的空間完全被擠壓了，喪失了科學(xué)探究的機(jī)會，逐漸失去了學(xué)習(xí)興趣，這種模式下的實驗課堂不利于培養(yǎng)學(xué)生的建模能力。

然而探究性實驗按照提出問題、猜想、設(shè)計實驗，收集證據(jù)、論證、得出結(jié)論的程序逐步落實，既利于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力又利于培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度以及解決問題的能力。

（3）利用一題多解培養(yǎng)建模能力

物理習(xí)題通常可以通過多種方法求解，也就可以通過多種方法建模。這就要求教師在習(xí)題課上采用多種解法培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維，提高學(xué)生建立模型的能力。除此之外，老師在習(xí)題課之余也應(yīng)該要求學(xué)生進(jìn)行多解訓(xùn)練，幫助學(xué)生理解公式定理，擴(kuò)展發(fā)散思維。例如，汽車在5秒內(nèi)完成剎車過程，最后1秒內(nèi)通過的距離為2米，求解這個過程中的加速度a。

第一種解法：根據(jù)公式S=v0t+1/2at2，將剎車過程看成初速度為0的勻加速過程，有s=1/2at2，a=4m/s。

第二種解法：逆用推論S1：S2：S3……Sn=1：4：9：……n2，第一秒的位移S1=2，則第5秒的位移S5=50m，利用s=1/2at2，得a=4m/s。

第三種解法：圖解法，利用圖象中相似三角形面積之比等于位移之比，s=1/2at2=50m，利用公式得a=4m/s。

總之，理想化模型已成為了物理學(xué)中的非常重要的一部分，通過構(gòu)建模型的過程可以培養(yǎng)學(xué)生的想象能力、思維能力、創(chuàng)新能力，分析解決問題的能力，因此具有物理建模意識，培養(yǎng)物理建模能力，是每個學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的目的之一，也是高中物理教師孜孜追求的目標(biāo)之一。

（陜西省漢中市洋縣中學(xué)）