高中物理模型的建構(gòu)及教學(xué)方法

物理屬于高中課程體系中一門比較難的科目，知識內(nèi)容較為復(fù)雜和抽象，學(xué)起來較為困難，對學(xué)生的綜合能力要求較高，他們在學(xué)習(xí)過程中往往會遇到不少障礙，教師只有采用科學(xué)合理的教學(xué)方法，才能實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。在新一輪課程改革持續(xù)深入的背景下，高中物理教師引入模型教學(xué)法，通過建構(gòu)模型帶領(lǐng)學(xué)生深入分析與探究物理，使其在模型輔助下增強學(xué)習(xí)物理知識的主動性，促進他們對物理原理的理解、掌握和應(yīng)用。

一、高中物理模型建構(gòu)教學(xué)方法的重要作用

（一）把抽象的物理問題變得具體

在高中物理教學(xué)中，經(jīng)常會對部分物理問題進行分析和研究，精準(zhǔn)描述是基本要求。許多物理問題都較為復(fù)雜，學(xué)生很難直接對問題進行精確、完整的探究，如對“場”這一概念，是看不見、摸不到的，研究時通常無法下手，這時，教師可借助模型教學(xué)引入電場線、磁場線等知識，將“場”的問題變得形象、直觀起來，還顯得更為簡潔與具體，助推學(xué)生更好地學(xué)習(xí)、分析與掌握物理知識。

（二）促進學(xué)生對物理理論知識的理解

在高中物理教學(xué)中，引入模型教學(xué)與建立物理模型，最為關(guān)鍵的一個因素便是物理模型可以充分展現(xiàn)出一些特殊的物理現(xiàn)象與問題，且在研究與分析物理模型的過程中找到處理問題的方法與竅門。例如，在學(xué)習(xí)“機械能守恒”這部分內(nèi)容時，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生建立“功為能量轉(zhuǎn)化的量度”這樣一個概念模型，他們便能夠全面把握和準(zhǔn)確理解“功”與“能”這兩個物理概念，使學(xué)生了解這兩個概念之間存在的差異與關(guān)系，從而系統(tǒng)、全面地理解物理原理及規(guī)律。

（三）有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力

當(dāng)研究越深入，就可以感覺到部分物理過程和現(xiàn)象就顯得越復(fù)雜，當(dāng)處理一些高難度物理問題時，提出的要求是更為簡潔與精準(zhǔn)，為實現(xiàn)這一目的，離不開物理模型的輔助與支持，借助物理模型展開分析能夠激活學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)能力。例如，在研究物體運動現(xiàn)象時，大部分人都認(rèn)為是力在維持物體進行運動，直至伽利略把理想實驗提出來以后，才真正地揭示出真理。其實理想實驗即為對物理現(xiàn)象進行觀察和分析，尋找存在的規(guī)律，據(jù)此建立出物理模型，再深入探索物理模型，預(yù)測將會出現(xiàn)什么結(jié)果。故在高中物理教學(xué)中建構(gòu)模型，可以有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與創(chuàng)造意識，幫助學(xué)生逐步形成對問題進行邏輯思考的好習(xí)慣，改善與提升學(xué)生整體物理素養(yǎng)。

二、高中物理教學(xué)中常見的模型

物理模型指的是依托基本物理學(xué)，將一些具體問題展開簡單處理和加工以后進行解決的一種特殊思維形式，可以根據(jù)真實情況進行求解、推理和驗證，最終獲得預(yù)期結(jié)論，并能夠深入理解所研究的物理對象。在高中課程體系中，物理學(xué)科同其他學(xué)科相比而言顯得更為復(fù)雜和抽象，學(xué)生難以透徹理解一些特殊公式及概念，如果不及時掃除學(xué)習(xí)障礙，將會影響他們后續(xù)學(xué)習(xí)物理的態(tài)度和興趣。在高中物理教學(xué)中建構(gòu)模型，能夠?qū)⒁恍┪锢砗诵闹R以模型樣式形象、直觀、簡潔地展示出來，把物理本質(zhì)保留下來，輔助他們深刻理解相關(guān)知識，促進既定教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。比較常見的物理模型包括下列幾種：

（一）對象模型

對象模型是根據(jù)研究對象的特點，結(jié)合研究要求與目標(biāo)，從中找出關(guān)鍵的因素，忽略或者淡化次要因素，構(gòu)建出體現(xiàn)研究對象物理特征的抽象化、理想化的模型，且可以反映出物理現(xiàn)象的內(nèi)部核心，如波爾模型、光線、盧瑟福模型、點光源、理想氣體、單擺運動、離子與質(zhì)點等。

（二）過程模型

大部分過程模型都體現(xiàn)在物理過程里面，重點研究的是物理模型本質(zhì)及需求，通常來說，物理過程都較為復(fù)雜，會受到多個因素的影響，大多數(shù)情況下都需要忽視次要因素，關(guān)注物理對象包含的主要因素，成為一種能夠把物理過程直接反映出來的理想模型，如自由落體運動和勻速直線運動等。

（三）條件模型

在高中物理教學(xué)中，遇到的條件模型數(shù)量并不是特別多，不過條件模型可以對所研究物理對象的外部條件進行處理，目的是讓這些外部條件達到一種理想狀態(tài)，以不受外部條件的影響為前提構(gòu)建出相應(yīng)的物理模型，如均勻介質(zhì)與光滑的斜面等均屬于條件模型。

（四）結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型是以實驗操作與觀察作為基礎(chǔ)，借助物理思考與思維，對物理對象之間的相互作用、運動規(guī)律與本質(zhì)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容建立的模型，如準(zhǔn)量子化原子模型、原子核式結(jié)構(gòu)模型、分子電流假說等。

三、高中物理模型建構(gòu)及具體教學(xué)流程

通常來講，在高中物理教學(xué)中通過構(gòu)建物理模型設(shè)計教學(xué)時，需要按照以下流程實施，以確保各個教學(xué)環(huán)節(jié)的順利進行。

（一）創(chuàng)設(shè)情境

在高中物理教學(xué)中創(chuàng)設(shè)情境時，往往要用到多種多樣的教學(xué)方法與手段，包括實物、實驗、信息技術(shù)、語言描述等，教師指引學(xué)生把日常生活中所遇到的部分問題與情境通過構(gòu)建物理模型的方式呈現(xiàn)出來，直觀化地展示到他們面前。在這一環(huán)節(jié)，教師可以要求學(xué)生積極踴躍地參與到所創(chuàng)設(shè)的情境當(dāng)中，目的是進一步提升他們學(xué)習(xí)物理知識的積極性，以此做好模型教學(xué)的準(zhǔn)備工作，使其思維被激活，自覺思考與分析相關(guān)物理知識。

（二）準(zhǔn)備建模

在準(zhǔn)備建立物理模型環(huán)節(jié)，教師可以提前把班內(nèi)學(xué)生劃分成多個學(xué)習(xí)小組，指導(dǎo)他們以小組為基本單位合作建模。在正式建立物理模型之前，師生雙方均需了解建立物理模型的具體思路，根據(jù)對實際問題的研究來科學(xué)構(gòu)建模型。同時，高中物理教師需做好導(dǎo)向工作，借助相應(yīng)的任務(wù)或者問題指導(dǎo)學(xué)生進行有序觀察、分析和探討，在整個模型構(gòu)建過程中給予適時點撥和提示，使其做好充足的準(zhǔn)備工作。

（三）建構(gòu)模型

在高中物理模型建構(gòu)教學(xué)中，教師需以研究物理對象的基本特征為依托，注重微觀和宏觀之間的靈活轉(zhuǎn)變，據(jù)此有效培養(yǎng)學(xué)生的感性思想與認(rèn)知能力，引導(dǎo)他們圍繞所學(xué)內(nèi)容與情境順利建立出相應(yīng)的物理模型，當(dāng)構(gòu)建好物理模型以后，還要注重對模型剖析和歸納，進一步優(yōu)化物理模型，使其整體學(xué)習(xí)效率變得更高。

（四）反饋評價

反饋評價作為高中物理模型建構(gòu)教學(xué)中的結(jié)尾環(huán)節(jié)，教師既要刻意鍛煉學(xué)生采用物理模型處理實際問題的能力，還要讓學(xué)生結(jié)合之前的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，不間斷地完善和優(yōu)化個人學(xué)習(xí)策略。同時，要以學(xué)生實際學(xué)習(xí)情況為依托，做好點評工作，注重對他們學(xué)習(xí)過程、結(jié)果的反饋與評價，使他們的物理學(xué)習(xí)能力與知識水平得到進一步的升華。

四、高中物理模型建構(gòu)及教學(xué)方法的應(yīng)用

（一）關(guān)注建構(gòu)物理模型過程，有效增強學(xué)生的物理思維

抽象思維作為常見的思維方式，能夠從事物中的多個復(fù)雜屬性中提煉分析其本質(zhì)屬性，去除其他的屬性。在高中物理模型教學(xué)中，物理模型的建構(gòu)其實就是一個特殊的抽象思維過程，每一個教學(xué)環(huán)節(jié)都是鍛煉和改善學(xué)生思維能力的大好機遇，高中物理教師在課堂教學(xué)中應(yīng)呈現(xiàn)出一些比較常見的模型建構(gòu)思維過程與方法，帶領(lǐng)學(xué)生親身經(jīng)歷物理模型的建構(gòu)歷程，使其分析、概括、對比、綜合、推導(dǎo)等多項物理思維均得到有效增強。

例如，在進行“自由落體運動”教學(xué)時，可以通過構(gòu)建自由落體運動模型的方式帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識。本節(jié)課中，怎樣消除他們受已有生活經(jīng)驗的影響是難點所在。這時，教師可采用現(xiàn)場演示實驗的方式來創(chuàng)設(shè)情境，先把一枚一元硬幣與A4紙從同一高度同時釋放，再現(xiàn)生活現(xiàn)象，讓學(xué)生看到質(zhì)量不同的物體沒有同時落地。再把白紙揉成團，重復(fù)剛才的操作，比較哪個物體下落的速度快，學(xué)生可以看到兩者幾乎同時落地，使其產(chǎn)生思維沖突。接著，教師引領(lǐng)學(xué)生思考原因所在，即物體下落速度不同受到空氣阻力的影響，提醒他們猜想假如在不受空氣阻力影響下質(zhì)量不同的物體下落速度會如何，讓學(xué)生展開自由思考、交流與探討，分享各自的看法與觀點。之后，教師演示牛頓管實驗，引導(dǎo)學(xué)生得到“在不受空氣阻力影響下，質(zhì)量不同的物體下落速度一樣”的結(jié)論，隨后借助打點計時器繼續(xù)實驗，帶領(lǐng)他們深入探究物體做自由落體運動的規(guī)律，使其順利建立出自由落體運動模型。

（二）借助物理模型解答試題，訓(xùn)練學(xué)生的模型思維能力

模型思維具有綜合性的特點，它結(jié)合具體的問題，進一步構(gòu)建知識架構(gòu)，采取系統(tǒng)化方法，解答實際物理問題，廣泛適用于多個行業(yè)與領(lǐng)域。在高中物理模型建構(gòu)教學(xué)過程中，重點是增強學(xué)生的建模意識，使其可以透徹理解和牢固掌握一些物理現(xiàn)象的內(nèi)涵，讓他們處理問題時學(xué)會遷移應(yīng)用所學(xué)知識及技能，從而增強學(xué)習(xí)效果。同時，高中物理教師需要把側(cè)重點放在模型構(gòu)建過程方面，引導(dǎo)學(xué)生將物理題目中的情境抽象出模型，訓(xùn)練他們的模型思維能力。

例如，在進行“彈力”教學(xué)時，彈簧是生活中常見的物體，為了讓學(xué)生掌握彈力知識，解決相關(guān)的問題，教師可以指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建彈簧模型，以分析受力情況和能量為主。在分析受力情況時，彈簧在拉伸的同時會釋放出彈力，結(jié)合胡克定律，得到F=kΔx，當(dāng)彈簧拉伸的長度等于壓縮的長度時，彈力的方向相反，大小一樣。如圖1所示，有一光滑水平面，O點是彈簧原長度的位置，且OM=ON，在M，N之間，物塊受到相同的彈簧彈力，彈簧形變需要時間，不會突然出現(xiàn)變化。從能量層面分析，彈簧是一種能量儲存裝置，當(dāng)受到外力作用時，會自動將能量存儲，恢復(fù)時，則釋放能量，如果摩擦力忽略不計，彈簧使得物塊能力變化固定時，物體運動方式則出現(xiàn)變化。如圖2所示，光滑水平面上的物塊以v的速度向左按壓，彈簧恢復(fù)后，物塊會按照速度v向右進行運動。

（三）依托物理模型變換過程，增強學(xué)生的等效思維能力

物理是高中課程體系中一門難度較大的科目，不少學(xué)生都表示，上課時聽得津津有味，到做題環(huán)節(jié)卻困難重重，他們通常表示很困惑，雖然掌握課本中的不少物理公式，但遇到新的情境時顯得不知所措。主要原因是學(xué)生缺乏由實際問題中把物理模型抽象和構(gòu)建出來的能力。這時，教師可利用模型教學(xué)增強他們的等效思維，使其把給定的物理現(xiàn)象抽象成模型，同熟悉的模型做對比，找到共同特征與差異，讓他們獲得解題思路與方法。

例如，如圖3所示，某帶有光滑弧形軌道且質(zhì)量為m的小車，將小車放在光滑水平面，鐵塊質(zhì)量為m，以v的速度沿軌道水平端移動，當(dāng)運動至一定高度以后會自動往下回返，請問當(dāng)該鐵塊回返至小車右端時將會（ ）。

A.在速度v下平拋運動

B.在大于速度v下平拋運動

C.保持靜止

D.進行自由下落

解析：由于這個鐵塊和小車共同組建一個系統(tǒng)，在整個過程中沒有受到外力的影響，根據(jù)機械能守恒定律能夠判斷出機械能不會損失，將這個小鐵塊滑動到小車圓弧軌道后回返的過程，采取等效處理的方式，即兩個質(zhì)量相同的小球，其中一個小球以v的速度與另一個靜止小球發(fā)生彈性碰撞，此時，速度出現(xiàn)交換，所以，當(dāng)鐵塊返回至小車右端，以地面為參考，小車的速度是v，鐵塊的速度是0，那么鐵塊會自由下落，所以D選項說法正確。

（四）結(jié)合物理模型優(yōu)化教學(xué)，強化學(xué)生的類比思維能力

類比思維即根據(jù)兩個所研究的對象，結(jié)合部分屬性類似來推測其他屬性的一種特殊方法。對于高中物理建構(gòu)模型教學(xué)而言，教師要把握好教學(xué)契機，先根據(jù)題干內(nèi)容從中構(gòu)建出相應(yīng)的物理模型，結(jié)合熟悉的模型進行對比，如果本質(zhì)屬性不同，需要進行辯證思考，找出存在的關(guān)系，得出相應(yīng)的結(jié)果，從原理上來講，這是對類比法的運用，不僅可強化學(xué)生的類比思維能力，還能改善他們的解題能力。

總的來說，在高中物理教學(xué)活動中，采用建構(gòu)模型的教學(xué)方法很有必要，教師應(yīng)及時轉(zhuǎn)變教育理念與教學(xué)思路，盡量把模型建構(gòu)滲透到多個教學(xué)環(huán)節(jié)里，據(jù)此統(tǒng)領(lǐng)全局，優(yōu)化課堂教學(xué)形式與流程，引導(dǎo)學(xué)生通過架構(gòu)物理模型來學(xué)習(xí)理論知識，且學(xué)會運用模型來處理一些實際問題，使其切實體會到物理模型的重要性和實用價值，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。