如何在物理教学中构建物理模型

林军

摘 要： 物理教学在注重知识传授的同时更应该注重知识体系的建立过程和建立过程中采用的方法。教学过程中，往往过多关注对已有知识的传授和掌握程度的检测，而忽略学生对知识体系建立过程的体验和方法的传授，导致学生知识迁移能力和发现新知的能力非常欠缺。物理模型的建构是物理学中非常重要的研究方法，通过平时教学有意识地让学生体验其过程，掌握其方法在某种程度上比掌握知识体系本身更重要和迫切。

关键词： 物理模型建构 联想 虚拟 归纳 数学函数

物理学是一门研究自然界最普遍物质运动及其形态，物质组成，以及各层次的结构，相互作用和运动的基础性学科。在物理学发展过程中，科学家经过对生活中的一些自然现象产生疑惑后通过构建物理模型，运用实验手段得出的物理规律和原理缔造了整个物理学的主体结构。实验是物理学中获取一些普遍规律的重要手段，而构建合适的物理模型是进行实验的前提，所以物理教学中应该通过一系列手段和方法使学生掌握构建物理模型的方法，在建立模型后通过自我体验获得结论。教学中构建物理模型的主要方法有以下几种。

一、展开联想，在生活中找类似的物理模型

物理来源于生活，在生活中存在很多现成的物理模型，初中阶段讲述超声波测速的原理——多普勒效应的时候，由于声波在空气中不可见，对于刚接触物理的初中学生而言实在太抽象。光凭教师的语言恐怕难以让学生理解在声源前进方向上声波的疏部和密部被压紧而导致音调变高。联想到几乎每个孩子都有在湖边扔石头的经历，不难引导学生构建一个以水波替代声波的物理模型。若干个石头等时间间隔地自由下落至湖面上同一点，可以看到同心圆的水波，间隔相等；在扔下第一个石头后水波像四周传递的过程中在原入水处等距离间隔和时间间隔扔下石头，可以看见水面上的波纹在入水点改变的方向上排列比较紧密，而在反方向上比较稀疏。通过类似比较将声音的多普勒效应在湖面上呈现得一清二楚，这就是构建物理模型给我们带来的无可比拟的优越性，它将抽象化形象，将无形化有形。在物理教学过程中，还有许多类似的地方，如探索微观粒子世界中将原子结构类比成太阳系的结构模型，电学中将电流类比成水流模型，将电压类比成水压模型等。

二、建立虚拟模型描述客观物理规律

物理学是一门从具体形象的生活现象中归纳出抽象结论的学科。其中有许多学生无法用肉眼直接观察到的物理现象和物质的存在形式，而这些现象和物质的存在形式是学生对相关知识有所了解的前提。如在光现象中光的传播规律，磁现象中磁场的基本规律等。光的传播和磁场在物理学中是确实存在的，但是在具体现象中表现为不可见。为了使学生对这部分内容有更直观的了解，我们可以引入一个虚拟模型，在形象与抽象之间建构一个桥梁，借助这些模型帮助学生通过对虚拟模型的了解认识不可见的客观存在的物质形式特点的了解。光线模型和磁感线模型的引入很好地解决了学生在认识层面上的障碍，帮助学生从形象向抽象思维的过渡，不失为一种精妙的方法。

三、通过比较大量实际物体和事例分析共同点，通过归纳和简约化处理建立理想模型

物理学中往往会研究一些物体在特定条件下的物理规律，而在现实生活中往往有多种条件作用，这就需要我们建立一个可以忽略其他次要因素的物理模型。如研究运动的物体在不受力的状态下的运动规律的时候，由于实验者所处的环境条件的限制，不可能存在不受力的物体，我们通常采取只研究水平方向运动的物体在水平方向运动状态的改变忽略重力和支持力对物体的影响，再通过逐渐减小摩擦力通过对水平运动的物体在摩擦减小后运动距离远近的变化忽略摩擦的影响，最终推断运动的物体不受力时做匀速直线运动的规律。在研究物体机械运动的时候，我们不考虑物体自身的转动，建立了质点模型，有效地解决了物体受力分析的处理。再如点光源模型，点电荷模型等，这些都是理想模型的例子。这些模型的建立可以很好地忽略掉一些次要因素对研究系统的影响，使学生对于这部分知识体系的学习变得更轻松和条理化。

四、等效法物理模型的建立

叙拉古城国王希伦怀疑金匠用一些合金偷换了他王冠上的黄金，就请阿基米德来测定王冠的真正含金量。阿基米德一直解不开这道难题。但有一天，在洗澡中他忽然找到了答案——同等质量形状不同的黄金浸没在水中的时候排开的水的多少是一样的。这是物理学史上最著名的发现之一，等效模型在此起到了举足轻重的作用。在分析问题的客观表现后抓住问题的归一本质，等效法物理模型在物理研究中是一种常用的方法。等效物理模型在多样化的具体表象特征和归一化的本质特征之间构架了一座桥梁，引导着研究者追寻事物的本质特征，给人一种“百川终归海”的感觉。曹冲称象是其又一次生动的演绎，将其精妙表现得淋漓尽致。物理学中的总电阻、合力等都是其具体体现，使我们研究的问题化繁为简，掌握它有助于发散性思维和创造性思维的培养。

五、通过与数学知识的联系，建立数学函数模型

物理学中常常研究物体的某种变化过程，如运动物体的速度时间和路程的关系，我们借助于数学函数和图像模型可以非常直观且全程性精确描述物体在运动中各个时段的各物理量的关系。如建立时间为横轴速度为纵轴的函数图像可以清晰地显示物体在各个时刻的速度变化，构成的面积可以显示通过路程的变化。在电学中研究与定值电阻串联的滑动变阻器的功率随变阻器阻值的变化规律时候，通过构建二次函数的数学图像模型可以将变阻器的功率变化在图像中全面直观地展示出来，一览无余。可见将物理与数学结合建立的模型不仅密切了学科之间的联系，而且使研究物理方法多样性。对于更科学、更实效地学习和研究物理规律起到了巨大的推动作用。

在中学物理教学中，通过多种尝试和引导学生体验多种建立物理模型的过程并使他们初步具备这样的能力是中学物理教学的目标之一。不仅能使学生更好地掌握所学的知识体系，更能使他们成为有想法、敢质疑、有做法的学生，对于其后续学习和发展有不可估量的作用。所以我们在中学物理教学过程中应该多多注重学生在这方面的体验过程，逐渐培养学生在这方面的能力素养，让学生带着“想法和做法”在学习的道路上前行。