略论物理模型的建构及其教学策略

略论物理模型的建构及其教学策略

摘要：准确说来物理模型可分为5种类型，但不同类型的物理模型有着共同的特征；教师在教学中传授给学生建模的方法应当有一套自己的策略。

关键词：物理模型分类特征建模方法教学策略物理学所涉及的研究问题往往十分复杂，为了便于分析研究这些复杂问题而建立的一种高度抽象的理想客体叫做物理模型。物理模型是对物理原型的一种近似反映，它突出地反映了物理原型的某一主要特征，完全地忽略了其它方面的特征。可以说，全部物理学的原理、定律都是对一定的物理模型行为的描述。正是不断进化的物理模型把人们的认识一步一步地引向物质世界的真理。

1 物理模型的分类

物理模型的类型有多种，一般可以分为：①理想化的物体模型：如质点、单摆、弹簧振子、理想气体、点电荷、理想变压器、点光源、薄透镜等，这些物理模型都是在物理原型的基础上突出主要因素、忽略次要因素而形成的，这样一来就能使物理问题的求解变得简单容易。②理想化的过程模型：如力学中的匀速直线运动、平抛运动、弹性碰撞、简谐运动，热学中的气体等温（压）变化，电磁学中的恒定电流、等幅振荡等，它们都是一些实际过程的理想化处理，但是又能很好地与实际情况相似。通过认识简单的过程，进而认识复杂的过程、求解复杂的问题。③理想化的条件模型：当研究带电粒子在电场中运动时，因粒子所受的重力远小于电场力，可以忽略重力的作用，使问题得到简化；力学中的光滑平面、轻质杆，热学中的绝热容器，电学中的匀强电场、匀强磁场等，都是把物体所处的条件理想化。④科学假说模型：以一定的经验材料和已知的事实为根据，以已有的科学理论和技术方法为指导，对未知的自然事物或现象所作出的推测性解释。如玻尔根据氢原子光谱的规律提出的氢原子理论模型，爱因斯坦为了解释光电效应规律提出的光量子假说等。⑤科学理论模型：如万有引力定律、理想气体状态方程等物理规律，既能解释过去且能预测将来，均属于此模型。

2 物理模型的特征

首先，物理模型是科学性和假设性的统一。物理模型不仅反映了物理原型的直观形象，反映了物理原型的主要特征，而且要以实验事实和科学知识为依据，经过抽象与概括、分析与综合、归纳与推理等一系列严密的逻辑论证，所以建立的物理模型虽然有假设的成分但是仍然具有一定的科学性。其次，物理模型是抽象性和形象性的统一。物理模型的建构过程是突出主要因素忽略次要因素，变复杂为简单，完成由具体到抽象、由现象到本质的一个形象思维和抽象思维相结合的过程，物理模型是形象性与抽象性的统一体。另一方面，由于物理模型是抽象思维的结果，所以它还具有一定的假设性，它正确与否要接受来自实践的检验。最后，物理模型是条件性和发展性的统一。物理模型只在一定的条件下、一定的场合中才能适用，它只是一种近似，因此一定要注意具体问题具体分析。物理模型是在不断发展完善的，随着人们对事物的本质的认识不断深入，物理模型也相应地由初级向高级发展并不断完善。

3 建构物理模型的方法

教学物理模型的意义和目的，不在于只让学生熟悉某种模型的概念，更重要的是让学生在掌握模型概念的基础上，能够应用模型去解决实际问题。实际问题一般都是出题者根据自己头脑中的一个理想化物理模型，结合某些问题情境和物

理条件而拟定出来的。解题过程是还原出题者物理模型的过程，也就是把实际问题模型化，把具体问题抽象成熟悉的典型物理间题的过程。学生在解题过程中遇到的最大思维障碍就是如何还原也就是建构物理模型。建构物理模型的方法通常有以下几种：抽象与概括、理想与简化、类比与同化、等效与替代、假设与推理等。

例1，跳水运动员从离开水面10m高的平台上向上跳起，离开台面时双臂上举身体直立，这时其身体重心位于从手到脚全部长度的中点，跳起后重心升高0.5m到达最高点，入水时身体竖直，手先入水（运动员在此过程中水平方向的运动忽略不计），运动员从离开跳台到手接触水面，能用于完成空中动作的时间是多少？

解答此题需要用理想与简化的建模方法对运动员在空中的各种翻腾、转身动作进行简化，理想化处理成一个质点（理想物体模型）的运动。运动员在空中的运动时间由竖直运动决定，因此我们把问题提炼成质点做竖直上抛运动（理想过程模型）的复合物理模型。

例2，天空有近似等高的浓云层。为了测量云层的高度，在水平地面上与观测者的距离为d=3.0km 处进一次爆炸，观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层发射来的爆炸声时间上相差△t=6.0s。试估计云层下表面的高度h。已知空气中的声速v=1/3km/s。

由于声波的波长很长，运用类比的建模方法可视云层为平行于地面的平板——理想物体模型；云层反射来的爆炸声是平板对声波的反射过程，应当有反射角等于入射角——科学理论模型；据此问题可解。

4 物理模型教学的策略

4.1 在“双基”教学中培养建模意识

可以说物理学的知识体系是由物理概念和物理规律编织而成的，很多物理概念和物理规律的本身就是物理模型，进行这些概念和规律的教学是培养学生建模意识的一个好时机。例如在进行单摆模型的教学时，先让学生观察如下一组对比实验：①两个质量不同，但摆长和振幅相同的单摆的振动。②两个摆长相同，但振幅不同的单摆的振动。③两个摆长不同的单摆的振动。观察的结果令学生惊讶，原有的不正确想法：振幅大的周期长，摆球质量大的周期短会得到纠正，建立对单摆模型的初步认识。接着进行理论分析，经过分析使单摆模型的物理表象和物理本质统一起来。最后分析典型问题，使学生学会应用模型。

4.2在习题教学时强化模型意识

在习题课上选择有代表性的习题强化模型思想，强化学生从题目中摄取有用信息、快速建立物理模型的能力。同一个物理模型可以设计出很多的物理习题，在习题教学中教师应引导学生去做“一题多变”和“多题归一”，把学生从“题海”中解放出来。当然，学生已建立的物理模型在特定的条件下其使用将会发生一定的变化，教师应引导学生将原有模型进行修正完善，避免乱用模型。

物理模型教学在物理教学中具有重要意义，它使学生在掌握物理模型的同时获得了科学研究中常用的理想化模型法，有利于培养学生的抽象思维和逻辑思维能力，只要我们精心安排科学处理，一定能取得理想的教学效果。