田維林

(重慶市巴南區(qū)土橋中學(xué)，重慶 巴南 400054)

如何建立物理模型是物理學(xué)中的一個(gè)重要問題．許多中學(xué)物理教科書都對(duì)具體問題建立了各自的物理模型，杠桿、斜面、輪軸、連通器、薄透鏡、光線、磁感線、質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、剛體、理想氣體等，就是典型的物理模型．目前，已有許多文獻(xiàn)對(duì)物理模型的作用、特點(diǎn)、類型以及如何建立物理模型作了論述［1-5］，但對(duì)建立模型應(yīng)該注意哪些問題，特別是如何針對(duì)中學(xué)生的特點(diǎn)和現(xiàn)代科技發(fā)展新形勢(shì)來建立物理模型以及如何通過建立模型來啟發(fā)學(xué)生思維等這些問題論述較少．本文結(jié)合自己多年的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)這些問題進(jìn)行探討．

1 物理模型的特點(diǎn)

1．1 直觀形象

物理模型是抽象性和形象性的統(tǒng)一．物理模型的建立是舍棄次要因素，把握主要因素，化復(fù)雜為簡(jiǎn)單，完成由現(xiàn)象到本質(zhì)、由具體到抽象的過程，而模型的本身又具有直觀形象的特點(diǎn)．

1．2 科學(xué)性和假定性的辯證統(tǒng)一

物理模型不僅再現(xiàn)了過去已經(jīng)感知過的直觀形象，而且要以先前獲得的科學(xué)知識(shí)為依據(jù)，經(jīng)過判斷、推理等一系列邏輯上的嚴(yán)格論證，所以具有深刻的理論基礎(chǔ)，即具有一定的科學(xué)性．理想模型來源于現(xiàn)實(shí)，又高于現(xiàn)實(shí)，是抽象思維的結(jié)果，所以又具有一定的假定性，只有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了以后才被認(rèn)可，才有可能發(fā)展為理論．

2 建立物理模型應(yīng)注意的問題

2．1 建立物理模型應(yīng)結(jié)合中學(xué)生的特點(diǎn)

中學(xué)生的特點(diǎn)包括如下一些方面：

(1)中學(xué)生的物理感知

物理學(xué)的學(xué)習(xí)是建立在觀察和實(shí)驗(yàn)之上的，而觀察和實(shí)驗(yàn)又離不開學(xué)生的感覺和知覺．在感覺階段，學(xué)生對(duì)直接作用于感覺器官的刺激物的個(gè)別屬性進(jìn)行反映，其成效取決于學(xué)生的感受性．但是，學(xué)生還需要從整體上把握和理解客觀事物，即要對(duì)客體進(jìn)行知覺．中學(xué)生在對(duì)物理現(xiàn)象和客體感受時(shí)，由于缺乏學(xué)前專門的訓(xùn)練，其感受性較差．這表現(xiàn)在常常因?yàn)槲锢憩F(xiàn)象和客體涉及因素太多而感受不到某一物理屬性的細(xì)微變化．例如，中學(xué)生在觀察水的沸騰時(shí)，很少能觀察到沸騰前后水中氣泡上升過程中體積大小變化的差異;在進(jìn)行零刻度校正和測(cè)讀物理量時(shí)往往誤差很大．同時(shí)，因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)的物理知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和物理知覺方法(觀察方法)，中學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象和客體知覺的理解性和整體性亦較差．研究表明，感受性可通過練習(xí)來提高，知覺的理解性和整體性可以通過感知方法學(xué)習(xí)得到培養(yǎng)．因此，教師應(yīng)該有目的地通過增加觀察機(jī)會(huì)來訓(xùn)練學(xué)生對(duì)物理客體的感受性，從方法上指導(dǎo)學(xué)生感知物理客體，提高學(xué)生物理感知的理解性和整體性．

(2)中學(xué)生的物理表象

讓學(xué)生在物理感知的基礎(chǔ)上形成正確的物理表象，對(duì)他們學(xué)習(xí)物理十分重要．一方面，學(xué)生在應(yīng)用物理知識(shí)解決問題時(shí)，總要利用頭腦中已經(jīng)形成物理形象特別是動(dòng)態(tài)的物理形象來進(jìn)行思維和推理．另一方面，大量的物理概念和規(guī)律都因?yàn)闂l件的限制而不可能搬進(jìn)教室，中學(xué)生常常要根據(jù)教材的描述或物理教師的言語敘述，在頭腦中形成全新的物理形象，從而構(gòu)造出物理圖景、表象．因此，物理教師必須幫助中學(xué)生形成正確的物理表象，培養(yǎng)他們?cè)诔浞种苯痈兄?觀察)或間接感知(接受描述)的基礎(chǔ)上概括物理表象的能力．中學(xué)生再造物理表象過程中，一方面，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理之前已由于其它科目的學(xué)習(xí)和生活的經(jīng)歷形成了大量所謂“物理表象”，而這些“物理表象”大多數(shù)是片面或不準(zhǔn)確的．例如，中學(xué)生在學(xué)習(xí)“摩擦力”時(shí)往往認(rèn)為物體所受摩擦力的方向總是與該物體的運(yùn)動(dòng)方向相反．另一方面，學(xué)生雖然通過積極的感知收集了大量具體信息，卻難以形成清晰、動(dòng)態(tài)的物理表象．因此，物理教師應(yīng)盡可能采用形象化的圖表、模型、實(shí)驗(yàn)和生動(dòng)的描述來豐富學(xué)生的物理表象，幫助學(xué)生在充分感知的基礎(chǔ)上順利完成再造想象;應(yīng)盡可能正視而不是回避學(xué)生的前科學(xué)“物理表象”，在比較科學(xué)的物理表象和前科學(xué)“物理表象”的差異的基礎(chǔ)上，糾正學(xué)生的錯(cuò)誤“物理表象”．

(3)中學(xué)生的物理思維

物理思維的主要特點(diǎn)是：概括性、間接性、邏輯性和精確性．中學(xué)生在學(xué)習(xí)物理過程中首先應(yīng)完成物理抽象，即對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，舍去無關(guān)或次要因素，從而形成反映事物本質(zhì)特征的抽象物理模型或理想物理過程．其次，學(xué)生應(yīng)完成物理概括，即概括出系統(tǒng)化、條理化的物理概念和規(guī)律．第三，學(xué)生應(yīng)學(xué)會(huì)物理判斷與推理，應(yīng)逐步會(huì)運(yùn)用推理判斷方法和數(shù)學(xué)方法去解決物理問題．第四，學(xué)生應(yīng)學(xué)會(huì)運(yùn)用物理表象進(jìn)行形象思維．

中學(xué)生物理思維的核心問題是形成科學(xué)的物理概念和正確的物理圖景或物理表象．中學(xué)生往往不能對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行合理簡(jiǎn)化和物理抽象．中學(xué)生在理解物理模型時(shí)常常感到困難的原因在于許多物理教師代替了學(xué)生完成了物理抽象，然后把物理模型“灌”給學(xué)生．中學(xué)生在把知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)化、條理化方面也表現(xiàn)出弱點(diǎn)．為了幫助中學(xué)生形成正確的物理思維品質(zhì)，教師必須讓學(xué)生經(jīng)歷物理抽象、概括過程，讓他們自己把知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)化、條理化．

我們的教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生的思維定勢(shì)和生活觀念對(duì)概念的形成有非常大的影響，而這種影響又多表現(xiàn)為負(fù)面影響．例如，水應(yīng)加熱到100℃ 時(shí)才能沸騰，這一概念在學(xué)生腦子里常被錯(cuò)誤地“轉(zhuǎn)換”成“水加熱”到100℃時(shí)必然沸騰．又例如，中學(xué)生對(duì)“棉花重還是鐵重”、“冬天室溫下木頭‘冷’還是鐵塊‘冷’”這樣的問題常會(huì)爭(zhēng)論不休．這表現(xiàn)出中學(xué)生受思維定勢(shì)和生活觀念的影響，其“物理思維”缺乏邏輯性、概括性、精確性和嚴(yán)密性．因此，克服學(xué)生思維定勢(shì)和生活觀念的影響是培養(yǎng)學(xué)生物理思維能力的關(guān)鍵．

2．2 建立物理模型應(yīng)密切聯(lián)系現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展

在高新科技迅速發(fā)展的21世紀(jì)，中學(xué)生對(duì)高新科技的新成果非常感興趣．如何結(jié)合中學(xué)生的知識(shí)水平和接受能力，用簡(jiǎn)單易懂的物理模型來闡明涉及近代科學(xué)技術(shù)中的新理論、新發(fā)現(xiàn)、新成果，是一個(gè)重要問題．

四川汶川5·12特大地震，也波及到重慶地區(qū)．這本身涉及到地球物理的高深理論和近代物理的科學(xué)知識(shí)，要用這些高深理論和知識(shí)把學(xué)生講懂是不可能的．這時(shí)，我們按照1987年Be K提出的理論，將地震形成和發(fā)生用“沙堆模型”來解釋，并演示給學(xué)生看，通過講解和演示，學(xué)生恍然大悟，原來地震發(fā)生如同沙粒堆積形成沙堆意義，是地球板塊的不斷運(yùn)動(dòng)，在巖殼演示中產(chǎn)生巨大應(yīng)大，使地殼巖石產(chǎn)生變形(彎曲、壓縮、拉伸等)，不斷積累能量，當(dāng)能量超過巖石的強(qiáng)度極限時(shí)，就發(fā)生斷裂，積聚的能量以地震波形式急劇釋放而形成地震．至于何時(shí)發(fā)生，如同沙堆何時(shí)垮塌，只能作一些可能性的預(yù)測(cè)，而不能肯定．采取這種沙堆模型，較形象和通俗地回答了涉及高深的近代物理知識(shí)的問題．

2．3 建立物理模型應(yīng)盡可能聯(lián)系日常生活事例

日常生活中許多現(xiàn)象都可以用簡(jiǎn)單的物理模型來解釋．例如，在四川和重慶地區(qū)流傳著“上坡兩腿軟，下坡筑腳桿”的俗語．它所描述的是人們?cè)诮?jīng)歷長(zhǎng)距離爬山之后，第二天會(huì)感到兩腿酸軟(大腿和小腿);如果經(jīng)歷的是長(zhǎng)距離的下山，第二天就會(huì)感到關(guān)節(jié)(膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié))活動(dòng)不便，并且有些酸痛．如何建立物理模型來說明這一現(xiàn)象呢?首先對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行分析：兩腿酸軟的原因是肌肉里有乳酸沒有被吸收，而乳酸的產(chǎn)生是因?yàn)榧∪庾龉^程中無氧呼吸造成的，上山時(shí)人體能量的來源主要是兩腿，長(zhǎng)距離爬山兩腿做功很多，肌肉里聚集乳酸較多，要很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)被吸收;下山時(shí)其他作用的情況下，人體的重力勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，要保持一定的速率下山，關(guān)節(jié)隨時(shí)要產(chǎn)生沖擊力將增加的動(dòng)量減下來，因此長(zhǎng)距離下山關(guān)節(jié)受到?jīng)_擊很大，會(huì)遭受一定損傷，要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)．在現(xiàn)象分析基礎(chǔ)上，找出主要因素，進(jìn)而就可建立模型．本題上山時(shí)主要因素是，上山乳酸的產(chǎn)生在于做功，上山時(shí)人體消耗體能通過兩腿轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能;下山時(shí)主要因素是關(guān)節(jié)作用緩沖，關(guān)節(jié)產(chǎn)生沖量，以抵消因?yàn)橹亓?shì)能減少而增加的動(dòng)量．

2．4 建立物理模型更有利于啟發(fā)學(xué)生思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力

科學(xué)家構(gòu)建出理想化的物理模型，是一種創(chuàng)新思維，學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)起來的5種能力(理解能力、思維能力、判斷能力、綜合推理分析能力、用數(shù)學(xué)運(yùn)算解決物理問題的能力)，往往通過解答物理問題體現(xiàn)出來．我們分析不同學(xué)生對(duì)同一物理問題的解答就會(huì)發(fā)現(xiàn)，他們一般不會(huì)按照同一模式進(jìn)行思考．實(shí)際上，即便按照同一模式進(jìn)行思考，將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成物理模型本身也是一種創(chuàng)新過程．不可否認(rèn)，中學(xué)物理教學(xué)要順應(yīng)時(shí)代的要求和社會(huì)的需要，除了培養(yǎng)學(xué)生基本能力外，也還要有一些功利思想(提高學(xué)生的解題能力以提高考試分?jǐn)?shù))才行，至少我們不應(yīng)該拒絕高分．缺乏創(chuàng)新思維能力的中學(xué)生很難將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成物理模型．所以，要培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力，首先就需要培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，要讓學(xué)生能夠看見大家都看見的東西，也需要讓學(xué)生看得出別人看不出的東西，采用不同角度討論問題．按照心理學(xué)的理論，發(fā)散式思維是一種從多角度、多方位探索問題、得到答案的種種非常規(guī)、反常規(guī)的思考方式．學(xué)習(xí)和掌握這種思考方式對(duì)于增進(jìn)創(chuàng)造性思維非常有益［6］．

我們?cè)谘芯空婵漳芊駛髀暤臅r(shí)候，將一只小電鈴放在密閉的玻璃瓶?jī)?nèi)，接通電路，可清晰地聽到鈴聲，用抽氣機(jī)逐漸抽去玻璃瓶中的空氣，聽到鈴聲越來越弱．這說明空氣越稀薄，空氣的傳聲能力越弱．實(shí)驗(yàn)中無法達(dá)到絕對(duì)的真空，但可以通過鈴聲的變化趨勢(shì)推測(cè)出真空不能傳聲．這與牛頓第一定律的建立過程是非常相似的．這屬于用理想化模型代替客觀原型的研究方法．如果教師在教學(xué)中注意很好地滲透這一方法，有利于啟發(fā)學(xué)生思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力．

3 實(shí)踐效果

近5年來，我們?cè)诒拘５某踔形锢碚n的教學(xué)中，結(jié)合本校學(xué)生的實(shí)際基礎(chǔ)，按照上述應(yīng)注意的4個(gè)問題進(jìn)行教學(xué)，已收到較明顯的效果．表現(xiàn)在：

(1)增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力．過去，絕大多數(shù)學(xué)生在解答問題中，只會(huì)照葫蘆畫瓢，生搬硬套，少數(shù)甚至生搬硬套都困難．而現(xiàn)在，不僅這種現(xiàn)象和這類學(xué)生人數(shù)大為減少，近一半的學(xué)生能采取不同方法解題;而且，還有少數(shù)學(xué)生能在其它方面創(chuàng)新．

(2)培養(yǎng)了學(xué)生正確的思維方法．對(duì)生活、生產(chǎn)中的一些現(xiàn)象，過去，絕大多數(shù)學(xué)生都無法用所學(xué)的物理知識(shí)去分析解決;而現(xiàn)在，學(xué)生更加明確建立物理模型的過程，特別是如何抓住事物的特點(diǎn)，用盡可能簡(jiǎn)單的物理圖像來描述，再用物理規(guī)律給予解釋．

(3)增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣．以往學(xué)生對(duì)學(xué)物理知識(shí)的重要性和實(shí)用性體會(huì)不深，學(xué)習(xí)是被動(dòng)的．現(xiàn)在，學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和主動(dòng)性大為增強(qiáng)，體現(xiàn)在上課更專心，課堂上主動(dòng)提問題和思考問題，自然地學(xué)習(xí)成績(jī)大為提高．

［1］南景宇，岳建一．“理想實(shí)驗(yàn)”在物理學(xué)中的應(yīng)用［J］．物理通報(bào)，2004(2)：11-13．

［2］南紅娜．淺談中學(xué)物理中的物理模型［J］．華章，2011(11)：20-22．

［3］王善遠(yuǎn)．通過物理模型培養(yǎng)思維能力［J］．新課程(中學(xué)版)，2008(12)：13-14．

［4］謝勝敏．中學(xué)物理中的模型教學(xué)［J］．中學(xué)課程輔導(dǎo)·教學(xué)研究，2011(19)：13-14．

［5］胡尊華．物理學(xué)習(xí)中建模能力的培養(yǎng)［J］．教學(xué)與管理，2006(31)：23-25．

［6］黃希庭．心理學(xué)［M］．上海：上海教育出版社，2004：205．