建立理想模型 發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

朱忠海

(江蘇省靖江市第一高級中學(xué) 214500)

物理學(xué)的研究對象是自然界中最普遍的運(yùn)動形式，比如機(jī)械運(yùn)動、電磁運(yùn)動等等.由于我們所處的世界紛繁復(fù)雜，任何一個具體問題都涉及到多種因素相互作用，且各具特征，這也增加了我們分析和研究的難度，為此科學(xué)家在研究相關(guān)現(xiàn)象時，都要采用抽象、假設(shè)等探究方法，建立理想模型，以實(shí)現(xiàn)問題分析和研究的簡化.

一、理想模型的定義和優(yōu)點(diǎn)

理想模型是從實(shí)際情境提取出來，并經(jīng)過理想化處理的模型，這其中涉及到理想化思維，它是物理研究最基本的方法之一.一般來講，如果所研究的物理問題牽扯到諸多元素，且非常復(fù)雜，研究時我們都要區(qū)分對象中哪些因素是主要的，哪些因素是次要的，進(jìn)一步的研究一般會保留主要因素而忽略次要因素，對一些無關(guān)的干擾更是要徹底排除其影響，如此即可突出事物的本質(zhì)，讓問題處理的過程簡便而快捷.

結(jié)合上述分析方法簡介，我們可以看出，建立理想模型之后，某些不太重要的影響因素都會被屏蔽掉，這樣的處理將能把主要因素凸顯出來，這也有助于人們一眼看穿問題的關(guān)鍵所在，將其運(yùn)用于物理教學(xué)，也可以讓學(xué)生更加清晰地把握物理規(guī)律，提升他們物理問題分析和解決的效率.

二、高中物理的理想模型分類

理想模型大多是研究者從客觀存在的場景出發(fā)，把握其最根本的特征，結(jié)合抽象思維的運(yùn)用，對其進(jìn)行了純化處理，由此建立起各種理想模型.高中物理中常見的理想模型包括三種，它們分別是理想實(shí)體模型、理想過程模型和理想狀態(tài)模型.

1．理想實(shí)體模型

在正式開始高中物理學(xué)習(xí)的第一課上，學(xué)生所接觸的第一個物理概念是“質(zhì)點(diǎn)”，即把物體的體積和形狀徹底忽略掉，將其視為一個有質(zhì)量的“點(diǎn)”，這一模型源于真實(shí)的物理實(shí)在，是理想思維的產(chǎn)物，是一種典型的理想化模型.在物理研究中，我們對具體的物體進(jìn)行抽象化的處理，提煉出來的物理模型就是理想實(shí)體模型，類似的概念還包括：點(diǎn)光源、光滑平面、輕桿、理想氣體等等.

2．理想過程模型

物理研究的對象包括很多物理過程，我們在分析問題時將過程進(jìn)行純粹化和理想化的處理，把握其中的主要因素，由此所提煉出來的過程就是所謂的“理想過程模型”，比如自由落體運(yùn)動，此類運(yùn)動需要物體在只受到重力影響的環(huán)境中無初速地釋放，而一般在地球表面所發(fā)生的運(yùn)動都會受到空氣阻力的影響，為了研究的方便，某些質(zhì)量大體積小的物體在下落過程中所受的空氣影響都很小，因此我們將這些次要因素忽略掉，這樣就可以采用自由落體運(yùn)動的規(guī)律和方法來研究和處理問題.類似的問題包括：單擺運(yùn)動、氣體的絕熱膨脹、兩個小球的彈性碰撞等等.

3．理想狀態(tài)模型

某些物理狀態(tài)比較復(fù)雜，面對相關(guān)問題時，我們也要對狀態(tài)進(jìn)行理想化的抽象，由此建立理想化的模型，比如動態(tài)平衡問題，多個力作用下物體保持平衡，如果緩慢調(diào)節(jié)某個外力，但是物體的平衡狀態(tài)依然保持不變，由此探索其他力的變化特點(diǎn).上述問題的調(diào)整過程中，物體往往會發(fā)生一些運(yùn)動，但是為了處理的方便，我們往往對這些微小的變化視而不見，將整個狀態(tài)視作一個理想狀態(tài)，以此來提升問題分析的效率.

三、理想模型在高中物理教學(xué)中的運(yùn)用

在物理教學(xué)過程中，教師要建立這樣一個認(rèn)識：理想模型是一種科學(xué)化的思維，將其引入教學(xué)能夠提升學(xué)生理解的效率；但同時教學(xué)過程中，我們切忌直接將模型灌輸給學(xué)生，因?yàn)檫@樣的教學(xué)很容易割裂知識與情境的關(guān)聯(lián)，長此以往，學(xué)生的眼中就只有公式和規(guī)律，而沒有物理情境，這顯然不利于學(xué)生的成長，因此我們在教學(xué)中一定要合理使用模型，尤其應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷理想模型的建立過程.

將模型引入到物理教學(xué)中，就是要讓學(xué)生能夠輕松靈活的使用模型，但是模型不能直接灌輸給學(xué)生，而應(yīng)該讓他們在自主探究的過程中經(jīng)歷模型的建立，這樣才能更好地提升學(xué)生建模的意識和能力.

比如在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識“質(zhì)點(diǎn)”這個概念時，我們要引導(dǎo)學(xué)生明確“質(zhì)點(diǎn)”概念建立的目的和意義.我們可以提出問題：一列從南京開往北京的火車，研究它運(yùn)動的時間，是否有必要研究火車上每一個部件的運(yùn)動特點(diǎn)？這樣的問題將讓學(xué)生明確在上述情境中，物體的體積和形狀對問題的影響很小，因此可以忽略，隨后教師再提出問題：一列火車即將經(jīng)過一段鐵路橋，如果要研究它通過鐵路橋的時間，是否可以忽略它的形狀和體積呢？通過這樣的比較，學(xué)生經(jīng)歷著“質(zhì)點(diǎn)”模型的建立過程，他們也明確了“質(zhì)點(diǎn)”這個模型也不是普遍適用的，具體在什么時候需要使用這個概念，在什么時候才能使用這個概念，這些問題都是我們在教學(xué)過程中，需要讓學(xué)生辨析清楚的.再比如，部分教師在教學(xué)中還和學(xué)生總結(jié)：“一般情形下，平動物體可以視為質(zhì)點(diǎn)，轉(zhuǎn)動物體不可以視為質(zhì)點(diǎn).”上述表達(dá)有一定的正確性，但是如果只是將概念教給學(xué)生，讓學(xué)生死記硬背，這就沒有任何意義.我們要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合具體的問題展開分析：為什么平動的物體在一般情形下可以視為質(zhì)點(diǎn)，這個“一般情形”指的是什么？我們要啟發(fā)學(xué)生展開思考和討論，進(jìn)而明確：平動物體的特點(diǎn)在于其上各點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)完全相同，如果要研究其運(yùn)動規(guī)律，則可以選用其上的某一個點(diǎn)作為代表來研究即可，這就是物理研究中的“質(zhì)點(diǎn)”.而且到底什么時候可以將物體視為“質(zhì)點(diǎn)”，還是要結(jié)合具體問題來研究，即便是平動的物體，如果問題不合適，我們也不能將其視為“質(zhì)點(diǎn)”，比如一個長度為L的均勻木板放在水平桌面上，其一端與桌邊齊平，整根木板與桌子的邊緣垂直，現(xiàn)在將木板以恒定速度v向著桌邊平移，經(jīng)過多長時間木板會掉下桌面？這個問題的處理過程中顯然不能再將木板視為質(zhì)點(diǎn).

綜上所述，在物理研究過程中，研究者采用抽象方法從原始的物理問題中提煉出理想化模型，這是一種常見的科研方法，也是高中生所必須掌握的探究思路，需要我們在教學(xué)中予以充分的關(guān)注.