高中物理建模教學(xué)的實(shí)踐和思考

張繩強(qiáng)

摘 要：本文先從高中物理模型的分類、建模教學(xué)的基本步驟等方面作出闡述，然后再通過幾個案例的教學(xué)實(shí)踐，試圖嘗試體現(xiàn)物理建模教學(xué)的基本步驟。

關(guān)鍵詞：物理模型；課堂教學(xué)；建模

物理建模教學(xué)是高中物理教學(xué)中很重要很常見很有效的教學(xué)過程，它主要是把實(shí)際問題經(jīng)過理想化、抽象化成簡單的物理模型，引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)的相關(guān)的物理知識和物理規(guī)律，對物理模型進(jìn)行研究和處理，從而達(dá)到快速有效的解決問題、提高學(xué)生綜合能力的效果。

1 高中物理建模教學(xué)的意義

1.1 建模教學(xué)能適應(yīng)高中生物理思維的發(fā)展

物理模型本身就是抽象思維和形象思維的統(tǒng)一體，比如萬有引力和庫侖力、重力勢能與電勢能等這些物理模型的建立既要用到抽象、理想化、比較等抽象思維方法，也要用到類比、概括等形象思維方法。有些物理模型的建立需要學(xué)生在科學(xué)實(shí)驗、事實(shí)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)性的假設(shè)、綜合、合理推理和數(shù)學(xué)驗證，比如伽俐略的理想斜面實(shí)驗、伽俐略對自由落體運(yùn)動的探究、玻爾的原子模型、愛因斯坦的光子說等。

可見，物理建模過程需要的思維方法，高中生已經(jīng)基本具備，高中物理建模教學(xué)能適應(yīng)高中生物理思維的發(fā)展。

1.2 建模教學(xué)能使學(xué)生體驗科學(xué)實(shí)踐的過程

物理建模教學(xué)就是讓學(xué)生在實(shí)際情境或創(chuàng)設(shè)的物理情境中，在原有知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，模仿物理學(xué)家們在研究物理過程中所采用的建模方法（假想法、微元法、類比法、科學(xué)抽象法、等效法、理想化法等），通過自主學(xué)習(xí)、合作探究、教師引導(dǎo)等途徑，去經(jīng)歷建立模型、評價模型、應(yīng)用模型幾個過程，促使學(xué)生理解建立物理模型的整體過程，已期達(dá)到學(xué)生能夠自主建模的目的。

科學(xué)實(shí)踐過程主要包括構(gòu)建、確認(rèn)、應(yīng)用科學(xué)模型，可見建模教學(xué)近似模仿了科學(xué)實(shí)踐，從而使學(xué)生對科學(xué)實(shí)踐過程有了深刻的體會。

1.3 建模教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

高中學(xué)生的創(chuàng)新意識主要指的是學(xué)生在已學(xué)的知識架構(gòu)基礎(chǔ)上，對實(shí)際問題有新思想、新觀點(diǎn)、新設(shè)計、新方法等，都稱為創(chuàng)新意識。物理建模本身就是一項很有創(chuàng)新性的活動，它要在觀察、實(shí)驗的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有的知識背景下，充分研究實(shí)際問題的對象和過程，經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯思維，采用類比、科學(xué)抽象、等效、理想化、歸納、推理等思維方法，從而對分析的對象和過程提出一種簡化的描述。

比如在構(gòu)建平拋和帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)時，就要采用抽象和比較的思想，利用運(yùn)動的合成與分解把它們分解為勻速直線和勻加速直線這兩個簡單的過程，從而加深了學(xué)生對物理規(guī)律的理解，提高了思維的靈活性。

物理模型隨著社會進(jìn)步和科技的昌盛，也是在不斷的完善和發(fā)展，從低級向高級轉(zhuǎn)變。比如原子模型的提出，從湯姆生的棗糕模型，到盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)，再到波爾的軌道量子化模型，到后來的電子云。一個物理模型的建立和完善，需要幾代物理學(xué)家們的思考和實(shí)踐，這對高中生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)有著積極的意義。

2 高中物理模型的分類

高中物理中牽涉到很多的物理模型，本人把這些物理模型大致分為以下幾種。

2.1 實(shí)物模型

高中物理中為了便于問題研究，對實(shí)際物體進(jìn)行理想化和抽象化而建立起的一種物理模型。在物理教材中很常見，對于建立物理概念起到很重要的作用，比如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、彈簧振子、單擺、原子的核式結(jié)構(gòu)、理想變壓器、光滑平面、理想氣體、理想電表、勻強(qiáng)電（磁）場、薄透鏡等。

2.2 過程模型

就是物理學(xué)中牽涉到各種運(yùn)動，通常利用抽象和理想化方法來建立的能夠反應(yīng)事物本質(zhì)的理想過程，一般用于分析物理事件發(fā)生的過程，建立物理情景。比如完全彈性碰撞、簡諧振動、自由落體、拋體、圓周運(yùn)動、勻速直線運(yùn)動、勻加速直線運(yùn)動等。

2.3 問題模型

通過解決高中物理的典型問題，總結(jié)出解決問題的一般思路和方法。處理問題時就能抓住本質(zhì)，思路明確，簡單明了。同一個物理原理和概念可以用不同的問題模型來體現(xiàn)，在各種試題中很常見。比如彈簧問題、平衡問題、各種臨界問題、子彈打擊木塊問題、傳送帶問題、機(jī)車啟動問題、帶電粒子的偏轉(zhuǎn)和勻速圓周問題、關(guān)聯(lián)速度問題等。

2.4 理論模型

該模型是指人們還不清楚事物的本質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)、規(guī)律時，物理學(xué)家在實(shí)驗事實(shí)和物理思維的基礎(chǔ)上，為分析解決某種理論問題提出的假說而建立的模型，如玻爾原子理論、愛因斯坦的光子說等。

3 學(xué)生在物理建模方面的不足

在多年的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生物理成績不理想，關(guān)鍵在于分析問題時，不善于建立物理模型和應(yīng)用相關(guān)的規(guī)律，主要不足有如下幾點(diǎn)：

（1） 單憑直覺和生活經(jīng)驗來建立題目中的物理模型，缺乏嚴(yán)密的邏輯思維和推理能力，無法明確實(shí)際問題中所牽涉到的其他物理模型。

（2）不善于進(jìn)行抽象化和理想化的應(yīng)用，無法將實(shí)際問題中的對象進(jìn)行抽取，也就無法與所學(xué)的物理知識和規(guī)律相聯(lián)系。

（3）分析物理模型時只能停留在表面，而無法切實(shí)應(yīng)用該物理模型所牽涉到的本質(zhì)問題。

【案例1】本案例試圖從圓周運(yùn)動在復(fù)合場中的重建來凸顯學(xué)生建模方面的不足。

圓周運(yùn)動問題是高中物理力學(xué)中的基本問題之一，在高中教材中有著重要的地位。在高一階段只分析重力場中的圓周運(yùn)動問題，對于輕繩模型，最高點(diǎn)的最小速度對應(yīng)繩子的拉力為零時即mg=mv2/L（圖1所示），由于只有重力場，故學(xué)生對該臨界條件較容易理解和掌握。

但是由于物理模型是有限的，而物理情景是多樣化的。在圖2所示的物理情景中，情況就不同了，這里就凸顯出學(xué)生對重力場中豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動缺乏本質(zhì)的了解，不善于利用類比的方法，缺乏知識遷移能力。

可見學(xué)生在學(xué)習(xí)物理模型時，要多思考，不斷深入分析和歸納，了解模型的本質(zhì)內(nèi)容，只有這樣才能靈活、正確地應(yīng)用物理模型。

4 建模教學(xué)的基本步驟

在日常教學(xué)中，一方面要學(xué)生切實(shí)理解各種物理概念和物理規(guī)律，另一方面在解決問題時，要學(xué)生明確分析對象，是個體還是某個系統(tǒng)，還要明確該問題牽涉到哪些物理模型，遵循哪些物理規(guī)律。結(jié)合本人實(shí)際物理教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)出建模教學(xué)的一般實(shí)施步驟，如圖3所示：

以下就通過案例2，來呈現(xiàn)物理建模過程的教學(xué)步驟。

【案例2】本案例以2011年福建省高考理科綜合試卷第20題為例，嘗試展現(xiàn)例題建模教學(xué)的基本過程。

如圖4為某種魚餌自動投放器中的投餌管裝置示意圖，其下半部AB是一長為2R的豎直細(xì)管，上半部BC是半徑為R的四分之一圓弧彎管，管口沿水平方向，AB管內(nèi)有一原長為R、下端固定的輕質(zhì)彈簧。投餌時，每次總將彈簧長度壓縮到0.5R后鎖定，在彈簧上段放置一粒魚餌，解除鎖定，彈簧可將魚餌彈射出去。設(shè)質(zhì)量為m的魚餌到達(dá)管口C時，對管壁的作用力恰好為零。不計魚餌在運(yùn)動過程中的機(jī)械能損失，且鎖定和解除鎖定時，均不改變彈簧的彈性勢能。已知重力加速度為g。求：

（1）質(zhì)量為m的魚餌到達(dá)管口C時的速度大小v1；

（2）彈簧壓縮到0.5R時的彈性勢能Ep；

（3）已知地面距離水面相距1.5R，若使該投餌管繞AB管的中軸線OO在900角的范圍內(nèi)來回緩慢轉(zhuǎn)動，每次彈射時只放置一粒魚餌，魚餌的質(zhì)量在m到m之間變化，且均能落到水面。持續(xù)投放足夠長時間后，魚餌能夠落到水面的最大面積S是多少？

該試題的運(yùn)動情景較為新穎，考生要透過魚餌自動投放器的投餌管裝置的結(jié)構(gòu)，還原出投魚餌的物理原理：彈簧勢能轉(zhuǎn)化為動能和重力勢能，離開管口后做平拋運(yùn)動。該題能很好地考核學(xué)生審題能力，即從實(shí)際情景轉(zhuǎn)化為物理模型，抓住狀態(tài)和過程特征分析，理清解決問題的思路。

在教學(xué)過程中，要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)本題的理想化條件（不計魚餌在運(yùn)動過程中的機(jī)械能損失），進(jìn)行嚴(yán)密的邏輯思維和推理，逐步建立起本題涉及的幾個物理模型：質(zhì)點(diǎn)模型、彈簧模型、豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動以及平拋運(yùn)動。

本題是中檔題，考查能力比較全方位，既考查抽象思維能力，也考查形象思維能力，同時考查數(shù)理運(yùn)用能力。由于同一個物理模型在不同的物理情景中又有了新的內(nèi)涵，因此在教學(xué)中，教師對物理模型不能直接應(yīng)用，要重視展現(xiàn)物理模型在建立過程中的各種物理思維方法，才能避免造成學(xué)生思維定勢，達(dá)到思路開闊、靈活運(yùn)用的效果。

通過上面的分析和案例教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)高中階段的物理知識都與一定的物理模型緊密相聯(lián)系。建立物理模型，有利于學(xué)生抓住問題本質(zhì)，掌握解決問題的方法，如類比研究的方法、微元法、等效法等。在日常的教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生如何建立物理模型，并用相關(guān)規(guī)律解決問題。學(xué)生對物理模型的發(fā)現(xiàn)和處理，直接關(guān)系到高中物理的學(xué)習(xí)效率，所以建模教學(xué)是高中物理教學(xué)中非常重要的一個方面。