高中物理课堂教学中模型构建的实施

福建省厦门市第二外国语学校 叶金福

物理模型是根据模型构建对象的主要特征，如对象形状、对象大小、对象运动状态、对象运动过程等。根据物理模型的主要因素构建抽象化的概念或实体。模型的实体与概念源于实践，但模型的实体与概念和实践有一定的差别，能够展现在实践中现象和过程的特征，让研究者进行深度探究。

物理过程的处理方法和模型构建都需要对物理问题进行分析和研究，在教学时教师需要厘清设计物理模型的思维，结合模型的建设过程，开展探究性学习，使学生利用模型分析复杂的物理问题并最终解决物理问题。让学生通过构建模型分析物理问题中的主要因素和次要因素。模型法能让高中学生拥有最基础的科学抽象思维，并利用抽象思维学习物理问题，让学生的创新能力在物理学习中获得大大提升。物理模型法更能让学生了解物理学的基本研究方法。在高中阶段的物理课堂教学中，培养学生对模型的构建可以从以下几个方面入手。

解答物理问题能让物理信息和学生头脑中已有的知识联系。通过将物理问题和物理知识联系，让问题的本质变得清晰和自然，解决物理问题时，需要摒弃物理问题里的不重要因素，结合物理问题的核心是解决物理问题。根本方法是利用建模思想路径，寻求物理建模过程，寻找物理问题的解决思路，比如让学生尝试构建匀速运动模型，构建理想化中的模型，发现物理学中的普遍规律，最终解决物理学问题。

物理建模思想是在遇到物理问题时，无法通过概念进行处理，而需要先剔除和核心思想无关的次要因素或者是不影响结果的次要因素，通过构建主要因素之间的问题去理清问题的本质，最终构建理想化的物理模型、解决实际问题的一种抽象思维。学生在理解物理概念时，通常难以理解物理概念的实质，难以把握电场强度、电势能、磁通量等复杂抽象的概念。构建概念化模型是解决物理问题最高效的思维模式，通过构建能或场的概念，让学生认识磁场的性质和能量，在磁场中转化的过程，了解能量的变化，通过模拟静电类比重力场让学生掌握能与场相关的物理知识。

教师要从解决物理问题的实际出发，让模型学在物理学发展的过程中和学科知识相互渗透展现模型的特点，突出模型的外在形象美，令学生通过模型了解物理学科的魅力。让学生在解决问题时优先考虑模型这种模式，教师在开展物理习题课教学时，要让学生总结模型，理解模型的内涵，让学生能够在学习物理知识时从模型入手，了解模型中不同物理概念的意义。

在物理课堂上，教师要激发学生的建模欲望，需要结合物理学科的特点，也需要结合学生的心理需求，促使学生在掌握一定知识的基础上形成建模兴趣。在解决问题时，学生会遇到各类突发情况，也更容易受到这些突发情况的影响。因此学生会有更多解决现实问题的欲望。当生活经验和亲眼目睹的实际与物理理论出现矛盾时，学生就必须用正确的方式和公式解决遇到的现实问题。例如，在分析拔河比赛的作用力时，需要结合拔河双方的作用力与地面的摩擦情况，对拔河中力的作用力进行分析，研究拔河中不同对象的受力。在解决物理问题时，要根据问题情境引导学生细致而全面地分析。

在上课时可以结合物理学史中的著名问题构建模型，通过分析物理学的历史史实和物理学的经典问题提炼高中物理的知识点，让学生感受物理发展历史的同时又能解决物理学中的经典问题和高中物理学中的基础问题，从而提高学生对知识本源的兴趣。例如教师可以引入著名物理学家居里夫人在放射性元素方面的卓越研究，并且将居里夫人的研究当作带电粒子在磁场中匀速运动的背景材料，为枯燥的课堂增添趣味。通过构建完整的模型激发学生探究与利用物理模型，直观且形象地让学生第一次对物理产生美的认知，激发学生想通过自己的实践去创造模型的愿望。

在日常课堂教学过程中，教师要为学生展现物理模型相关的许多教学案例，让学生辨别物理模型的特征，概括物理模型的本质。在教学过程中，教师一定要注意引导学生关注模型的突出特征，控制和模型研究问题无关或次要的要素，物理模型的特征越明显就越方便学生抓住学习的重点。如果模型设计的无关元素越多，就可能导致学生的注意力出现偏差，从而出现学习困难。物理模型的学习中，教师要善于帮助学生对已学物理模型进行归纳与总结，更要善于引导学生自己进行这项工作，有利于学生总结知识，积累经验，这是物理模型构建中必要且重要的，也能让学生学习的物理模型更加精确。同时教师也要进行适当的变式训练，改变物理模型的非关键性特征，让学生看破不同的表现形式，抓住物理模型的本质。

物理模型的实现和建构需要积累知识经验，因此构建模型的行为是循序渐进的学习过程，可以通过以下过程，对物理模型有完全的认知：

第一步：利用实践中的物体映射能肉眼观察的影像并存储模型。教师可以引导学生观察教室中肉眼可见的物体，或现实中学生经常接触的客观客体，例如教室里的黑板或者是足球场上运动的足球等，让学生观察足球和黑板的运动情况，对比分析黑板这类静态物体的模型。在构建匀速运动的模型时，教师可以通过实验的模式让学生观察匀速运动的小车各点的运动变化情况和小车整体的运动过程，让学生了解质点这一重要模型，通过实践案例让学生理解物理学中质点的意义，在应用中学会利用质点模型的特性和质量特征来描绘物体。利用质点模型简化物体，在研究时可以抛开物体的大小特性，并将物体当作质点处理，让学生理解质点类似的物理学客观概念，这些深奥的物理学概念都可以通过模型进行构建。

第二步：利用分清主要因素和次要因素的思想来构建模型、存储模型。在分析带电粒子在电场中的运动时，学生应当运用质点建模分析受力对象探究，质点对受力对象产生的电场力，通过构建与平抛运动类似的模型和重力下的平抛运动模型对比，了解高中物理知识中的主要因素，在物理学中运用哲学的辩证法思想。如此一来，长此以往学生就可以了解在同样的电场中电粒子的重力小于电场力，简化问题。通过对比重点因素和次要因素确定重点因素，学生能够理解力学中的匀速力磁场，通过突出重点因素的形式构建模型。

第三步：创建物理模型不仅要求学生有较强的抽象思维能力，还要有探究物体运动变化的抽象过程的知识增加与能力的提高，比如让学生对力学中的平抛运动、自由落体运动有越来越深刻的认知，对这些运动相关的模型也日益熟悉。在模型认知成熟后，学生就会掌握更全面的力学知识。高中物理学要求，学生不仅要将实体抽象成抽象化物体，还要针对力学变化过程构建模型。根据循序渐进的学习原则，学生在学习易学基本对象后再学习电学中的恒定电流，探究电学中磁场粒子的匀速圆周运动，继续构建更复杂的模型。通过知识的迁移升华知识，提高自己的知识掌握层级，最终构建难度更高的模型。

“物理模型构建思想”对高中生而言非常重要，教师在帮助学生培育物理建模思想最重要的是让学生去领悟思维，感受建模思想的形成，在分析自由落体时，教师应当让学生自主感受物体从高空中下落为何被称为自由落体，通过学生的亲身感受，了解物理学里自由落体的含义，引导学生了解自由落体的规律，让学生拥有正确的思考方向，培养学生的创造能力。

在高中物理教材中有许多抽象化的物理知识，这些知识难以被学生所理解和接受，如果学生长期接触抽象化的知识，会让学生失去信心，如果教师在教学时结合物理建模思想，让学生建设模型学习，便能突出物理问题的重要核心，便于让学生理解和掌握，通过帮助学生疏通思路，让学生脑海中有清晰的物理知识树状图。建模的思考方式能让学生简化物理问题的解决流程，增强学生学习物理的自信心和成就感。

在培养“物理模型构建思想”的教学过程中教师要帮助学生构建物理思维，关注学生在学习过程中学习方法和思维方式的变化，同时教师也要积极纠正学生对模型思维产生的错误理解。例如部分学生在学习物理学知识后认为模型是理想化的，不能用理想化的模型套用实际的情况，这部分学生无法理解教师导出的公式。在这时身为教师，我们要让学生通过亲身体验感受物理模型的特点与好处，让学生了解物理模型在解决题目时发挥的重要功能，强调物理模型的条件性特征。在实践中，客观事物的运动是由复杂规律交织而成的，需要慢慢去探索，去领会其中的奥秘。理想状态的物理模型代替真实客体的运动，能够简化物体运动的模式，让事物的发展规律能够以物理学的形式呈现，便于学生掌握知识的根本内涵。如果学生能够掌握物理模型的构建方法，并且在题目的学习中运用物理模型构建思想，那么学生就能对物理学知识有更深刻的认知。培养学生的思维知识是教学的创新，需要教师重点关注。让学生认识物理模型与理解物理模型也是物理教育的创造过程，这个过程能培育学生的创新思维能力，让学生对物理模型产生正确的认知，是培养学生物理素养和创造能力无可替代的有效渠道。

1.观察——实验——建模。

认识和了解自然现象离不开观察和实验，以公路的路基铺设情况为例，教师应当要求学生观察公路转弯处路面倾斜情况，在学生掌握匀速圆周运动基本知识的前提下引入匀速圆周运动模型，解释设计原理，让学生充分理解物理知识在交通中的应用，理论与实际相结合的教学方式使学生在头脑中形成清晰的实际情景。借此还可以解释火车的铁轨铺设原理等，让学生明白为何可以对车辆建立物理模型，将其看做质点，对车辆的运动模型建立物理模型即匀速圆周运动模型，并以受力情况为切入点解释其做圆周运动的原因。还可以利用课本中匀减速运动的相关知识计算车辆的行驶速度。训练学生观察、实验、根据已有知识对问题进行抽象建立物理模型的能力。

2.类比——联想——建模。

类比就是经过观察分析明确某些事物在某些方面具有相似之处时，可以根据已有的知识对它们某些性质进行相似的推论。类比可以帮助学生利用较为熟悉的物体的性质理解学生并不是很熟悉的物体的性质，以完成对问题的解答。学生在理解电场的分布和电势能时可能并不容易，特别是涉及变化过程的知识并不好掌握，此时就可以将重力势能的知识与电势能的变化做对比，进行类比，降低理解上的难度。在两种能量变化相似的过程之间建立联系，建立一个与用来解释重力做功与重力势能变化关系的模型相近的物理模型。此外这种类比思想还可以应用到学习玻尔能级结构中，原子核外电子运动动能及电势能如何变化理解起来并不是很容易，尤其是发生电子轨道跃迁时二者大小变化理解起来更为困难。此时就可以引入人造卫星运动模型这种学生熟悉擅长的物理模型进行类比，电子可以与卫星进行类比，万有引力就可以等效为库仑力，电势能与万有引力势能进行类比，电子动能可以与卫星的运动动能形成一个类比。类比可以使解题的方向更加清晰，也可以帮助学生对情景有一个更清晰的构建，建立起的物理模型也就更有说服力。类比联想拓宽了学生的想象空间，思维方式也会更加发散和深入。

总而言之，物理模型方法在物理学研究以及学习中占据非常重要的地位。物理课堂在教授学生物理建模的过程中更好地锻炼了学生科学思维的能力，对于学生科学素养的提升也起到重要积极影响。教师在教学过程中应当格外关注物理模型促进学生学习的特性，不断地探索，有效地利用每一种方法，培养学生物理建模思想的形成。

综合如上所言，高中物理课堂教学中引导学生认识和理解模型形成，培养学生初步具备“物理模型”构建的思维、进行简单“物理模型”构建的能力是复杂与长期的过程，需要教师和学生双方进行训练，立足物理课堂教学找到模型化方法与物理教学的更好的契合点，不断地积累、挖掘和领会。