高中物理模型教学与思维能力培养

【摘

要】本文从物理模型的分类出发，探讨在高中物理模型教学中培样学生的抽象思维能力、模型思维能力、等效思维能力和类比思维能力的方法，从而提升学生物理学科核心素养。【关键词】高中物理;模型教学;思维能力2020年修订版《普通高中物理课程标准》将“注重体现物理学科本质，培养学生物理学科核心素养”这一基本理念放在首要的位置。关于物理学科核心素养我们可以从四个方面进行概括：（1）物理观念;（2）科学思维;（3）科学探究;（4）科学态度与责任。对于其中的科学思维，模型建构是科学思维诸多要素中的第一要素，下面笔者就高中物理模型教学与思维能力培养谈谈个人的一点拙见，以供同行参考。一、物理模型的分类物理模型是一种高度抽象的、理想化的心理构造物，是科学抽象与高度概括的结果。根据理想化的对象不同，一般分为以下三类：（一）对象模型对象模型是针对某一具体研究对象的特点，依据研究的目的和要求，提取其主要因素，而忽略或者淡化次要因素，建立一种能够体现研究对象主要特征的理想化、抽象化模型。如高中物理中的质点、离子、单摆运动、理想气体、点光源、卢瑟福模型、光线、波尔模型、薄透镜等。（二）过程模型物理过程一般都比较复杂，会受到多种因素的影响，为了研究方便，常会抓住主要因素、舍弃次要因素，建立能够揭示事物变化本质的理想过程。如力学中的自由落体运动、简谐运动、弹性碰撞等;热学中的等温变化、等压变化、等容变化、绝热变化等。（三）结构模型结构模型是基于实际观察和实验，运用合理的物理逻辑思维，简化描述研究对象的结构、相互作用及运动规律等。例如，安培分子电流假说、卢瑟福原子核式结构模型、玻尔的准量子化原子模型等。二、在物理模型建构的过程中培养学生的抽象思维能力抽象思维是思维的一种形式，它是指从事物的诸多复杂属性中，提取其本质属性，舍弃其他非本质属性的一种思维过程。对物理模型建构过程的本质进行分析，其属于一个科学抽象过程的范畴，每个建构模型的教学过程都是培养和提高学生思维能力的极好机会。在物理教学中，向学生展示建构模型的多种思维方法：分析与综合、抽象与概括、归纳与类比等，通过模型的建构培养学生的分析、综合、比较、抽象、概括、推理等思维能力。例如，在自由落体运动模型的建构过程中，如何消除学生原有的生活经验的影响是教学的难点，可以通过演示硬币和纸片的运动来再现生活经验，然后将纸片揉成纸团，再和硬币从相同的高度同时下落，看谁下落得快（几乎一样快），从而激起学生的思维冲突，引导学生思考自然现象背后隐藏的规律——下落快慢不同是因为空气阻力的影响，猜想在没有空气阻力的情况下轻重不同的物体下落的快慢会怎样？接着通过演示牛顿管实验，得到“在没有空气阻力的情况下，重的物体与轻的物体下落得同样快”的结论。然后运用打点计时器进一步研究落体运动的规律，得到自由落体的运动模型。在模型教学中，要注意让学生理解和掌握模型的建构过程，了解如何将具体的事物经过抽象后纳入此模型，明确模型建构的具体条件，并让学生从多个方面了解模型的各种变形，防止学生形成僵化思维或固化思维。比如，单摆模型是把摆球视作质点，忽略空气对摆球的阻尼作用，摆球在重力和绳子拉力共同作用下，在竖直平面内作摆角极小（θ<5°）的振动。绳子在摆球摆动过程中提供的是一种指向圆心的拉力，具有约束作用。同时，圆弧也可以限定摆球摆动过程，它同样具有约束作用，原因在于两者的本质是一样的。因此，小球在光滑圆弧轨道的最低点附近所做的往复运动也是单摆模型。三、在应用物理模型解题的过程中培养学生的模型思维能力模型思维是一种综合性的思维，就是对问题建立体系框架，用系统化的方式解决问题的思维方式。在许多领域都可以看到，如在棋类世界，人们通过掌握棋谱而成为高手。通过建构物理模型培養学生的模型思维意识，可以帮助学生理解和掌握复杂物理知识的本质属性，引导学生在解决问题时举一反三、触类旁通，达到事半功倍的效果。物理解题的过程实质是将题目所给的情境抽象成一个或几个物理模型，然后运用相应的规律求解。在习题教学中，引导学生通过建构物理模型来解决问题，是培养模型思维能力的重要环节。在用模型法解题时，应注意每种模型都有限定的适用条件和适用范围，综合考虑所研究问题的性质和目的，正确选择对应的物理模型，不能随意乱用模型，乱套公式。高中物理的课外习题以及高考试题中所涉及的物理模型，它们的建构难度略高于课本中的基本模型，属于综合性的物理模型，这就需要我们进一步建构一些综合性的“系统模型”来解决问题。比如，追及模型、传送带模型、板块模型、子弹打木块模型、爆炸模型、电磁轨道上的双杆模型等。重视这些系统模型的建构和应用，总结其规律和方法，有利于学生模型思维能力的发展。四、在物理模型变换的过程中培养学生的等效思维能力和类比思维能力历届高中学生均反映物理学习起来很难，尽管上课时听起来很有趣味，但在实际做题时却不会。许多学生很困惑：明明记住了物理教材中的许多公式，但在面对一个新的情境时却不知道该用哪个公式，或如何运用这些公式去解决实际的问题。究其原因，根本在于学生缺乏从具体问题抽象出一个物理模型的能力。也就是说，或缺乏对公式的深入理解，或缺乏对实际问题的分析能力，或缺乏在公式与实际问题之间建立某种联系的能力。因此，要想让学生构建起良好的模型思维，就不可忽视对学生加强模型变换能力的培养。等效变换和类比变换是常见的两种模型变换方式。等效思维就是将某个陌生而又复杂的实际物理对象或者物理过程用一个理想状态下的简单而又熟悉的物理对象或者物理过程来代替的一种思维方法。我们在分析具体的物理问题时，可以将题目给定的物理现象抽象出一种模型，然后与我们曾经熟悉的模型进行比较，寻找它们的共性特征，辨识其中的差异，只要物理本质相同，就可用此模型进行替代，从而获得解决问题的方法或者思路，这便是等效法。例1：如图1所示，带有光滑弧形軌道的小车质量为m，放在光滑水平面上，一质量也为m的铁块，以速度v沿轨道水平端向上滑去，至某一高度后再向下返回，则当铁块回到小车右端时，将（

）。A.以速度v做平抛运动B.以小于v的速度做平抛运动C.静止在车上D.自由下落解析：由于铁块和小车组成的系统在整个作用过程中所受外力为零（动量守恒），也没有机械能损失（机械能守恒）。所以，可以将铁块滑上小车圆弧轨道又返回的全过程等效为：一个小球以初速度v与另一个静止小球发生弹性碰撞的过程，由于质量相等，发生速度交换。当铁块返回到小车右端时，以地面为参考系，小车的速度为v，铁块的速度为零，因此，铁块做自由落体运动，故选D。类比思维是根据两个研究对象，在某些属性上类似而推测其他属性也类似的思维方法。我们可以根据题目给定的信息提取出一种物理模型，然后与我们熟悉的模型去进行类比，如果两者的物理本质不同，则可以运用辩证思维，寻找两者能够发生关联的因素，从而获得某种启发或相同的结果，这便是类比法。例2：如图2所示，光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连，水平轨道上方有一足够长的光滑金属杆，杆上挂有一足够长的螺线管A，在弧形轨道上高为h的地方，无初速释放一磁铁B（可视为质点），B下滑至水平轨道时恰好沿螺线管A的中心轴线运动。设A、B的质量分别为M、m，试求：（1）螺线管A获得的最大速度;（2）螺线管与电阻R组成的回路中产生的焦耳热。解析：磁体B进入螺线管的过程和“子弹打木块（未穿出）”的物理模型类似，这里螺线管A中感应电流产生的磁场总是阻碍磁体和螺线管间的相对运动，磁铁与螺线管间的排斥力跟子弹在木块中相对运动时摩擦力的作用类似，将机械能从一个物体转移到另一个物体，同时将一部分机械能转化为电能（内能）。以A、B为研究对象，它们所受的合外力为零，动量守恒，当A、B速度相等时，相互作用结束，螺线管获得的速度最大。根据以上分析可得：（1）设磁体B滑至水平轨道时的速度为v0，根据机械能守