首页 -> 2007年第11期
物理建模思维及培养
作者：王启腾
[关键词]物理模型 建模思维 物理教学 培养
我国的中学物理教学十分注重系统的知识的传授，但对于物理方法的教学不是十分重视，而新课程就比较注重方法的教学，所以近几年中考试题命题从知识立意向能力立意转变，已向联系实际与现代科技相结合的方向发展，着重考查学生对知识的理解、迁移、应用能力，考查学生学以致用的能力。这就需要学生面对新的物理情景，将其转化为物理问题，建立起物理模型，并把已知条件进行提取、加工、综合迁移至问题部分，从而解决问题。而有些学生遇到此类问题时觉得无法可循、束手无策。实际上中学生在解决每一个物理问题的过程，就是正确选用物理模型，建立物理模型的过程。物理建模思维方法是物理基本思想方法，也是解决实际问题的重要途径和方法，所以教师在完成教学任务的同时，一定要重视物理建模思维方法的教学，本文结合自己的教学实践谈谈物理建模思维及其在教学中的培养。
一、理论依据
（一）物理模型及物理建模思维
物理模型是指物理学所分析的研究的实际问题往往很复杂，为了便于着手分析与研究，物理学中常常用“简化”的方法，对实际问题进行科学抽象的处理，用一种反映原物本质特性的理想物质（过程）或假想结构，去描述实际的事物（过程）。这种理想物质（过程）或假想结构称之为物理模型。
所谓物理建模思维就是将我们所研究的物理对象或物理过程通过抽象、理想化、简化和类比等方法形成物理模型，来研究和学习物理，分析、处理和解决物理问题的思维方法。
（二）建模的类型
1.建立对象物理模型。即把物理问题的研究对象模型化。如建立原子模型、点光源、点电荷等模型。
2.建立过程物理模型。即把研究的物理现象的实际运动过程进行近似处理，排除其在实际运动过程中的一些次要因素的干扰，使之成为理想的典型过程。如建立“匀速直线运动”、“匀速圆周运动”等过程模型。
3.建立条件物理模型。即排除物体所处外部条件的次要因素，突出主要方面。如建立“接触面光滑”、“绝热”等条件模型。
二、物理建模思维在中学物理教学中的作用
（一）物理建模思维是物理教学的基础
1.使物理教学简单化。很多实际问题是复杂的，很难研究的，如能将其转化并建立物理模型将使问题简单化。如研究物体运动时，当物体平动且对研究的问题不影响时，可以不考虑物体的形状和大小，把物体看做一个点，可以大大简化问题的复杂性。
2.使教学形象、直观。有些物理问题、现象、过程非常抽象，运用物理建模思维建立起物理模型，将使问题变得直观、形象。如在研究光的现象时，用光线来形象地表示光，在研究磁场时用磁感线来描述磁场。
3.使具体问题普遍化。如在推导液体压强公式时，建立起液柱模型，只需推导出液柱对其底部的压强，便知此深度处液体向各个方向的压强。液柱的高度即为液体深度，其结论有普遍性。
（二）物理建模思维是学生思维的支柱之一
在学生学习过程中，如不能有效地建立物理模型，问题将变得很难处理，对物理现象和过程认识模糊，这也是许多中学生感到物理难学、难懂的原因之一。相反建立了物理模型，学生有了思维的基础和依据，在此基础上，便于学生发挥抽象思维、形象思维、发散思维和创新思维。
（三）中考、竞赛的导向
近年来各地中考题、竞赛题出现了不少物理建模能力题，借以考查学生的物理建模思维能力，因此物理模型的识别、构建和迁移就成了命题的热点。可见物理建模思维的重要性及命题者对这一思维形式的重视。
（四）有助于提高学生分析解决问题的能力
我们知道，“教”的目的是为了“不教”，必须培养学生解决实际问题的能力，为达到这一目的，学生学到的知识应该是系统的、有机的整体，这样才便于学生去应用，解决实际问题，而建模思维方法在知识的衔接、融合、迁移过程中起着不可替代的作用。如果学生熟练掌握了建模思维，当他遇到实际问题时，就会根据提供的信息，将其转化为物理问题，构建物理模型，并进行逻辑推理。如研究自由落体运动，根据物理建模思维就要根据该物理现象的情况，抓住主要因素，忽略次要因素，建立合理模型，所以自由落体运动就是忽略了空气阻力（次要因素），认为物体只受重力（主要因素）而建立的理想化模型。
三、物理教学中学生物理建模思维能力的培养
（一）注重建模过程的教学，提高建模思维能力
在概念、规律教学中让学生了解建立物理模型思维的方法，注重建模过程的教学，提高建模思维能力。物理模型是在观察、实验和已有知识经验的基础上建立起来的，在物理教学中，要切实加强物理观察，有目的、有计划地引导学生观察日常生活中的物理现象和过程，为建模提供可靠基础。物理建模过程中，充分利用抽象思维和比较思维，区分主要因素、次要因素和无关因素，抓住本质的东西加以概括，建立物理模型。在教学中要注意建模过程的教学，如在连通器的教学中，可以让学生观察茶壶、锅炉水位计、乳牛自动喂水器等，设计表格：
引导学生分析、比较这些物体间的差异和共同点，找出它们的共性：上端都开口、下部都连通，进一步抽象建立连通器的物理模型。同样在研究简单机械时，可以举出多种生活中的工具或器械，让学生分析比较，尽管这些工具或器材，有的是直的，有的是弯曲的，有的固定点在一端，有的固定点在中部，但它们都具有共同特征：①坚硬，使用时不变形。②在力的作用下能绕固定点转动。进而抽象出“杠杆”这一物理模型。
在授课中不要直接给出概念、规律，要创设好物理情境，有计划地引导学生去探索，去发现，使学生在探究问题中掌握知识的同时，学会和领会物理建模思维方法，这是方法教学中非常重要的一环。所以教学中充分发挥教材中提供的物理模型的作用，帮助学生发展物理建模思维。教材中蕴含着丰富的物理模型素材，在物理概念和规律的教学中，充分利用和努力挖掘教材中的模型素材，使学生在形成物理概念和掌握规律的过程中，形成和训练物理模型思维。
（二）在实验教学中，培养学生的物理建模思维能力
先做有关实验，使学生在脑海里留下一个直观的、具体的、形象的物理模型，在此基础上作抽象引导，形成一种思维轮廓，变成有思维特征的物理模型，然后再利用学生思维中已建立起来的物理模型去解决问题，很多物理实验在进行实验的推理和解释时，都需要借助物理模型来完成。如在研究连通器原理的实验中，抽象出液片模型，利用受力分析帮助推导连通器的特点，为实验结果分析及相关问题的解决提供了基础。如在电学实验中，可近似认为导线的电阻为零，在电路中电流表近似认为是一根导线，电压表当做开路处理，会给实验设计和研究带来很大的方便，使相关的实验得到简化。再如光学实验中，用光线模型分析光路，可方便地研究光的反射和光的折射现象。所以在实验教学中重视物理模型的应用，既可以提高实验能力，又能培养学生的物理建模思维能力。
（三）在习题教学中培养学生物理建模思维能力
学生在解题过程中往往存在一些问题，读不懂题或做题过程思维混乱。在很大程度上是由于学生解题习惯差、建模能力差造成的。如果在解题过程中快速准确地建立起与题目相符合的物理模型是至关重要的。学生要掌握物理建模思维方法，要在实际应用中才能慢慢领会和掌握。每一个物理过程的处理，物理模型的建立，都离不开物理问题的分析。习题教学中通过对物理模型的设计思路及分析研究总结，能培养学生对较复杂物理问题进行具体分析，区分主要因素和次要因素，抓住问题的本质特征，正确运用科学抽象思维方法处理物理问题的能力。
[2]