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培养建模意识 提升思维能力
作者：赵文海
[关键词]物理教育 模型教学 建模意识 思维能力 途径方法
构建模型是高中物理探究性学习中常用的研究方法，它是对复杂事物、复杂过程进行删繁就简、去粗存精，抓住问题本质后的高度抽象。这些物理模型既源于实践又高于实践，具有一定的抽象概括性，因而学生普遍感觉难学。问题在于很多学生还是习惯于初中的那种形象思维方式，只会记概念、规律的静态结论，而不重视得出结论的发展过程；只会照葫芦画瓢，模仿性地解决一些简单的物理问题，而不善于通过观察分析，提炼出现实情景的物理模型，而后纳入到相关的知识体系中去加以处理，最后得到问题的解决。所以，物理教师在教学过程中一定要重视对学生建模意识的培养，只有这样才能使学生在解决物理问题时清晰地还原物理模型，迅速找到解决问题的方法，从而培养学生灵活多变的思维能力。高中物理新课标特别关注学习的过程与方法，注重培养学生良好的思维习惯。因此，物理模型既是物理学赖以建立的基本思想方法，也是物理学在应用中解决实际问题的重要途径和方法。在教学过程中引导学生运用模型的建构与还原的方法，既符合高中物理新课程重方法、重思维的要求，又是提升学生思维能力的有效措施。
一、物理模型及其分类
所谓物理模型，就是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本质而对研究对象所作的一种简化的描述或模拟。大致可分四种：
1.实体模型。物理学的研究对象是客观存在的实际物体，通过对它简化、抽象建立起来的理想模型，叫实体理想模型。如质点、刚体、单摆、弹簧振子、理想气体、单分子膜、点电荷、理想二极管、薄透镜等等，皆为实体模型。
2.过程模型。将一个复杂的物理过程，科学地分解为较简单的几个分过程，使得问题的求解简单化和具体化。如力学中的匀速直线运动、简谐振动、弹性碰撞、完全非弹性碰撞、平抛运动等，热学中的等温、等容、等压、绝热过程等，都属于过程模型。
3.条件模型。根据具体情况具体分析，这是科学思维方法的精髓。在物理问题中，各种条件往往对物理过程起了很重要的制约作用：一根绳子、一根杆、一个斜面，从不同的方向制约了物体的运动。这种制约对物理过程来说形成了一定的约束条件。条件模型就是将已知条件模型化，剔除条件中的次要因素，突出条件的本质因素，化难为易，为问题的求解铺平道路。
4.理想模型。由于人们的认识水平发展的阶段性，以及实验条件，对象本身等条件的限制，对某些物理现象的认识缺乏全面、深人的了解。 因而只能根据已有的认识提出一种假说性的物理模型，即为假设理想模型。运用它解释有关现象，通过实验、观察、研究等进一步完善假设理想模型，从而推进物理学的发展。如关于太阳系结构的日心说，玻尔原子模型的玻尔假设，分子电流假设，光电效应理论等等，都为假设模型，若条件成熟有的假设理想模型也就自然成为实体或过程理想模型。
以上四种模型的分类是从物质或物质运动的某个方面为出发点的，各种模型是相互依存相互联系的，一个模型建立可多角度、多侧面的，各个方面不能相互割裂。但理想模型的建立皆为科学抽象的结果，是一种感性认识到理性认识的上升，它更有利于揭示并掌握物理现象及物理运动的内在规律。
二、培养建模意识，提升思维能力的途径和方法
物理模型方法是让学生掌握建立各种模型的方法和如何应用各种模型解决实际物理问题。解题的过程实质上是还原物理模型的过程：明确研究对象、弄清物理过程、建立物理图景。物理试题情境新颖，实际上也是在我们熟知的理想模型的基础上发展和变化而来的，只要教师深刻地挖掘其隐含共性，实现解法的组合、类化和移植，就可以缩短分析推理路径。
1.理想模型的建立。物理所研究的问题源于实际的事物或者过程，这些实际事物或过程非常复杂，往往包含着多方面的特征和多种矛盾，受到多方面的因素牵制，为此需要对原型进行高度概括、抽象和简化，建立起轮廓清晰、主题突出的新形象、新过程，从而使物理研究轻装上阵。这是物理研究最基本而重要的方法之一，高中物理中涉及到几十处理想模型。教学中不仅要让学生明确这种方法，更重要的是要展示具体的背景内容，让学生历经抽象、概括、简化的过程，从中领会理想化模型是如何建立起来的，具体的事物又是如何纳入理想化模型的。
“质点”是学生在高中物理第一个用理想化建立起来的模型，学生对这种方法开始会有些陌生，不易接受。在教学时可以分三步进行：
第一步，通过几个实例的分析使学生感受到在描述运动物体的位置时引入“质点”的必要性。例如，在机械运动之后教师提出跳水运动员、自行车、地球公转等几个实例，学生发现在研究这些物体位置的变化时由于物体的形状、线度以及各部分存在相对运动等因素而使得问题显得寸步难行，此时顺其自然提出“质点”概念，即忽略物体的大小和形状而把它仅看成有质量的点，那些本来存在于物体本身的复杂因素就不复存在；第二步，使学生明确把物体看成“质点”的条件。可以设置了几组情景引发思考，如列车通过几百米的山洞、从北京到上海两种情景下是否都可以看作质点？研究地球自转、公转时可否都看作质点？从中可以归纳出：只有当所研究的物体运动的距离比物体本身线度大得多，并且所研究的物体不涉及物体本身转动的情况下，物体自身的因素才可忽略，处理成“质点”；第三步，引导学生总结“质点”的建立过程，从中提炼理想化的思维方法。根据问题研究的需要（描述物体的位置），当物体自身的因素（物体的形状、大小、是否转动等）作为次要因素或无关因素时，可以抓住研究对象的主要因素（保留质量），将其处理成质点，这种方法就是理想化，即突出主要因素，忽略次要因素，质点就是理想模型。
从实际问题到建立理想模型，不仅可以有效地解决问题，还可以加深学生对物理概念和规律的理解，培养学生处理实际问题的思维策略和技巧，领会理想化对于物理研究的重要意义。教师应该根据科学方法的需要适时说明、反复渗透，在增进学生对方法本身理解的同时培养他们对实际事物进行简化抽象的思维能力。
2.简单模型的组合。不同的简单物理模型之间可以组合成新的物理模型，而新情境中物理模型的组合运用又巩固了简单模型的理解掌握。这类问题在物理学习中是比较常见的，如单摆与平抛运动的组合、完全非弹性碰撞与弹性碰撞的组合、完全非弹性碰撞与简谐运动的组合、匀强电场与匀强磁场的组合等，都可作为学生建模初级阶段的训练方式。
[例1]如图所示，半径R=0.40m的光滑半圆环轨道处于竖直平面内，半圆环与粗糙的水平地面相切于圆环的端点A。一质量m=0.10kg的小球。以初速度VO=7.0m／s在水平地面上向左作加速度a=3.0m／s2的匀减速直线运动，运动4.0m后，冲上竖直半圆环，最后小球落在C点。求A、C间的距离（取重力加速度g=10m／s2）。
解析：本题并不难，可以看成是由匀变速直线运动模型、竖直面圆周运动模型、平抛运动模型的组合，依次运用各个简单模型的规律即可顺利求解。（答案：1.2m）
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