新课程视野下的高中物理“模型教学”，本文主要内容关键词为：新课程论文,视野论文,模型论文,高中物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
高中物理教材中丰富的模型为教学提供了物理思想方法教育有效的载体，也是落实物理新课程目标的重要途径。建构主义学习理论认为，知识不完全是通过教师传授获得的，而是学习者在一定的情境下通过意义建构的方式获得的；现代认知心理学认为，长时记忆中的信息不能提取或提取失败的原因是失去了有助于回忆的编码线索，或者在贮存时没有适当编码。物理模型教学正是应用这些原理，利用物理模型解决知识的建构和编码组织工作。注重模型建立的过程，强调模型的立体面，旨在提高学生的科学素质，掌握物理学主要的思想方法，将为学生终身学习打下基础。
一、高中物理模型教学的三个目标层次
1.让学生学会构建模型
物理模型通常由“对象模型”、“过程模型”、“条件模型”等构成。建立物理模型的过程既是传授知识的过程也是培养学生能力的载体，要避免在学生没有亲身体验、思考的情况下直接呈现模型。在学生刚接触到物理模型时，应该把起点定得低一些，同时进行必要的引导，使学生能循序渐进、逐步加深理解，真正体验整个建立物理模型的过程，掌握建立物理模型的一般方法。随着教学的深入可以逐步提高对学生的要求，只在学生遇到困难时才进行引导，这样才能真正体现学生在学习过程中的主体地位，提高学生分析问题、解决问题的能力。
例如在“单摆”的教学中，教师先用“引导、探索、总结”的方式引导学生对影响单摆物理过程的诸多因素进行分析，总结出单摆的结构特征、动力学特征、运动学特征和能量特征，建立起常用的基本模型，这个过程要把基本模型所涉及的物理量、物理过程、物理规律、物理方法讲透。既加深学生对牛顿第二定律、机械能守恒定律等知识及规律的认识，又再次应用了圆周运动的模型。在以后的教学中再通过“研究性学习”辨别单摆模型在各种情境中的具体表现，使学生对此模型建立起更丰富的感性认识，对头脑中的单摆模型不断进行修正和建构，使这一模型不断充实。
2.让学生灵活应用模型
在高中物理知识体系中，有许多物理模型。如力学部分就有质点、杠杆、匀速直线运动、匀速圆周运动、简谐振动、弹簧振子、单摆、光滑斜面等等。学生们常常感到困惑的是如何在复杂的实际问题中选择物理模型，因此在教学中要经常有意识地引导学生根据问题情境，经过受力分析、过程分析、状态分析等，对照已知条件去识别模型并顺利解决问题。
例如，在中学物理中常常碰到一些要使物体恰好做圆周运动的问题，这就要抓住“临界条件”建立模型。比如一个质量为m的小球，要使它恰好能沿光滑竖直圆环内轨道做圆周运动，小球的“最高点”是圆环的顶峰，这点的最小速度
。而如果小球是套在光滑的圆环轨道上，则到“最高点”的最小速度v=0。如在上面的两种装置中加上水平方向的匀强电场，同时让物体带上电，仍恰好做圆周运动，情况又是怎样的呢？根据竖直平面内圆周运动的模型物体要能做圆周运动，只要物体能通过竖直圆环的“最高点”即可。这里要特别注意“最高点”在不同情境下的含义，一般来说是当物体静止时，合力为零位置的“对称点”，只要找出该点，这点的最小速度是物体所受外力（这时轨道对物体的弹力为零或者刚好与重力相等）的合力作为向心力求出的速度。其他步骤与竖直平面圆周运动的模型完全相同。通过这样的变式练习，使学生能从各种不同的情境中灵活运用所掌握的模型。
3.让学生大胆创新模型
有一种看法认为“模型教学”会使学生思维僵化，其实不要怕模型教学会给学生加上条条框框，物理学本身就是由诸多模型构建而成。当该模型在实际运用中遇到困难，无法解决有关问题时，科学家们又会完善模型或构建另一新的模型。物理模型与真实事物或现象的关系如图1中的字母所示，空心字母“R”上的支柱是已观测到的现象，支柱之间未被观测的部分是我们用假设和理论填充的部分，也就是模型。由于观测永远是有限的，因此我们永远也不能把整个模型都用观测填满。在教学中也要让学生体验到这一点，鼓励学生大胆创新模型。
图1
例如，在原子结构的教学中我们可以介绍：从道尔顿原子不可再分的“实体模型”到汤姆逊的“枣糕模型”，再到卢瑟福的核式结构，而后玻尔创造性地将量子概念引入到原子系统中，建立“玻尔模型”，把原子理论向前推进了一大步。但建立在经典理论基础上的玻尔模型，只能成功解释氢原子，对于解释结构复杂一些的多电子原子时，跟实验又不一致。这表明玻尔理论也不是完善的。科学家们在分析了玻尔理论成功与失败的原因之后，又在量子理论的基础上建立了“电子云模型”。这种发现问题、解决问题、再发现问题、再解决问题的探索方法，同样也会激励学生不断地观察周围的事物，勇敢地探索未知世界。
二、物理模型教学为培养学生能力铺设了一条主线
高中物理教学的三个主要因素是教材、学生和教学方法。教材呈现的是知识体系，学生的认知能力影响了对知识的掌握，而教学方法是教师在教学过程中利用知识体系，通过有序的教学方式，提高学生的学习能力。因此我们认为有必要形成一个有序的、在教学维度横向和纵向保持高度一致的能力培养模式。而在高中物理中贯穿模型教学时，在模型的构建、应用和创新中有意识地培养学生物理思维的能力，使学生以已有的知识和能力为基础，形成更趋完善的思维能力、迁移能力、联想能力和推理能力等立体的能力结构，能有效地促进学生能力的发展。
1.运用实验、多媒体等方法建模型可提高形象思维和直觉思维能力
心理学研究表明，人们对事物的认识过程，总是从感性认识到理性认识。物理实验为物理概念和规律奠定表象基础，可以有效地引导学生由抽象思维形成具有思维特征的物理模型。例如，在讲电和磁的关系时，通过实验，学生能感知“电生磁”、“磁生电”、“磁场对电流有作用”等物理现象，形成清晰的物理模型。教师在教学中，还要尽量多地将实物、图片等展示给学生或辅以多媒体教学，以形成生动的表象基础，从中突出研究问题的主要矛盾，略去非本质因素，从纷繁复杂的事物中提取理想化的模型。
由于多媒体信息集声音、文字、图像、动画等为一体，利用它模拟物理情境，可将物理教学中许多“死”的、抽象的、微观的，再现为“活”的、形象的、宏观的物理情境，使学生一看就能知其然，知其所以然。如碰撞的过程中，物体间的相互作用进行得很快，很难看清作用的细节，即物理过程很难看清，通过多媒体课件演示，就能真切地观察并感受到物体相互碰撞作用的整个物理过程。
总之在教学过程中有目的地引入或创设生动的物理情境，启发学生思维，使学生建立有形的物理模型是有利于提高学生形象思维和直觉思维能力的。
2.通过模型的变通和迁移培养学生思维的准确性和深刻性
有些物理问题，往往以一种全新的甚至是陌生的形式出现在学生面前，从表面上看无从下手，无法构建新的模型。这时就应该指导学生积极构想物理图景，努力将原问题转换成我们比较熟悉又容易解决的另一个问题来考虑，用所熟悉的物理模型加以联想、迁移、等效及再现，达到活化模型、解决问题的目的。
例如单摆的教学中可以设置以下几个问题进行变通教学：
【问题1】试用秒表、小石块、细线估算电线杆的直径。
【问题2】如一倾角α很小（α＜2°）的斜劈固定在水平地面，高为h，一光滑小球从斜劈的顶点A由静止开始下滑，到达底端B所用时间为
，如果过， A、B两点将斜劈剜成一个光滑圆弧面，使圆弧面在B点恰与底面相切，该小球从A由静止开始下滑到B所用的时间为
。求
的比值。
【问题3】图2中两单摆摆长相同，平衡时两摆球刚好接触。现将摆球A在两摆线所在平面内向左拉开一小角度后释放，碰撞后，两摆球分开各自做简谐运动。以
分别表示摆球A、B的质量，则下一次碰撞将发生在何处。
3.物理模型教学为研究性学习搭建了一个简捷的平台
图2
新课程中的研究性学习是以学生从学校生活和社会生活中获得的各种课题或项目设计、作品的设计与制作等为基本的学习载体；以在提出问题和解决问题的全过程中学习到的科学研究方法、获得的丰富且多方面的体验和获得的科学文化知识为基本内容的学习方式。而丰富的物理模型的构建中有不少可以让学生亲身体验物理知识、定律、原理的形成和发展过程，甚至有些社会学现象也能通过物理建模的方式把握其规律（如下面的研究案例3），这就为我们实施研究性物理教学提供了丰富的课题。
【研究案例1】体育运动中的物理模型
学生们从伏明霞的跳水、占旭刚的举重、姚明的投篮、女排的发球到校运动会中选手们投掷铅球、百米赛跑等过程，通过建模的方式，提炼出物理模型，再运用所学过的物理知识来解释这些运动问题，把物理学中的理想化模型和生活实际有机地结合起来。让学生们体会到，物理来自于生活，而归纳总结出来的物理规律又能指导我们的生活实践，使学生真正体会到学习物理的乐趣，领悟物理的思想方法。
【研究案例2】刹车防抱死(ABS)系统研究
这项技术虽然很新，但是它的物理模型并不复杂，既可利用高中物理知识做些较为深入的研究，又可通过利与弊的调研，了解高新技术带来的巨大的社会效益和经济效益。学生们通过去图书馆或上网查找资料，还可走访了汽车修理厂，考察了解 ABS装置，实地观察配有ABS装置的小汽车的刹车过程与公路上轮胎磨损的黑色痕迹，有的同学还乘车亲身感受比较了一番。了解到它在汽车刹车时，能自动控制刹车片与轮毂（轮盘）的压力而不至于轮毂被抱死，使刹车不做机械“点刹”，车轮不与地面发生滑动摩擦（汽车的大部分机械能消耗在摩擦片与轮毂的摩擦上），与地面之间的附着程度得到增强，这样，司机既能快速刹车，又能控制汽车的运动方向，使得驾车的安全性大大提高。在这样的学习过程中培养的能力，对于生活在信息社会的学生而言，重要性是不言而喻的。
【研究案例3】道路交通与物理模型
按理说，生活中的交通现象似乎不属于物理学研究的范畴，但物理模型能简洁地描述复杂现象背后的简单规律性，用模型思维的方法可以解决其他科学和社会领域中的某些问题，这是物理模型思维的最大价值。
若问交通现象可比拟为自然界的那一现象？许多人的直觉反应都会想到河道中的水流现象，日常生活中也常用川流不息来形容道路上的车流。在将交通现象与流体现象做一对比后，学生们尝试用“流体模型”来解释交通现象。学生们发现有些流体力学的理论居然可以解释为什么有的地方容易堵车，如何让道路保持一定的车辆密度等。学生在轻松愉快的学习探究过程中体验到模型不仅能解决物理问题，还能借用模型的方法解决生活中的其他问题，这对学生终身发展的影响是巨大的。
实践表明，把物理模型放在问题中，放到现实中，放到一定的情境中，由学生亲历模型的建立过程，使物理模型在课堂教学中灵动起来，可以提高学生解决问题的能力。