高中物理教学中科学建模的路径思考

曹恺 张勇

摘要：科学思维是高中物理的核心素质之一，而模型构建是科学思维的重要构成环节。目前，部分高中物理教师缺乏对模型和建模本质的深刻认识，缺乏训练学生科学建模技能的方法。文章整合了高中物理课本中有关科学建模能力训练的内容，并将内容分为对象模型、条件模型、过程模型和理论模型，提出了提高学生科学建模能力的有效策略。

关键词：高中物理   模型建构    路径

物理的核心素质包含了物理概念、科学思维、科学研究、科学态度和责任。其中，科学思维是从物理学的角度理解客观事物的基本属性、内在规律和相互关系的一种方式，也是构建基于经验事实的理想模型的抽象概括过程。物理建模是科学思维能力的科学实践，它能够描绘出一种问题的性质，并利用现有经验材料的物理模型来解释和预测现象。

一、高中物理教学中模型建构的应用原则

（一）主体地位性原则

在传统高中物理课堂上，部分教师采用“填鸭式”教学，学生长期处于被动学习状态，且教师很少主动与学生深入交流和讨论物理知识。因此，教师应遵循主观性原则，明确学生的课堂主导地位，激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性，增强学生的学习效果。

（二）多元化原则

在组织构建高中物理模型时，教师可以结合学生日常的生活场景，为学生提供更多的资料，使学生通过物理模型的构建，充分理解物理知识。此外，教师可以结合生活中的实际案例，组织学生进行物理实验，或者通过运用现代教学技术，将抽象的物理知识具象化，帮助学生解决有难度的物理问题，使学生能够观察物理现象，理解物理概念，有效提高学生的物理学习效率。

二、高中物理教学中构建理想模型存在的问题

理想模型可以帮助学生深入地学习物理、研究物理，教师不但可以用理想模型描述物理的基本概念，而且可以通过理想模型来简化物理问题。

学生普遍认为，物理是高中最难学的科目之一。在学习过程中，对物理概念不明确，对理想模型不理解，直接影响到学生的学习效果。

（一）不同学生的思维方式不同

初中物理与直接的自然现象有关，学生在学习过程中的思维活动主要集中于具体的形象思维，理想模型等抽象物理模型的应用较少。高中物理研究的主要是复杂和抽象的现象，需要用定量方法分析，所以理想模型的构建必不可少。因为分析物理问题要以模型为基础，从多方面、多角度去分析问题。

（二）学生意志薄弱，不能独立思考

在解答高中物理练习题时，学生经常是有选择地处理练习题。如遇到高难度的练习题时，学生不会用理想模型的知识去思考。当教师解释练习题时，学生才会记录问题，但不会自主思考，单纯靠教师的解答，这不利于模型的构建。

（三）学生对学习不感兴趣

心理学指出，兴趣是注意力和寻求知识能力的基础。强烈的学习兴趣是学生勤奋学习、勇于解决问题的强大动力。由于高中物理比较难，有些学生对物理失去兴趣，难以理解理想模型。

三、高中物理科学建模的路径

（一）抽象方式

抽象是一种思维过程和思维方法，通过现象去了解现实物理现象最重要和最本质的特征，但容易忽略次要和非本质因素。在物理建模过程中，学生必须不断提取事物的运动过程或事物从现象到本质的相互作用，摒弃了在运动序列或事物相互作用中不起作用、微不足道的因素，从复杂多变的运动和相互作用过程中提取事物的相同点，然后建立物理模型。可见，抽象方式是物理建模中常用的基本思维方法。因此，在教学中，教师要引导学生从实际出发，注意抽象的物理模型创作方式。

（二）理想简化

理想简化包括通过捕捉影响问题的基本因素和忽略非基本因素来简化、理想化物理问题，前提是不改变规则，减少复杂物理问题的可探究性。理想简化构建的物理模型只存在于理想状态中，而不存在真正的物理问题。同时，理想简化构建的物理模型可以消除非基本属性和次要因素的干扰，使实际物理问题从复杂到简单，易于处理。

首先，分析特定条件的理想简化，并创建适当的模型，如粗糙度或平滑度。其次，简化了测试程序，包括对实验硬件和设施进行理想简化。以伽利略的“斜面实验”为例，伽利略曾设想，物体能否均匀移动而不产生摩擦力，牛顿后來解决了这个问题，并根据相关实践和经验总结出了牛顿第一定律，从根本上推翻了亚里士多德的“物体受力运动中若外力停止作用便归于静止”这一理念，也为后来的经典力学做了奠基。

（三）类比联想

类比联想是基于两个事物在某些属性中的相似性，通过比较和关联得出结论，它们也可以在思想形式的某些属性上相似。类比联想有两个含义：第一，联想，即通过新信息检索现有知识：第二，类比，即查找新旧信息的相似性和差异性。类比联想法在物理学术研究中具有重要的作用。许多物理模型是由模拟关联创建的，如开普勒曾经说过：“我珍视类比胜于任何别的东西，它是我最可信赖的教师，它能提示自然界的秘密。”弗朗西斯·培根有句名言：“类比联想支配发明。”可见，类比联想可以在两个不同的知识领域之间传递知识，也是产生和形成新的科学思想与发明的重要思维方法。

例如，从微小粒子是光等粒子这一事实中，德布罗意推断出微小粒子也有像光一样的波。因此，他提出了相对主义的概念，可以展示真实物体的波动理论，这是通过使用适当的类比和类似的属性集成实现的建模效果。

类比联想在物理模型结构中的应用并非万能的，有时也会导致错误的结论。因此，通过类比联想建立的物理模型的正确性和科学性必须在实践中加以检验。

（四）等效替代

等效替代是指一种建模方法，如果一个研究对象在一个方面的效果与另一个研究对象的效果相同，或者某一个方面两个研究对象的物理过程有共同的结果，则可以相互替换。等效替代将更复杂的物理现象和物理过程转化为等效、简单的物理现象与过程，以便更好地优化这个问题。4A02A196-6C83-430C-8B2B-6CDFDD91B1EA

变速运动对应匀速度运动，引入了“平均速度”的概念;交流电对应直流电，引入“电流的有效值”“电压的有效值”的观念;电容、电感对交流电的作用对应电阻，引入“容抗”“感抗”的理念等。

例如，在一组电路中，有两个电阻器是串联的，原来的阻值之和就是总电阻，如果两个电阻器是并聯连接的，那么总电阻是原来阻值倒数之和的倒数，这里所谓的总电阻就是等效的原值，是独立于等效方法的类型。这种思维方法的规则只有一种，即为了保持效果不变，不同属性的力可以组合起来获得等效的力量，工作和传热在改变物体的内部能量方面是等价的，但它们本质上是不一样的。

有了等效的概念，泄漏电流的电容器可以对应与电阻器平行的理想电容器，有电阻的线圈与电阻器串联的理想线圈相对应。实际电源对应于连接到内部电阻器的理想电源，即使在处理不同的物理问题时，也可能存在某些方法的等价性，如力学和几何光学的等价性、电磁和机械数量等。物体运动之间的相互作用往往比较复杂，因为一个物理物体和另一个（或几个）物理物体在同一场景中同时作用，人们往往把物理事物复杂化为等效简单、易于研究的物理事物，这种方法被称为“等效替换”，是解决物理问题的重要思想，相同或不同的问题可以通过等效等同于典型模型。

有些物理过程是隐藏的、复杂的，很难直接研究，而等效替代可以用来创建适当的等效物理模型，更加直观、简单，更容易学生直接学习。例如，在LC振荡电路的研究中，钟摆振动模型用于模拟电磁振荡过程。在LC振荡电路的充电和放电过程中，电流、电容器板之间的电压、场强度、电场能量、线圈中的磁场能量等物理量的变化，可以在一周内通过简单钟摆运动序列中的相应物理数量进行比较和分析。笔者发现，虽然简单的钟摆和LC振荡电路的结构不同，但它们的动态特性会随着时间而改变，所以可以创建相应的替代模型。

再例如，笔者在物理课上遇到这样一个例子：长度L的光滑钢丝缠绕成H高度的弹簧，弹簧垂直连接到地面。现在，一个小环被放在钢丝上，从最高点释放到其余点，小环沿着弹簧滑向最低点的时长。显然，这个问题的物理过程更加微妙和复杂。此时，我们需要将隐藏改为直观，将复杂化为简单，并使用等效替代创建物理模型。螺旋运动相当于倾斜平面上的线性运动，球体可以认为是物体在长度L和高度H的光滑倾斜平面上静止滑出的过程，采用牛顿第二定律能很容易解决。可见，等效替代可以作为解决难题和简化难题的重要思维方式来发挥作用。

（五）假设验证

物理建模中，假说是重要方法。恩格斯说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”假说建模是指在现有理论事实的基础上，在物理现象的真相不明的情况下，创造新的物理模型，从根本上揭示物理现象的本质的方法。该模型可以解释现有的实验事实并预测可能的结果。假说是对物质本质的不完全概括。因此，假说方法创造的模型必须根据条件的变化进行实验验证、补充和完善。例如，为了创建原子核模型，每个重大发展都基于相应原子核模型（假设结构）的变化，然后使用新的实验或事实验证其正确性。

四、结语

构建物理模型对提升课程教学质量有着重要作用和影响，能够简化问题，发展学生的想象力，提升学生的思维能力，推进学生综合素质的发展。而高中物理教材中含有丰富的建模内容，教师应充分利用课堂建模的相关材料，培养学生科学建模的技能，提高学生的思维素质和专业表现能力。

参考文献：

[1]俞国富.高中物理教学中科学建模的策略[J].物理教学探讨，2021（9）.

[2]杨正祥.高中物理教学中的物理模型化方法[J].家长，2019（6）.

[3]张彬.建构物理模型在高中物理教学中的实践研究[J].教海探航，2019（8）.

※本文系吉林省高等教育教学改革立项课题“面向新工科的示范性工程创新训练中心建设与管理研究”。

（作者单位：吉林师范大学物理学院）4A02A196-6C83-430C-8B2B-6CDFDD91B1EA