一、物理模型的概念界定

模型的英文为“model”，也可翻译为模式。“模型”一词已经由原来的狭义上的实物模型发展成现在的非实物形式的模型。模型是现实生活中实物、现象、过程或系统等的一种缩影，模型是用符号、公式或具体模具等多种形式来体现客观事物的。最早在数学上使用模型思想，用数学符号表示数学问题，从而解决问题。

物理学的研究目的是让人们认识社会生活中的现象和规律，然而，自然界问题是纷繁复杂的。科学家在研究自然界的复杂问题时，总是遵循从简单到复杂、由浅入深、逐渐深入的研究思路，如此就出现了一个个物理模型。在物理学中，为了方便研究，常常忽略次要因素，对研究的问题进行科学的抽象，将原来的物质或过程换用一种能够反映其本质的理想事物或理想过程去描述。这种理想化的事物或过程就是所谓的“物理模型”。

二、物理模型解决问题的理论基础

（一）实用主义教育理论

19世纪末20世纪初，美国出现了实用主义教育的思潮，以杜威等人为代表。其观点大致有以下三点：第一，教育离不开生活，它们是相互统一的，教育不单单是为将来生活做准备的。第二，教育来自学生个体生活经验的累积，教师在组织课堂教学时应结合学生的生活体验，而不是以学科知识为中心。教学过程要考虑每个学生在学习过程中的各方面差别，给学生独立表现和发挥的空间。第三，教育是不断积累经验并完善经验的过程。此外，实用主义教育理论认为课堂教学可以分为五个基本阶段：第一，要给学习者创造一种真实的、可以感受的学习情境；第二，在这个生活化的情境基础上，给出所研究的问题情境；第三，要求学习者必须有一定量的知识储备，通过自己的观察、发现、思考，去应对问题；第四，学习者要针对现有的问题，通过思考，结合自己的想象，给出合理的假设；第五，学习者通过理论论证和实验验证，证实该做法的科学性。中学物理教学同样解决源于生活的问题，需要学生进行大胆的假设和猜想，通过建立理想模型，运用已经掌握的知识解决现有问题，不断加大、完善自己的知识量。

（二）教育生态学理论

早在1976年，劳伦斯·克雷明就提出了教育生态学（Educational Ecology）。他认为教育活动要在生活情境中发现学生自身的规律以及教学方面的规律，在科学教育中强调生态性。然而，很多中学教师认为习题教学有许多优点，可以强化学生对知识的掌握，所以喜欢用习题讲解物理。但由于习题中出现的情境一般是人为设计的，不是原汁原味的，所以在一定程度上会破坏问题的真实性，使学生缺乏解决问题的兴趣，缺乏创新精神。这与新课程标准的精神是相背离的。科学教育活动源于现实生活，它是生活中各因素共同存在并相互作用的结果，而习题教学却人为地将这些存在相互作用的因素独立出来。科学知识不能脱离教育活动而存在，它们两者是紧密联系在一起的，关系复杂。只有在科学生态环境和社会生态环境中，才能揭示科学教育规律以及学生的心理活动规律。

（三）情境认知论

情境认知理论（Situated Cognition）是一种专门研究怎样在人类活动过程中形成和发展人类知识的理论。这种理论认为一切认知活动都离不开情境，任何认知过程都是形成于特定情境下的。情境认知理论认为人类知识的形成有以下四个特点：第一，情境是获取知识活动的基础。第二，知识是个体在与外部世界相互接触的过程中主动形成的。第三，如何去学知识，取决于这些知识怎么去用到生活中，即知识和技能的学习过程，折射了这些知识和技能在现实生活中是如何使用的。第四，要想获得具有生存力和迁移性的知识，就只能在真实的生活环境中学习，离开了生活情境的存在，学到的知识就是死的，缺乏迁移性。这与通过建模思想解决物理问题的想法相符。

（四）建构主义理论

建构主义理论是行为主义向认知理论逐渐发展后产生的事物。与行为主义不同，它强调源于学习者主观方面的认知过程。它指出教育的意义是帮学生认识客观事物，使学生将自然生活中的事物及其规律内化成自身认知结构。而建构主义学习理论认为，现有知识并不一定是对现实事物的最准确、最简洁的表征，更不一定是对所研究事物的最终解释，它只是人们在当前认知水平下对一种客观事物的解说或假说；而且人类认知水平的提高会使现有知识不断地被革新，并随之产生新的理论解释和假说。建构主义认为，科学知识应该是学生主动参与教育活动、自发学习的结果，学生应该是知识的主动建构者。建构主义还指出，学习是一种群体交流的社会活动，必须以丰富的生活问题情境为依托。

三、物理模型的形成过程

物理模型具有可迁移、可修改、可重复使用的特点。物理模型的构建是一个复杂的过程，不仅仅要以一定的物理知识做基础，生活经验、想象力、观察判断能力和直觉也可能起到更大的作用。从学生学的角度讲，笔者认为在学生头脑中模型的构建应该包含以下三个过程。

（一）对物理问题的感知阶段

物理模型的构建首先从对问题的感知开始，这个阶段可以被称为问题的理解阶段或是我们经常提到的审题过程。在这一阶段，学生会仔细审视问题中的细节，形成问题表象，这是从问题感知发展到理性思维的重要阶段。这个阶段是对所研究问题获得清晰了解的重要环节，要求学生抓住问题的主要因素，根据已知的物理条件做出对应的物理图像，或是对应物理条件、状态和过程的函数图像，进而将所研究的物理问题简化。教师要适当提一些典型性问题，体现一般的物理思想和方法，引发学生思考，引导学生寻找学过的对应物理模型。

（二）对物理模型的酝酿阶段

有了对问题的感知之后，学生建立模型大概经历这样几个步骤：首先，确定研究对象，分析研究对象所具有的特征；其次，找出能够反映研究对象特征、状态和变化规律的物理量；最后，分析想要解决的问题，寻找问题中的主要因素，抽象出所需的模型。在教学中，学生的知识水平和能力一般各不相同，教师在课堂上多提出一些发散性问题，这样所有的学生都可以主动参与到课堂教学中，通过一番动脑，获得不同程度的提高。

（三）对物理模型的修正阶段(www.daowen.com)

经过上一阶段，物理模型已经初步建立，但是还需要把模型转换成数学语言，然后通过分析数学关系得到问题的答案。如果这个答案能完美解决相应的问题，那么这个模型就是一个成功的模型，否则就需要再次审视这个问题，对之前的模型进行改良，建立新的模型，再次对物理模型数学化，进行模型验证，直到找出合理解决问题的模型。在这一阶段，教师要设计具有“陷阱”的问题，帮助学生找出自己知识上的漏洞，加深学生对所学模型的理解和掌握，让学生先“中圈套”、犯错误，然后再予以纠正，从错误中总结经验，加深对模型的理解。

四、构建物理模型的教学原则

（一）学生主动参与和教师引导相结合

学习是学生对知识主动探究、总结、消化的过程，教师不能强行要求、强迫学生学习，而要让学生主动参与课堂，学生参与得越多，教学效果就会越好。因此，在教学过程中，教师应该优先考虑学生的主观能动性，让学生主动地去问问题、去探究、去解决，从而把知识内化成自己的东西。另外，在学习过程中，由于教材中的某些章节知识较为枯燥，过于理论化或是难度稍高，学生的学习积极性不能持久保持高涨，这时教师就要有意识地精心组织物理课堂教学过程，让学生多参与，让课堂充满乐趣，活跃起来，并引导学生主动构建。所以，在教学中，学生的参与很关键，教师的引导也是必不可少的。

（二）科学性与艺术性相结合的原则

教师在进行中学物理教学时，一定要开展科学的教学活动，包括教学方法要科学，另外知识也要科学、准确无误。成功的物理教学，不仅是传授知识的过程，更是一门艺术。一堂好的物理课，可以调动学生的学习兴趣，并能让学生把学习物理当作一种享受。教师在追求教学素材新颖奇特的同时，一定要注意科学性，不能违背物理学原理和规律。

（三）开展实验与多媒体辅助教学相结合的原则

物理教学离不开实验，在开展模型教学时，实验探究和演示也能够帮助学生感知物理现象，理解模型，构建模型。然而，在中学教学中，学生难免会遇到非常抽象的物理问题，而这种物理问题还无法用现实生活中的实物去演示。这时，教师要应用多媒体教学技术，通过图片展示、Flash动画和幻灯片放映，将物理问题形象生动地展示给学生，这能加深学生对模型的理解和应用。在物理教学中，既要用好实验教学，又不能忽视多媒体教学辅助，二者缺一不可。

五、构建物理模型常用方法

在模型教学中，教师首先要让学生明确一点，即建立模型是研究生活化问题的一种行之有效的方法；其次要讲清楚每个模型是通过怎样的抽象建立起来的以及模型建立的条件，每一个生活化的问题又是经过怎样的抽象被归纳到对应模型中的。至于采用什么样的建模方法，应由问题本身的性质和研究的需要来决定。常用的方法有如下四种。

（一）科学抽象法

科学抽象法就是在不影响事物本质的前提下，提炼出事物的某些方面或某些属性。比如：在研究某些特殊情况时，为了方便研究，我们可以将物体抽象成质点模型；在高中阶段研究弹簧问题时，为了简化问题的解决，考虑到弹簧本身质量很小，我们可以抽象出理想弹簧；在研究相互接触的物体的运动时，我们可以抽象出光滑的接触面和光滑的问题；在研究生活中常见的落体运动规律时，我们注意到很多时候物体所受的空气阻力非常小，可以被忽略，这样才抽象出了自由落体运动模型，分析得出了简洁的物理规律，同时完美地解释了生活中为什么从同一高度下落的羽毛和石子下落的速度有快有慢，什么原因决定着现实生活中物体下落的快慢。

（二）等效法

在物理教学中，很多教师发现了这样的现象：学生在学习一些物理概念、现象、规律的时候，总是不到位，挺简单的物理知识一经学生表述就显得云里雾里，让人听着糊涂。很多物理问题涉及的物理模型可能与我们之前所熟知的某个模型比较相似，如果它们本质上是相同的，那么我们就可以认真分析其中的异同，找出它们的共性，用熟知的简单模型去替代，从而简化问题的解决，这就是我们所熟知的等效法。等效法可以让我们研究的复杂物理问题变得简单，给我们研究问题带来了很大的方便。在高中物理教学中，平均速度、重心、合力等问题，都涉及等效法。例如：一质量为3kg的物体，在多个恒力的作用下在水平面上做匀速直线运动，某时刻突然撤掉一个6N的力，问物体将获得多大的加速度？分析一下这个问题：多个恒力作用下物体做匀速直线运动，说明物体初始状态受力平衡，若撤去一个6N的力，其余几个力的大小方向很难确定，但是可以将剩余的力等效成一个力F1，那么这个力F1一定和撤去的那个力等大、反向，即F1=6N，那么由牛顿第二定律F=ma可知，加速度应该是2m/s2。

（三）类比法

类比法就是把同类或相似事物加以对比，根据这两个事物在某些属性上的相似性，推断出这两者其他方面的属性也可能相似的结论。如果两个事物在本质上是相异的，则可以通过辩证、想象、数学、假说等途径，使这两个事物在某些属性上相似，从而得出在某方面也相似的结果。例如：一个光滑斜面体，斜面的两条边长分别为a和b，一个光滑的小球从斜面顶角的位置以某一初速度沿平行于a边的方向开始运动，经曲线轨迹后恰好到达斜面底端夹角的位置，问小球开始运动时的初速度是多大？要解决这个问题，首先要分析小球这个研究对象所做的运动是什么性质的运动。对于曲线运动，我们的办法是运动分解，分析受力可知小球所受的合力方向沿斜面向下，所以我们将运动分解成水平方向和沿斜面向下的方向，这样我们就得到了两个分运动的运动性质，即一个分运动是匀速直线运动（水平方向），另一个分运动为初速度为零的匀加速直线运动（沿斜面向下的方向）。联系我们之前学过的物理模型，平抛运动模型的特点恰好跟这个运动特点类似，它们两个的区别就在于垂直于速度方向的分运动的加速度大小不一样，那我们就可以仿照平抛模型去解决，我们可以建立一种新的物理模型——类平抛运动。

（四）微元法

在研究一些复杂的物理问题时，有时需要将研究对象视为由很多微小单元组成，或是将事物发展变化的过程划分成无限多个微小的过程，由于我们事先已经知道微小单元或是微小变化过程所遵循的物理规律，那么通过积分的累加思想，就可以得出整个研究对象或是整个变化过程所遵循的物理规律。比如：学完匀速直线运动的位移公式x=vt后，当解决如何计算匀变速直线运动的位移与时间的关系问题时，教师就可以先让学生画出匀变速直线运动的v-t图像，然后再将匀变速直线运动无限分割成很多小的段，每个段的运动时间极短，那么就可以把每个段的运动近似成匀速直线运动，反映到v-t图像上就是v-t图像和时间轴所包围的面积，然后结合梯形的面积公式，就可以建立匀变速直线运动的位移—时间公式模型。