中学物理模型构建与转换能力的培养

一、物理模型的类型

（一）按模型的设计思想分类

1.理想化物理模型

特点是突出研究客体的主要矛盾，忽略其次要因素，将物体抽象成只具有物体主要因素但并不客观存在的物质（过程），从而使研究问题简化。如中学物理教材中的质点、刚体、谐振子、单摆、理想流体、气体分子结构、点电荷、匀速直线运动、完全弹性碰撞等模型。

2.探索性物理模型

特点是依据观察或实验的结果，假想出物质的存在形式，但其本质属性还在进一步探索之中，如原子结构模型、光的波粒二象性模型、宇宙大爆炸模型、黑洞模型等等。是以间接的实验和理论，将某种尚不清楚的实际物体形态假想为另一种通过理论构思的形态，再通过一步一步的探讨深入实际。这种模型可能离现实很远，但它是逐步接近现实的必经之路。

（二）按模型研究的对象分类

1.实物模型；2.物质模型；3.系统模型；4.结构模型；5.状态模型；6.过程模型。

（三）按照物理模型的数学处理方法分类可将物理模型分为公式模型、图表模型、结构模型

当今数学教育中提倡“问题解决”“建模”与“应用”，是站在数学的角度研究实际问题，当然也包括物理问题。数学是一门工具学科，在物理研究中要大量地用到数学方法，客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到它们的表现形式。前述物理状态模型实质就是将数学量与物理量相对应，物理量之间的关系即反映了物理规律，对应地可以利用数学公式、图表或结构图等数学语言进行描述。由此建立数学公式模型、图表模型和结构模型。

二、培养模型转换能力

（一）加强有关物理模型特点及作用的认识和理解，掌握模型的适用范围

理想模型最明显的特点就是忽略原型中影响问题的各种次要因素，对研究问题作了极度的简化和理想化的处理，从而使我们可以通过模型去认识原型的各种主要特征和必然联系。就如质点模型是动力学运动定律的基础；点电荷模型是库仑定律、电磁理论等建立的基础；理想气体是分子动理论赖以建立的基础；薄透镜、电光源等式几何光学理论建立的基础。

对于一个实际研究对象要抽象成什么样的物理模型，并不是以其外貌的相似为依据，而是要视其具体情况具体分析。即使同一个物体，在不同的物理问题情境中也可能抽象成不同的模型。以质点模型为例：一般在以下这两种情况下可把物体视为质点：（1）当物体本身的几何线度比所研究的空间范围小得多时可当成质点；（2）当物体平动时，由于物体各部分运动情况完全相同可看作质点。再如理想气体是实际气体在一定程度上的理想化模型，只能在壓强不太大、温度不太低的条件下才可把实际气体看作理想气体来考虑。物理模型都有适用的条件，因此，只有真正的掌握物理模型的适用范围才有助于正确的进行模型转换。

（二）提高学生抓住事物的主要因素去研究、学会问题的简化方法

看上去让学生困惑头疼的物理题，学生要是能懂得将抽象、复杂的模型转换成原有的物理模型，将会很轻松的解完此题。由此看来提高学生科学分析事物的方法不仅可以提高学生模型转换的能力，还可以增强学生学习物理的信心了。

（三）对物理模型进行变式[21]训练，更有利于学生对各类物理模型的组织构建

对物理模型的理解不可以太机械化，如杠杆是一个简单机械模型，一根硬棒在力的作用下可绕固定点转动，那么它就是杠杆。这个模型是较抽象的，实际原型是非常具体的，有各式各样的结构特征。可采取的做法是杠杆教学中经常进行直与曲的变换、固定点变换等等。对学生进行较多地这种具体模型的变式训练，有利于学生对物理模型的深层理解。

物理模型看上去也许是独立的，但设计模型的思想基本是相通的。物理模型体系也应当是前后呼应，触类旁通的。个体通过对物理模型的组织构建，会更利于对模型材料的保持与提取。构建物理模型体系，有利于人们解新的物理模型并将其归入自己已有的认知结构的适当位置中，还有利于有序提取相应模型知识以解决问题。

（四）让学生掌握常用的“模型转换”方法

1.创设物理情景进行模型转换

在解题训练中通过创设物理情景进行物理模型转换，多角度、多方位，全面地看问题可以更加科学的解题。

2.等效条件进行模型转换

等效思想是在相同结果的情况下采用的转换代替思想方法。在应用等效思想方法的同时再引入物理模型，可在抓住主要的物理条件、过程和方法的基础上，找出解决物理问题的切入点，把实际问题加以简化。因此，在解题中利用等效物理模型不仅能起到事半功倍的效果，还能培养学生分析、概括问题和推理的能力。

3.改变思维视角进行模型转换

真实世界只是量的特征世界，它的差异只是数的差异。客观世界的各种事物都不是孤立存在的，他们之间存在着相互联系、相互制约的关系。一个或一些现象的产生会影响到另一些现象的产生。前者是后者的原因，后者就是前者的结果。物理学中的研究对象同样也是符合客观事物的因果联系。在解决物理问题倘若可以抓好各个对象间的联系，灵活的改变你的思维，往往会有更加巧妙的解法。

总之“模型转换”为我们提供了一种解题的方法和思路，但是物理模型是有限的，而客观事物是无限的，尤其对于中学学生而言，由于他们所学物理知识的局限和数学能力的制约，许多物理情景并不能直接抽象成学生熟悉的模型。这就需要通过一定的方法培养和提高学生模型转换能力，让他们会用一种他们熟悉的模型去代换另一陌生的模型——只要在保证效果相同的前提下。经过这种模型的转换，往往使问题变得更简单、更具体、更生动，也更容易把握。这样即使物理学枯燥难学，但物理学丰富的内涵和独特的思维方法在物理模型的建立与应用的过程中必将被学生所理解与应用、信服与欣赏。要充分科学地用足用活物理模型，就需要一定的模型转换能力，更需要久而久之的培养训练。

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