试论物理模型的思维方法 |
| 2012-09-09 11:30 作者：韩福强 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网9月9日消息 《硅谷》杂志2012年第14期刊文称，物理学是一门研究自然现象探索事物本质的学科，物理规律是对物质世界的真实反映。学生在学习物理的过程中，不能单一地对这些前人的发现进行简单的继承，更重要的是要学习物理学的学科思想以及研究问题的思维方法。而在众多的物理思维方法中，模型方法则在解释物理现象、形成物理概念以及建立物理规律中发挥了更为重大的作用。在许多物理问题中都隐藏着某种物理模型，这些隐藏在原始情境中的物理模型是否被正确还原出来，将直接影响解决问题的难度。所以，建模思维的培养与养成应受到教师与学生的共同关注，建模思维同样是学生必须具备的一种素质。
学习的真正目的不在于学，而在于用。在物理教学过程中，教师不仅要传授学生理论知识，还要注重培养学生的思维能力，尤其后者更为重要。正确解析物理试题不仅要求学生具有足够的知识储备，而且还要求学生具有语言理解、情形想象、图像分析、逻辑推理、发散思维、数学运算、实际验证等综合能力，从而才可以达到学以致用的目的。在当今教育大力提倡素质教育，倡导培养学生创新能力和实践能力的背景下，物理教学中更要重视方法教育和能力培养。物理学中的每一个知识点都是通过适当的物理模型而获得，物理建模过程实际上就是科学探究能力和创新能力提高的过程，因而在物理教学过程中应加强对学生建立物理模型思维能力的培养。
1物理模型的特点
物理模型是一种处理问题思维方式的的外在表现，是物理学中一种对研究对象进行理想化提纯的结果。其突出特点就是“有取有舍”，“就重避轻”，取主因，舍次因，重本质，轻表象，从而把扑朔迷离的原型转化成清晰可见的模型。通过科学思维对物质世界中的原物、原过程进行抽象的描述，运用物质形式或思维形式对原型客体的本质特征进行再现，物理模型的建立对物理学家分析、处理、解决问题起到了不可替代的作用，在很大程度上促进了物理概念的形成与物理规律得出，模型思维是人类智慧的又一个闪光点。如质点模型是万有引力定律、牛顿运动定律及力学理论建立的基础；点电荷模型是库仑定律以及电磁理论建立的基础；薄透镜、点光源、面光源等模型是几何光学的基础等等。
2物理模型的意义
物理学的发展离不开模型的建立，纵观物理学的发展过程，各种类型的物理模型应需而建，各自在某一范畴内发挥着重要作用，为问题的处理、规律的建立打下基础。研究问题的方法有很多种，而建立物理模型的方法更具有科学性。几乎物理学中所有的概念、规律和公式等都是通过物理模型的抽象概括才得以建立。从这一意义上讲，要想学好物理就不能缺少物理模型的思维方法，正是由于物理模型的建立才使许多抽象、复杂的物理问题变得直观、具体、形象、简单。通过模型法的归纳和应用，可以达到化繁为简，触类旁通的效果。所以应充分重视物理学科中的物理模型。
2.1物理模型是建立物理规律和形成物理理论的前提
在物理学中蕴藏着大量的哲学思想以及科学方法，物理学的学科思想及方法论已经渗透到了现代科学的各个领域。问题理想化是物理学研究问题的主要方法之一，理想化模型是为了研究问题的方便而建立的一种高度纯化的物理客体，在其建立过程中，极大的摒弃了羁绊问题解决的次要因素，充分考虑了关键因素与问题本质之间的关联。作为科学的思维方法，理想化模型也是一种物理概念，正确理解物理学中理想化模型这一概念，把握好这一概念的特点以及近似处理和应用的条件，既能使问题得到简化，又不会改变研究对象的本质，于是问题就会迎刃而解。
2.2物理模型是解释物理现象和实验定律的基础
物理规律的得出离不开实验研究与验证，根据实验结果建立一些与事实相符合物理模型及相关理论，从而可以帮助我们分析物理现象产生的原因和理解实验定律的内涵。比如，
我们可以从特鲁德的自由电子气模型出发，从微观上对欧姆定律和电阻定律进行解释。再有，运用理想气体模型就可以从微观上对气体三个实验定律做出合理的解释。
2.3物理模型帮助物理学家做出科学的预言
物理模型的抽象过程中排除了大量的次要因素的干扰，突出了研究对象或物理过程（原型）的主要特征，充分发挥了逻辑思维的力量，可以使理想模型的研究结果超越现有的条件，并由此指出进一步研究的方向或做出科学的预见。比如，海王星的发现就是物理模型的科学预见的一个精彩实例。18世纪，人们已经知道了太阳系有7大行星，当时，法国学者布瓦尔发现据不同时间的资料计算出的天王星运动轨道互不相同，德国数学家贝塞尔为解释这一实验事实，利用开普勒行星轨道模型和牛顿引力理论大胆预言存在一颗新的行星。1846年9月23日晚，德国天文学家加勒在预言的位置附近观测到这颗新行星（海王星）的存在，从而证实了贝塞尔预言的正确性。
2.4物理模型帮助学生正确解题
物理学科学生在做题时，经常出现没有思路或错解的情况，究其根源很重要的一个原因就是学生对问题中的物理过程不理解，对物理情形缺乏空间想象力，不能把问题中包括物理过程在内的研究对象简化成物理模型。物理中有许多的理想化模型，有实物模型，如质点、轻质弹簧、点电荷、理想气体，单摆；也有过程模型，如匀速直线运动、匀变速直线运动、
简谐运动、质点运动的自由落体运动、各种抛体运动、弹性碰撞等，这些物理模型在学生解题过程中可以起到至关重要的作用。各种类型的物理试题实质上都是通过一定的物理模型才把条件与所求联系起来，这样，解题时就需要学生运用类比的方法把问题中的研究对象还原成某一理想化模型，从而使解题的思路明朗起来。例如，一装有柴油的船静止与水面上，船前舱进水，堵住漏洞后用一台抽水机把前舱的油抽到后舱，在不考虑水的阻力的情况下，判断船的运动情况。在这一问题中，油往后抽相当于人从船头走向船尾，故可以将此题中的情境视为“人船模型”。
3物理模型建立的思维流程
物理本身就是一个模型化的世界，将实际问题加以提炼，本身就是一个建模过程。根据问题中的信息，展开丰富的想象，分析出问题中条件的主次，采用抽象、概括、简化、提纯的方法对事物或过程进行处理，最终使物理规律得以“浮出水面”。物理模型的构建是建立在建构主义的基石上的，其一般思维流程可以概括为对象确定、模型准备、结构认知、模型建立、问题解决、实验论证等几个阶段。
物理学研究问题首先要确定研究对象，物理学中的研究对象即包括客观事物也包括物理过程，确定研究对象之后，再找出基于所要研究对象的决定性因素，从而为物理模型的建立作好前期的准备。物理模型在建立的过程中必须要从实际出发，紧密围绕研究的目标，充分分析各种因素与研究目标之间的关系，这样才能进行合理的取舍，从而才会建立起具有物理意义的模型。另外，物理模型并不是人们凭空想象主观臆造的产物，而是为了研究问题的需要并且在一定的条件下才建立起来的。比如，在研究物体运动规律时，为了确定物体的位置人们建立了质点模型，但是质点模型并非普遍存在，只有在物体本身的线度远小于物体间距离的情况下，才可以忽略物体的形状与大小而把物体当做质点来看待。
4物理模型与物理问题的整合
在许多物理问题中都隐藏着一个或几个物理模型，如果将这些物理模型还原出来，问题的解决就会相对容易。对于同一个物理问题而言，由于人们分析问题的角度或选取的研究对象不同，可以类比成不同的物理模型。在具体的问题中，把原型转化成哪一种类型的模型并没有固定的模式，而是要取决于条件与所求之间的联系。正所谓具体问题具体分析，而不能死板硬套。当然，解题的最终目的是为了弄清问题的实质，还原物理模型也不能偏离这一主题。所以，教师在教学过程中，要注重对学生进行建立物理模型思维能力的培养。而学生在做题过程中则要积累根据问题的具体情况及解题的需要还原出恰当的物理模型的经验，这些做法都会有助于学生解题能力的提高。
5结束语
建立物理模型既是一种思维过程，也是一种思维方法，其实质就是将隐藏在复杂物理情景中的研究对象或物理过程进行抽象化处理，建模的目的就是把根植于具体物理情景中研究对象的真实面目呈现出来，从而简化问题分析、处理与解决的过程。
作者简介：
韩福强（1971-），男，辽宁营口市人，高级讲师，主要从事物理教育研究。（原文载于《硅谷》杂志2012年第14期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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