高中物理模型教学的研究与实践

高中物理模型教学的研究与实践前 言0.1 问题的提出近几年高考改革总趋势是由知识立意转向能力立意，试题内容大多源于生产生活实际，许多试题的主干知识，就是我们身边的物理现象或生活情景，有的却是最新的前沿科技成果或热点问题。如体育运动、电子电器、医疗卫生、宇宙演化和神舟飞船，等等，面对这一类试题，学生最头痛的就是不知道如何建立合理的物理模型，于是就只能是乱套公式，其实对于这一类试题，本着高起点低落点，重能力淡知识，要求学生能从题目给出的文字中，摄取有效信息，展现出清晰的物理情景，排除次要因素抽象出合适的物理模型，再根据物理模型遵循的规律，进行判断、推理和计算，使问题得以解决。北大教授赵凯华先生在我国赴美物理研究生考试历届试题集解的序言中指出：“在我们的教学中，同一物理问题，既可以把原始的物理问题提交给学生，也可以由教师把物理问题分解或抽象成一定的数学模型后提交给学生。习惯于后一类问题的学生，在遇到前一类问题时，往往会不知所措”。对于这一现象，传统的物理教学，在原始问题到抽象问题之间，从原型到模型产生了一个断带、一个鸿沟，成为解决实际问题的一大障碍，这一断带、鸿沟的形成与教师缺乏对物理模型的教学研究与实践有关，于是便产生了这个课题。0.2 物理模型教学的含义及本课题研究的意义 物理模型教学是指对物理模型的内容、建立方法及应用的教学李新.中学物理模型教学的理论与实践研究.华中师范大学硕士论文.2003.9。物理模型是物理学中重要的组成部分之一。纵观物理学史，物理学的发展就是一个建立模型和新模型代替旧模型的过程。物理模型在物理学的产生和发展过程中发挥了重大作用。而物理学中一个重要研究方法就是建立物理模型。物理模型的建立，既符合科学的研究方法，也是客观现实的一种反映。在物理模型教学中，不仅要阐明正确模型的定义，还要阐明建立模型的方法、模型的应用，这是教师课堂活动中的一项重要内容。物理学是一门自然科学，它所研究的是物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法。高中物理课程体现物理学自身及其与文化、经济和社会互动发展的时代性要求，肩负起提高学生科学素养、促进学生全面发展的重任。而我国传统的物理教育中比较注重知识的传授，因而教学的一切过程都是围绕如何更有效地传授知识做文章。在这种教学模式下培养出的学生知识掌握比较牢固，但是当遇到解决实际问题、进行探索性的工作时，就显得力不从心，不知如何下手。不会解决实际问题，说明学生缺乏建立物理模型的能力，不能从生活场景中抽象出物理模型。为了有效改变这种状况，我们提倡开展物理模型教学，通过对基本物理模型的学习帮助学生建立良好的知识结构体系；再通过分析典型物理模型的建立过程和多媒体辅助教学帮助学生掌握物理模型准确科学的定义和特征；最后通过应用物理模型的实例教给学生建立物理模型来解决实际问题的方法，并从中体会到科学的物理思维方法。可见在中学物理教学中开展物理模型教学十分必要。0.3 本课题研究的现状物理模型是物理思维的产物，建立物理模型是一种创造性的脑力劳动，是在观察，实验的基础上，经过一系列的分析、综合、比较、抽象、概括、推理等，从而对研究对象作出的一种简化描述的过程。我们知道，几乎所有人在应用物理概念、物理规律解答物理问题时，都会自觉和不自觉的撇开问题中个别的、非本质的因素，抽出主要的、本质的因素加以研究，并把一类事物的共同的、本质的属性概括起来，从而抽象出切合实际的有助于物理问题解决的理想化的物理模型。应用物理模型解决实际问题，既符合科学的研究方法，也是客观现实的一种反映。许多科学家、教育专家以及广大的物理教师在物理模型教学方面都提出了各自独到的见解和方法。从目前的高中物理教学研究来看，物理模型教学着重点似乎都放在概念的形成、规律的掌握、问题的解决等方面，对于如何建立物理模型方面研究还较少，有的也只局限在经验交流方面；物理模型的应用多数只是运用物理模型去求解习题，教师企图让学生漫游题海，而达到熟能生巧的目的，从而缺乏对学生科学素养的培养和科学方法的训练，以往对物理模型教学的不足主要有以下两点：(1) 对物理模型概念的理解不够深刻高中物理教材中介绍了几种物理模型，但并未明确模型的分类，也没有向学生解释为什么建立那样的模型，致使学生对模型还处于一种死记的状态，并未理解其概念的实质。(2) 忽略物理模型的建模过程，只重结果物理模型是物理思维的产物，建立物理模型是一种创造性的脑力劳动，是在观察、实验的基础上，在一定知识背景下，充分研究对象和问题的特点，分析人们长期积累和在科学实验中取得的大量感性材料，经过一系列的分析、综合、比较、抽象、概括、推理等，从而对研究对象作出的一种简化描述的过程。在教学中，老师们大多采用直接引入的方式得到物理模型，而忽视了物理模型的建模过程，这给同学们理解以及提练出新的模型带来了困难，甚至造成许多同学硬套物理模型，致使不能活学活用。本课题在参考专家、学者们研究的基础上，尝试研究高中物理教学中培养学生建立物理模型、应用物理模型，力求在物理模型教学实践中有所创新，期望对教师和学生有所启示。1 物理模型与物理模型教学理论概述物理学研究自然界广泛存在的各种最基本的运动形态，研究自然界中物质的结构及相互作用。由于自然界的物质种类繁多，运动错综复杂，相互作用各具特征，实际的物理事物可能处于一定条件下而具有多方面的特征，几乎任何一个物理问题都会牵涉到许多因素。因此，要全面地、毫无舍弃地考虑每一个因素的存在，就会使得我们在处理物理问题时寸步难行。为了探索和揭示复杂的物理事物的本质和规律，必须根据所研究的对象和问题的特点，从我们所考虑的角度出发，撇开问题中个别的、非本质的因素，抽出主要的、本质的因素加以考察研究，并把一类物理事物共同的、本质的属性联合起来，从而建立起一个轮廓清晰、主题突出、易于研究的新形象、新过程，这个新形象、新过程就是物理模型。1.1 物理模型及其分类、主要特征、作用 1.1.1 物理模型 我们不能把模型仅仅理解成是一种将实际物体小型化或大型化的实体，比如飞机模型、舰船模型和原子结构模型等。其实这只是模型的一种形式。从广泛的意义上讲，“一个模型既可以是一个装置、一个计划、一份草图、一个等式、一个计算机程序，甚至也可以仅仅是一种想象。不论模型是物质的，或是概念的，模型的价值在于能够解释事物是如何或可能运转的。”也就是说模型既可以像飞机模型、舰船模型、原子结构模型一样是一个实体，也可以只是一个抽象的概念，如电场、磁场、能量等。因为客观世界中物体间的相互作用、物体的运动以及物质的内部结构等都是相当复杂的，要面面俱到地进行研究是很难做到的，所以我们就要将客观世界简化、理想化为一个个物理模型进行研究。所谓的物理模型就是根据所研究对象的形状、大小、运动过程、状态、结构等特征，抓住主要因素，忽略次要因素而建立起来的一种高度抽象的，理想化的实体、概念和过程。这个实体、概念和过程来源于实际，但又有别于实际，它主要展示了实际问题中实体、过程、状态、现象的主要特征，以便于人们的学习和研究。比如我们在中学物理中经常遇到的光滑水平面、斜面等，在实际中一般是很难有的，但是如果我们所研究的对象受到的其它力要远大于摩擦力，在特定的一些近似的计算中，我们可以忽略掉摩擦时，可以将接触面当成是光滑的情况来处理。这样就有了光滑面这一理想化模型。因此，物理模型还可以这样定义：“物理模型，就是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本质而对研究对象所作的一种简化的描述和模拟”阎金铎主编,田世昆,胡卫平编著.物理思维论M.广西教育出版社.1996年12月第一版. 201。翻开物理教科书，无论哪一部分内容都有物理模型。比如力学中有质点模型、刚体模型，也有匀速直线运动模型、自由落体运动模型、匀变速直线运动模型、简谐运动模型等；热学中有理想气体模型；电学中有点电荷模型、电力线模型；光学中有点光源模型、波粒二象性模型；原子物理中有原子结构模型等。物理学是研究自然界中物质运动最基本、最普遍规律以及物质的结构和相互作用的，而这些模型是物理学的有机组成部分，它们的引入不仅为宏观物理理论规律性的研究提供了方便，而且对探索微观世界的奥妙也是至关重要的。1.1.2 物理模型分类对于物理模型的分类，依据不同的标准，有不同的分类法。有人认为可以分为对象模型、条件模型和过程模型；也有人认为可分为实体模型、系统模型和过程模型；等等。从广义上讲，物理学中的各种基本概念，如长度、时间、空间等都可以称为物理模型，因为它们都是以各自相应的现实原型为背景而抽象出来的最基本概念。从狭义上讲，只有那些反映特定物理现实和物理问题的理想化实体、理想化过程、理想化状态、理想化结构等才能叫做物理模型。如力学中的质点、刚体、单摆、自由落体运动、平衡状态、完全失重状态等；热学中的理想气体、绝热过程等；电学中的点电荷、纯电感、理想电表等；光学中的点光源、薄透镜、镜面反射、光的直线传播等；原子物理学中的卢瑟福原子结构模型、玻尔模型等。由于我们谈论的主要是一些具体的物质结构、物理现象、过程、状态等，所以我这里谈到的物理模型，一般是指狭义的模型。从中学物理教学实践我们知道，在实际应用中最关键是要解决两个环节：第一，要明确学习和研究的对象是什么?第二，要明确学习和研究的对象是如何运动变化的、遵循什么样的规律？按照这两个环节将物理模型分类，我们会发现中学物理教学中涉及到的常见的物理模型应包括对象模型和过程模型两类。一、对象模型对象模型是根据研究对象的特点，舍弃次要的、非本质的因素，抓住主要的、本质的因素，从而建立的一个易于研究的、能反映研究对象主要特征的新形象。自然界存在的每个物体都有许许多多特点，如尺寸、形状、质量、温度、热容量、导电性、颜色等等，在物理学中，我们把这些特点分别归入力、热、电、光等各个学科里分别研究。理想模型是对研究对象的特点进行科学抽象与概括的结果，理想模型在物理学中到处可见，如质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、理想变压器、薄透镜、刚体、理想流体等。另外还有一些，诸如点光源、近轴光线、电力线、磁力线等，都是人们根据它们的物理性质，用理想化的图形来模拟的概念，如光线就是用带有箭头的线段来表示。理想对象模型是物理规律和物理理论赖以建立和发展的基础，在物理学中具有不可替代的作用。拿质点来说，它是一个没有大小和形状，只有质量和位置的点。这样的点实际上不存在的，物体再小，总有一定的尺寸和形状，可是在有些情况下不得不把它看成这样的一点。比如说我们研究月亮绕地球的运动时，假如不把月亮看成质点，则地球和月亮的距离就不知从何算起，运动的轨道也会有很多，问题将复杂得无法研究。二、过程模型过程模型是为了研究复杂问题，建立在物体运动变化过程的基础上，根据研究问题的性质和需要，在包含多种复杂因素的物理过程中，找出主要因素，略去次要因素，建立能够揭示事物本质的理想过程。如质点运动的各种典型模型：自由落体运动、匀速直线运动、匀变速直线运动、简谐振动、完全弹性碰撞；热学中的等温变化、等容变化、等压变化、绝热变化等等都是将物理过程模型化。将物理学中的研究对象模型化，仅仅是研究问题的开始，更重要的是找出研究对象运动过程所遵循的规律，以便用过程模型规律来解决实际问题。拿自由落体运动来说，它是指物体只在重力作用下，从静止开始下落的运动。这样的运动实际上是不存在的，因为总会有空气阻力等其他因素的影响。可是如果我们要研究一个物体在地面附近由静止开始下落的运动，这在物理学中己经是一种非常简单的运动，但就对于这样一种简单的运动，如果不建立物理过程模型，也会变得无从下手。因为物体下落时，影响物体运动的因素很多。首先是重力，根据万有引力公式： ，它随着小球下落过程中与地面距离的改变而变化；其次是物体所受的空气阻力，它与小球的形状、大小和下落速度有关，同时还与风速、风向、物体下落中的转动有关。如果要综合考虑这些因素，找出物体下落的定量规律就十分困难。其实，我们可以在分析的基础上，忽略次要因素，将物体运动抽象为一个理想的过程。在一定的高度范围内，当物体从地面上空某一高处下落时，可认为重力不变；当物体下落的速度不大时，可忽略空气阻力的作用；同时，也可不计地球的自转、风速以及物体的形状、大小、物体的转动等因素的影响，这样，该物体的运动就可以看作是一个质点在均匀重力场中只受重力作用下的一种运动，我们称之为自由落体运动。通过对物体运动过程的理想化，我们方便地得出了物体下落的规律，而且这一规律可近似代表实际物体的运动规律。以上是对物理模型进行了简单的分类，值得一提的是，同一个物体或过程对应的物理模型不能绝对化，往往同一个物体或过程它可以成为几个模型。以太阳为例，当我们研究它对天体的引力时，需要把它看作质点；在研究它的能量转换时，需要把它看成一个质点系；当我们研究太阳照射在地球某表面上的照度时，又需要将它当作一个点光源。1.1.3 物理模型的主要特征一、抽象性和形象性的统一一般情况下，物理模型的建立过程是一个抽象思维和形象思维相结合的过程，而建立的物理模型本身又是抽象性与形象性的统一体。如质点模型的建立主要利用了抽象的方法（当然有形象思维参与，需要一定的形象作为依托），质点模型是用一个没有大小、形状，而具有物体质量的点（具有抽象性）来代替实际物体（具有形象性），是抽象性与形象性的统一体阎金铎主编,田世昆,胡卫平.物理思维论M.广西教育出版社.1996年12月第1版.206。二、 科学性与假定性的统一物理模型不仅反映了原型的直观形象，反映了原型的主要特征，抓住了影响问题的主要因素，而且要以科学知识和实验事实为依据，经过分析、综合、比较、抽象、概括、推理等一系列逻辑论证，建立相应的物理模型，因而具有科学性。另一方面，物理模型来源于现实，又高于客观现实，是物理思维的结果，在建立物理模型过程中除抽象思维外，还要利用形象思维和直觉思维方法，发挥创造性的想像力，而任何物理模型都只是对客观实际的一种近的反映，所以，又具有一定的假定性，其正确性要靠实验来验证。正如恩格斯所说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。” 恩格斯.自然辩证法M. 人民出版社.1971。人们对自然界的认识不是一蹴而就的，往往要在观察、实验、思维的基础上提出各种可能的猜测，进而建立可能的物理模型。如：卢瑟福在粒子散射实验事实的基础上将原子与太阳系模型类比，提出原子核式结构模型假说，它能成功解释粒子散射实验中的大角散射现象，所以它具有科学性。 三、美学性我们知道，自然界是统一的、和谐的，随着物理学的发展和观察、实验材料的丰富，物理学家们越来越把对称、和谐、简洁、多样统一等看作是一个重要的哲学理念，以此来指导物理学研究，即运用臻美法来研究物理学问题，臻美就是在创造性思维过程中，按照美的规律，对尚不完善的对象进行加工、修改以至重构的思维方法，在建立物理模型的过程中具有启发作用，往往使物理模型更简洁，是建立物理模型的基本思维方法。爱因斯坦正是应用臻美方法（追求光的波动性与粒子性的统一，追求光的理论的简洁、和谐）大胆提出了光的波粒二象性模型，成功地解释了光电效应的实验事实。同时，物理模型能简明扼要地揭示物理问题，也体现了它的形式美；物理模型是知识与思维的产物,是知识与能力的完美结合,体现了它的和谐美；随着学习的深入,对同一模型会有不同层次的体会和感悟，会为它丰富的内涵所折服,体现它的内在美。1.1.4 物理模型对物理学习的作用一、物理模型有助于学生获得科学的物理思维方法 物理学的研究所涉及的问题，有很多是非常抽象、非常复杂的，要进行完整、全面、直接的研究是非常困难的。如力，它看不见、摸不着，研究起来无从下手，但是用“带箭头的有向线段”这一模型来表示力，就会使力一下子变的直观、形象了；原先互成角度的两个力的合成，只能大概地做个定性的了解，现在却可以用平行四边形法则进行计算了；可见物理模型可化抽象为形象、化复杂为简单、使原来只能定性了解的物理现象，可以用定量的办法来研究，这是恰恰是一种科学的物理思维方法。二、物理模型有助于学生获得准确科学的物理概念、规律物理模型和概念总是在总结了一类物理现象、物理问题的共性后，就针对这一类物理现象、物理问题而提出的。如力学上的质点这一物理模型，就是当物体本身的几何线度与所研究的空间比较要小很多时，物体本身的大小对问题的解决影响很小，可以忽略不计；做平动的物体，其各部分的运动情况完全相同，只要研究一个点的情况就可以了，所以就抽象出这种“没有大小、没有形状，而集中了物体全部质量的点”。有了质点这个模型后，研究质点的运动情况，我们得到了牛顿运动定律、动能定理、动量定理等一系列物理规律。物理学的概念、定理、定律总是从一定的物理模型中建立起来并适用于特定的物理模型的。由于物理模型是反映客观事物的某些方面的特征，并不是反映客观实际的全部情况，因此它并不等同于客观实际，它与客观事物之间还是有所区别的，这就使得任何物理模型都有一定的适用条件，也存在一定的局限性。因此当我们在学习物理模型、使用物理模型和建立物理模型时，一定要搞清楚每个物理模型的适用条件和它在多大程度上、哪一个方面反映了事物的哪一部分特性。在高中物理的学习中，当学到分子动理论中有关分子间作用力的时候，我们通常引入弹簧模型加以研究。但是弹簧的弹力与分子间的作用力仅仅在定性方面有相似，从定量角度来看差异非常大。由此可以看出弹簧模型对于研究分子问的作用力是有一定的局限性的。另外物理模型的局限性还表现在精确度上。比如我们用油膜法测分子的直径时，是建立了这样一个物理模型，即将分子看成是一个紧挨着一个排列的球体。而这样得出的结果数量级虽然正确，但数值并不一定正确，因为这一个分子模型没有考虑到分子之间实际上存在着空隙，而且客观实际的分子也不一定都是球形的。所以选择使用物理模型时，还应当考虑到精确度的需要。同时随着人们对客观世界认识加深，可能发现原有的模型不完善、不精确、甚至可能是错误的，因此科学的不断发展、进步，旧模型的缺陷和局限性将不可避免地暴露出来。所以充分考虑物理模型的局限性，使学生对物理概念、规律的掌握更加准确科学。1.2 建立物理模型的思维分析建立物理模型是一个复杂的思维过程，是一种创造性的脑力劳动，是在观察、实验的基础上，在一定的背景理论指导下，充分分析研究对象和问题特点，分析人们长期积累和在科学实验中取得的大量感性材料，经过一系列的分析、综合、比较、抽象、概括、推理等，从而对研究对象作出一种简化描述的过程田世昆,胡卫平.物理思维论M.广西教育出版社.1996年12月第1版.210。在建立物理模型中主要的思维过程有如下四种。一、抽象抽象是在头脑中把同类事物或现象的共同的、本质的特征抽取出来，并舍弃个别的、非本质特征的思维过程王雁主编.普通心理学M.人民教育出版社.2002年3月第一版.25。抽象是建立物理模型的最基本的思维方法，许多物理模型都是抽象的产物。如电学中的点电荷模型就高度科学抽象的结果，如果带电体的线度比带电体之间的距离小得多，那么静电力就基本上只取决于它们的电量及其之间的距离，这时就可忽略带电体的大小、形状及电荷分布等次要因素，抽出带电体电量及它们之间距离这些主要因素，将带电体视为只带电量的一个几何点，即点电荷；力学中的质点模型也是科学抽象的结果。正如美国科学家维纳所说：“世界的任何实际部分都不能这样简单，以至不用抽象就不能为人们所理解和控制。所谓抽象，就在于用一种结构上相类似，但是又比较简单的模型来取代所研究的世界的那一部分。因为，模型在科学研究的程序中是最为需要的。”乔际平 刘甲珉 .物理创造思维能力的培养M.首都师范大学出版社.1998.129二、类比类比是据两个对象在某些属性上相似而推出它们在另一个属性上也可能相似的一种推理形式。类比思维是物理思维的一种重要形式。类比在建立物理模型过程中起着重要作用，物理学上许多重要物理模型的建立是靠类比方法。卢瑟福在粒子散射实验的基础上将原子与太阳系模型类比，提出了原子核式结构模型；惠更斯类比于水波和声波，提出了光的波动性模型。在科学探索中，类比思维的价值为世界上许多著名科学家所称道。正如开普勒所说：“我珍视类比胜于任何别的东西，它是我最可信赖的老师，它能提示自然界的秘密” 乔际平,刘甲珉.物理创造思维能力的培养M.首都师范大学出版社.1998.127 三、假说假说是对事物的现象及其本质、规律或原因的一种猜测性的说明方式或推测其可能性的说明方式。假说是物理学研究问题的一种基本方法。许多物理模型是以假说的形式出现的。如玻尔的原子结构模型、爱因斯坦关于光的波粒二象性模型等，都是依赖假说建立的，也是以假说的形式出现的。正如恩格斯所说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”9恩格斯.自然辩证法M. 人民出版社.1971四、直觉思维与形象思维直觉思维是人们在认识过程中，在分析问题和解决问题时，头脑中的某些知识、经验和能力等在无意识的状态下经过加工而突然沟通时所产生的认识上的飞跃，表现为人们对某一问题的突然领悟，某一创造性观念和思想的突然降临，以及某种难题的突然解决。从物理学的产生与发展来看，它的每一次重大革新与发展都离不开直觉思维。正如爱因斯坦所说：“没有什么合乎逻辑的方法能导致这些基本定律的发现，有的只是直觉的方法，辅之以对现象背后的规律有一种爱好。” 乔际平,刘甲珉 .物理创造思维能力的培养M.首都师范大学出版社.1998.120；形象思维是运用已有表象进行的思维活动，表象是这类思维的支柱。表象是当事物不在眼前时，在个体头脑中出现的关于该事物的形象，人们可以运用头脑中的这种形象来进行思维活动。物理模型的建立离不开形象思维和直觉思维。如忽略摩擦阻力和弹簧质量的弹簧振子模型、玻尔的原子结构模型等的建立中形象思维和直觉思维都起了不可忽视的作用，同时这些模型本身又在人们的头脑中留下了简洁生动的形象。1.3 物理模型教学对高中学生学习物理的作用一、物理模型教学有利于学生知识结构的系统化和知识的迁移中学物理中常见的有对象模型、过程模型，是高中物理课程的主干知识。抓住了这两类模型，就抓住了高中物理的主要知识点，抓住了这两类模型之间的联系，也就抓住了知识点之间的联系与纽带。如果把物理知识体系当成一个网络系统，一个物理模型就是网络中的一个结点，物理模型是物理知识体系的基本组成要素。可见开展模型教学有利于学生知识结构的网络化、系统化。下面我们以力学部分举例说明开展模型教学对知识网状结构的形成的帮助。力和运动关系是高中物理中的最重要的部分，也是考试中的重点考察内容，学生的物理学得不好，主要是头脑中对力与运动关系的知识体系模糊、混乱。借助模型的帮助，将有效地帮助学生建立良好的知识结构。这一部分的基本模型有：力的模型、质点模型、匀速直线运动模型、匀变速直线运动模型等，先对这些模型进行学习，然后引导学生对这些基本模型做总结，这样学生在头脑中就能形成清晰的网状知识结构（如下图所示），从而加深了对物理知识的领悟。一旦学生建立了这样的网状知识结构，他们就能轻松把握这部分的知识体系：力、基本运动是基础，力与基本运动之间的关系（即牛顿运动定律）是核心。 质点的基本运动（如：匀速直线运动、匀变速直线运动等）牛顿运动定律力（各种力）利用模型还可以有效地实现学生对知识的迁移。迁移是学习中的重要环节。首先只有通过迁移才能使己有的知识、技能得到进一步检验、充实与熟练。迁移是以己有的知识、技能的领会与巩固为前提的；其次迁移也是由知识、技能的掌握过渡到能力形成的重要环节。因为能力的形成是通过对掌握了的知识、技能的概括，然后广泛迁移、应用，并进一步概括化和系统化而实现的。要使学习者形成对知识的真正的理解、建构起深刻而灵活的知识、建构起能适应不同问题情境可以广泛迁移的知识，决不是一蹴而就的，它需要教师和学习者做持续不断的努力。传统的精讲多练的教学方式对于保证学生的记忆性学习有一定的意义，但是没有进一步深化学习者对知识的理解，使学习者对知识的理解是单薄而机械的，这很难在实际生活中产生广泛而灵活的迁移。而利用物理模型的相似性进行类比，可以有效地促进知识的迁移。例如带电粒子在电场中的偏转与平抛运动模型相类似，教师可以利用平抛模型来帮助学生理解带电粒子在电场中的偏转问题；同时在学生学完新知识后，可以将带电粒子在电场中的偏转模型与平抛运动模型相类比，从而概括出这两种运动的共同属性，即当合外力大小不变、方向且与初速度方向垂直时，物体将做类平抛运动，进而总结出类平抛运动的概念和基本特征。在此过程中，利用模型的类比，学生有效地完成了对知识的迁移。二、物理模型教学有利于学生掌握科学的物理思维方法和研究方法每一个物理过程的处理，物理模型的建立，都离不开对物理问题的分析，教学中，通过对物理模型的建立过程及应用的教学，能培养学生对较复杂问题进行具体分析，区分主要因素和次要因素，抓住问题的本质特征，正确运用科学抽象思维的方法去处理物理问题的能力，有助于学生去掌握科学的物理学研究方法。理想化的方法，是科学抽象的一种形式。在中学物理中可以使学生认识的理想化方法，主要是把物体本身理想化或者把物体所处的条件理想化，从而产生理想化模型。由于这些理想化方法在物理教学中经常用到，所以有必要使学生认识它们的本质、必要性和局限性。如质点、刚体等是把物体本身理想化，即抓住物体在所讨论的现象中起主要作用的性质，暂时舍去次要作用的性质。又如忽略空气阻力、一个无摩擦的表面等是把物体所处的条件理想化，即抓住起主要作用的条件，暂时舍去起次要作用的条件。这种理想化方法的好处：可以使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差；对理想化的事物进行研究的结果，加以适当修正，即可用于实际事物。例如，分子没有体积、分子之间没有相互作用力的理想气体，实际上不存在，但是对于高温、低压下不易液化的气体如氢、氧、氮、氦以及空气等，当作理想气体来处理，用理想气体状态方程来计算，误差很小而非常简单。低温、高压下的气体，特别是那些容易液化的气体，不符合理想气体状态方程，但是当从分子占有体积和分子间有相互作用力两方面对理想气体状态方程加以修正，用来处理真实气体，就能跟实验符合得相当好。 在教学中让学生熟知各种理想化对象模型和理想化过程模型；并采用实验、挂图、多媒体教学等手段帮助学生形成正确的物理图景，使学生的形象思维能力得以培养；在形成正确的物理图景的基础上，建立物理模型，然后通过一些典型的范例帮助学生应用物理模型解决实际问题，实现从建立物理模型到运用物理模型的一个飞跃。通过这样的培养过程使学生的能力也得以提高，培养学生的能力是物理教学的重要目的之一，物理模型的教学有促使这一目的达到的作用。在中学物理中开展模型教学，对学生适当进行科学的物理思维方法教育，不仅可以培养他们分析、解决一般问题的能力，同时也为学生学会解决生活实际问题提供了帮助。将来学生走上工作岗位后，在实际工作中也要用到将需要处理的事情构建成一种数学、物理的模型进行研究的方法。因此，在高中阶段有必要开展模型教学，它有利于学生学好中学物理和将来从事具有创造性的工作。 三、物理模型教学有利于加强学生与生产生活实际的联系高中物理课程标准中明确指出“学习终身发展必备的物理基础知识和技能，了解这些知识与技能在生活、生产中的应用，关注科学技术的现状及发展趋势”是高中物理课程的基本目标之一。通过对物理模型和物理模型应用过程的教学，使学生认识到物理学知识在生产技术和生活中的应用，使学生认识到物理学内容与高新技术、现代社会的联系，从而加深学生对物理的亲切感和学习兴趣。下面举例说明。当带电粒子沿电场线方向进入电场后，若粒子所受电场力方向与粒子初速方向相同，带电粒子将被加速。有动能定理作为基础，学生对这部分知识不难掌握，所以教师将教学重点应放在对知识的应用和拓展上。例如电视机的显像管内、电子显微镜内都需要利用高压产生的加速电场对电子加速。通过对“物理模型物理模型的技术应用”过程的教学，学生可以学以致用，提高了学生对物理学习的兴趣。四、物理模型教学有利于学生适应现代课程改革和高考改革的要求.在课改中，一对十分突出的矛盾是丰富的教学内容与减少的教学时间的矛盾。教材中加强了点面结合，点上主干知识明确,基础知识，基本规律一个都不少，面上增加了许多联系生产生活的实际问题和高新科技内容，使物理知识更贴近生活实际，学生学习物理倍感亲切，同时丰富了课程形式，引入了研究性学习、探索性活动课等。如何让学生在较少的课时内，掌握更丰富的物理知识，物理模型的教学不失为一种有效方法，抓物理模型的教学，将最基础最典型的物理知识、物理问题、物理研究方法介绍给学生，引导学生去思考、去分析物理现象。近几年高考改革总趋势是由知识立意转为能力立意,试题内容大多源于生产生活实际，许多试题的主干知识，就是我们身边的物理现象或生活情景，有的却是最新的前沿科技成果或热点问题。如体育运动、电子电器、医疗卫生、宇宙演化和神舟飞船，等等，面对这一类试题，学生最头痛的就是不知道如何建立合理的物理模型，于是就只能是乱套公式，其实对于这一类试题，本着高起点低落点，重能力淡知识，要求学生能从题目给出的文字中，摄取有效信息，展现出清晰的物理情景，排除次要因素抽象出合适的物理模型，再根据物理模型遵循的规律，进行判断、推理和计算，使问题得以解决。1.4 物理模型教学的教育学、心理学的主要理论依据1.4.1 心理学中有关问题解决的理论一、问题解决的概念问题解决是人在没有明显的解决方法的情况下，将给定情境转化为目标情境的认知加工过程，是有目的的认知活动，而非自动化的加工 张大均.教育心理学M.人民教育出版社.2004年4月第二版.185。而物理问题解决的涵义是：面临一个具有一定新意的物理问题，力图寻找有关的概念、规律、方法去解决这一问题的心理过程 阎金铎主编，查有梁等编著.物理教学论M.广西教育出版社.1996年12月第一版. 35。二、问题解决的一般步骤 王雁主编.普通心理学M.人民教育出版社.2002年3月第一版.46思维总是体现在一定的活动过程中，主要是问题解决的活动过程中。问题解决是思维活动的普遍形式。问题解决过程是一个发现问题、分析问题，最后导向问题目标与结果的过程。因此，问题解决一般包括提出问题、明确问题、提出假设、检验假设四个基本步骤。第一、提出问题 问题就是矛盾，发现问题就是发现矛盾的存在，并产生解决矛盾的需要和动机，这是把社会的需要转化为个人思维活动的过程。发现问题是问题解决的开端，也是问题解决的动力。只有发现问题，才能激励和推动人们投入问题解决的思维活动之中。提出问题是问题解决的开端。能否发现具有重大社会价值的问题，取决于多种因素。（1）依赖于人的思维活动的积极性。勤于思考、善于钻研的人，才能从细微平凡的事件中发现关键性问题。思想懒惰、因循守旧者难于发现问题。例如，牛顿发现地心引力，瓦特发明蒸汽机，巴甫洛夫发现狗的“心理性唾液分泌”等都是勤于观察、思考的结果；（2）依赖于人的认真负责的态度。人的活动积极性越高，社会责任感越强，态度越认真负责，越容易发现问题。例如，一个工作认真负责的教师，很容易发现学生中出现的学习、心理等问题。而一个没有认真负责态度的人，对周围的一切问题将会熟视无睹；（3）依赖于人的兴趣爱好和求知欲望。兴趣广泛、求知欲望强烈的人，一般不满足于对事物的公认的、表面的解释，而是力求探究事物的内部原因，能够见人所未见，想人所未想，发现事物的本质和规律；（4）依赖于人的知识经验的丰富程度。一般来说，知识渊博、经验丰富的人，能够提出深刻而有价值的问题；而知识贫乏的人，不容易提出问题，也不容易抓住要害提出深刻性的有价值的问题。 第二、明确问题 所谓明确问题就是分析问题，抓住问题的核心与关键，找出主要矛盾的过程。明确问题依赖于两个条件。（1）依赖于是否全面系统地掌握感性材料。问题总是在具体事实上表现出来的，只有当具体事实的感性材料十分丰富且符合实际时，才能通过分析、综合、比较等，使矛盾充分暴露并找出主要矛盾，这是明确问题的关键；（2）依赖于已有的知识经验。知识经验越丰富，越容易分析问题并抓住主要矛盾，越容易对问题进行归类，使思考具有指向性，便于有选择地应用原有知识经验来解决当前的问题。 第三、提出假设提出假设就是在明确问题的基础上，对问题解决的具体方案提出假定和设想。问题解决的方案常常是先以假设的方式出现，经过验证逐步完善的。假设是人们推测、假定和设想问题的结论与问题解决的原则、途径、方法。假设的提出是从分析问题开始的，在分析问题的基础上，根据问题的性质、问题解决的一般规律及个人的知识经验，在头脑中进行推测、预想和推论，然后有指向、有选择地提出解决问题的建议和方案(即假设)。方案是否符合实际，是否有利于问题的解决，还有待于验证。假设的提出就为问题解决搭起了从已知到未知的桥梁。假设的提出依赖于许多条件，已有的知识经验、智力水平、创造想象力、直观的感性形象、尝试性的实际操作、言语表达和创造性构想等对其有重要影响。 第四、检验假设检验假设是对假设进行验证的过程，它是问题解决的最后步骤。检验假设的方法有两种。一种是直接检验，即通过实验和实践活动来检验。这是检验的最根本、最有效的手段。例如，机器坏了，我们查找到原因，提出解决方案，进行实际维修，看一看这种维修方案是否解决问题。另一种是间接检验，即在头脑中根据已掌握的科学原理、原则，利用思维对假设进行论证。对于那些不能立即通过实践直接检验的复杂的假设常采用间接检验。例如，我们研制的卫星、导弹、运载火箭等不可能一遍又一遍地进行直接检验，而是反复地进行间接的理论论证，认为万无一失了再进行直接检验。医生设计的治疗方案、军事指挥员提出的各种作战方案等，都总是先在头脑中进行反复的推敲、论证，最后付诸实际。实践是检验真理的唯一标准，任何假设的正确与否最终都要接受实践的检验假设，其结果可以有两种情况：一是假设与检验的结果符合，这样的假设是正确的；二是假设与检验的结果不符合，这样的假设就是错误的，这种情况下就要重新提出假设。正确的新假设的提出有赖于对以前失败的原因进行充分的了解和分析。检验假设直到结果正确为止。 三、影响问题解决的因素 王雁主编.普通心理学M.人民教育出版社.2002年3月第一版.167影响问题解决的主要因素有：问题情境、迁移、原型启发、定势、功能固着、动机与情绪状态、个性特征，此外，人的能力、气质类型也影响对问题的解决。1.4.2 建构主义理论20世纪60年代初，瑞士心理学家皮亚杰的认知发展理论和美国教育家布鲁纳的早期教育思想中就已包含有建构主义的思想。70年代后期，前苏联教育心理学家维果茨基的历史文化心理学理论被介绍到西方并广泛传播开来，它同布鲁纳的发现学习理论以及奥苏伯尔的意义学习理论一起，为建构主义理论的进一步形成与发展奠定了相当重要的理论基础。关于建构，从认识论的角度看，就是指把已经存在的，凌乱的、无序的东西，有规律的组建起来。其核心观点是：人对知识的获取不是被动地接受，而是由认知主体主动建构的。 建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者，学生是信息加工的主体、意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。学习不是被动接收信息刺激，而是主动地建构意义，是根据自己的经验背景，对外部信息进行主动地选择，加工和处理，从而获得自己的意义。外部信息本身没有什么意义，意义是学习者通过新旧知识经验间的反复的、双向的相互作用过程而建构成的。学习意义的获得，是每个学习者以自己原有的知识经验为基础，对新信息重新认识和编码，建构自己的理解。在这一过程中，学习者原有的知识经验因为新知识经验的进入而发生调整和改变。同化和顺应，是学习者认知结构发展变化的两种途径或方式。同化，是指学习者把外在的信息纳入到已有的认知结构，以丰富和加强已有的思维倾向和行为模式。顺应是指学习者已有的认知结构与新的外在信息产生冲突，引发原有认知结构的调整或变化，从而建立新的认知结构。同化是认知结构的量变，而顺应则是认知结构的质变。同化顺应同化顺应循环往复，平衡不平衡平衡不平衡，相互交替，人的认知水平的发展，就是这样的一个过程。学习过程不是简单的信息输入、存储和提取，是新旧知识经验之间的双向的相互作用过程，是学习者与学习环境之间互动的过程。学生要成为意义的主动建构者，就要求学生在学习过程中从以下几个方面发挥主体作用。（1） 要用探索法、发现法去建构知识的意义；（2）在建构意义过程中要求学生主动去搜集并分析有关的信息和资料，对所学习的问题要提出各种假设并努力加以验证；（3）要把当前学习内容所反映的事物尽量和自己已经知道的事物相联系，并对这种联系加以认真的思考。“联系”与“思考”是意义构建的关键。如果能把联系与思考的过程与协作学习中的协商过程（即交流、讨论的过程）结合起来，则学生建构意义的效率会更高、质量会更好。协商有“自我协商”与“相互协商”（也叫“内部协商”与“社会协商”）两种，自我协商是指自己和自己争辩什么是正确的；相互协商则指学习小组内部相互之间的讨论与辩论。教师要成为学生建构意义的帮助者，就要求教师在教学过程中从以下几个面发挥指导作用。（1） 激发学生的学习兴趣，帮助学生形成学习动机；（2） 通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建构当前所学知识的意义；（3）为了使意义建构更有效，教师应在可能的条件下组织协作学习（开展讨论与交流），并对协作学习过程进行引导使之朝有利于意义建构的方向发展。引导的方法包括：提出适当的问题以引起学生的思考和讨论；在讨论中设法把问题一步步引向深入以加深学生对所学内容的理解；要启发诱导学生自己去发现规律、自己去纠正和补充错误的或片面的认识。 物理模型特别强调学生自己对物理情境和新旧知识之间联系，从而实现对物理模型的建构。1.4.3 迁移理论 所谓迁移，确切地说是一种知识、技能的学习对另一种知识、技能学习的影响。从迁移作用的方向分，迁移可分为顺向迁移和逆向迁移，凡是先前的学习对后继学习的影响（无论促进还是干扰），称为顺向迁移；反之，后继学习对先前的学习的影响称为逆向迁移。从迁移的效果看，迁移可分为正向迁移和负向迁移，凡是一种学习对另一种学习起积极的、促进的作用，就称为正向迁移，简称正迁移，如抛体运动的学习有助于带电粒子在匀强电场中运动的学习，万有引力定律的学习有利于库仑定律的学习，机械波的学习促进电磁波和光波的学习等等；反之，凡是一种学习对另一种学习起干扰和抑制作用，就称为负向迁移，简称负迁移，如振动图象的学习干扰波动图象的学习，左手定则的学习干扰右手定则的学习等等，一般情况下，负迁移是暂时性的，经过针对性练习可以消除。1965年，加涅提出了和他的学习层次系统的理论相适应的关于迁移的分类：横向迁移和纵向迁移。加涅把在难度和复杂程度上大致属同一水平的学习之间的迁移，称为横向迁移，如学习哺乳动物概念后，把这一概念用于对不熟悉的鲸或海豚的识别，学习了动量定理后，可将其运用于曲线运动、物体的相互作用、电磁场之中；把低水平的先前学习向相连续的更高层次的后继学习的迁移（通常指起正迁移作用的迁移），称为纵向迁移或积累迁移，如电场的磁效应和电磁感应的学习有助于电磁波的产生和传播的学习。一般地说，只有具备广搏的基础知识，才容易发生纵向迁移，客观存在的事物是普遍联系、相互制约的，所以大脑所反映的有关客观事物的知识、经验与技能等，也必然是相互联系、相互影响的，这就是迁移的实质。一般意义上讲，影响迁移的因素是多方面的，它既受到学习知识、技能等客观条件的影响，又受到学习者本身的主观条件的制约，而学习过程中的迁移现象是相当复杂的，这就要求教师在考虑学习迁移的问题时，既要努力使眼下的学习对以后的学习产生顺向正迁移的作用，又要注意到正在进行的学习是否对以前的学习产生逆向负迁移的作用，只有对影响迁移的因素作多方面的考虑和分析，才能更好在掌握迁移规律，发挥正向迁移的积极作用，使之为教学服务。1.4.4 探究式教学理论在中外教育史上，对探究式教学活动的研究影响最大的是杜威的实用主义探究教学理论。 杜威从实用主义立场出发，认为社会发展变幻莫测，充满危险，具有不确定性和不安定性。人类实际上是处在一个充满问题的世界，在问题面前每一个存在、每一种观念及人的每一项活动都具有试验性。因而，“实用效果有用与否”就成为一切知识是否是真理的标准。鉴于社会变化不定，没有哪种知识能适用各种问题，他进而认为世界不存在永恒的真理。人在不变定的世界能延续下来不是靠所谓的“真理”，而是靠不断改造的经验，或者从根本上说是凭借经验中所具有的反省思维即探究能力。杜威在我们怎样思维一书中论述了探究的本质及阶段。具体而言可分为以下五个阶段：(1)疑难的出现或暗示，即出现一个问题情境；(2)问题的界说，即将起初的疑难明确为一个有待解决的问题；(3)假设，即提出解决问题的种种猜想；(4)推理，即判断各种假设的含义和结果，从中选择最可能解决问题的假设；(5)证实，即投入解决问题的实践，以求证明假设。杜威认为科学发明和发现实际上都是按照这个过程进行的，因此，他把这五个阶段称为“科学方法”或“实验方法”。并指出科学研究并非是科学家的特权，所有思维都是研究，有些研究尽管其结果已为他人知晓，但对于研究者本人而言却是创造性的。 因此，杜威认为教学应培养学生具有探究的能力和习惯。在民主主义与教育一书中，他深入探讨了思维的五阶段与教学的关系，认为教学活动的要素与思维的要素是等同的，并依据思维的五阶段提出了相应的探究教学程序，即所谓的“问题教学法”：第一，学生要有一个真实的经验的情境；第二，在这个情境内部产生一个真实的问题，作为思维的刺激物；第三，他要占有知识资料，从事必要的观察，对付这个问题；第四，他必须负责一步一步地展开他所想出的解决问题的方法；第五，他要有机会通过运用来检验他的想法，使这些想法意义明确，并且让他自己去发现它们是否有效。 受实用主义哲学观的影响，杜威不重视书本知识在探究教学中的作用，主张教师让学生从做中学，在做中思维，杜威十分强调以实际行动来验证假设，但鉴于许多经验或知识无法以实际行动来检验，他要求探究教学遇到此情况时，可通过所谓的“思想实验”来检验。杜威指出，无论假设的验证结果如何，都不是