刘芝兵 宿迁高等师范学校 江苏 宿迁 223800
【摘要】构建物理模型是物理教育中的一个重要问题。本文从建模在物理教育中的地位谈起，论述了构建物理模型的基本策略、方法和学生在建模过程中常见的几种思维障碍。进而从心理学、教育学的基本原理出发，结合物理教育，就学生建模能力的培养，提出了笔者的看法及建议。
【关键词】物理模型 建模能力 思维障碍 思维力
中图分类号：G652.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN1003-7667（2021）05-093-03
一、建模在物理教育中的地位及作用
不论是物理知识的学习，还是利用物理知识解决实际问题，都会涉及到物理模型这个概念。实际上，物理模型就是在解决实际问题时，将复杂、具体的物理研究对象简化成理想化模型。这些经科学抽象和概括而形成的理想化模型就是物理模型。其中,将具体复杂的研究对象经科学抽象、概括成物理模型的心理操作过程就是建模，即构建物模型。所以，从心理学角度来看建模就是科学抽象、概括的心理操作过程。在物理学研究中,建模可以突出主要矛盾，使人们把精力集中在模型的主要结构和关系上,而不被模型外的因素所困扰，进而通过对模型的研究，产生认识上的突破，找出物体运动变化的基本规律。例如，原子的核式结构、哥白尼的日心说等都是利用建模来研究物体运动规律的。当然，由理想化模型导出的规律还要进一步的修正， 使之更加符合实际情况。
在物理教育中，教师向学生传授的是由大量的物理模型编织起来的知识体系，同时还要让学生知道知识的产生的过程,可见模型及其构建、应用在物理教育中的重要地位。物理学习的目的之一是为了解决实际问题。在解决的过程中，构建物理模型是最关键的一步。虽然解决方法可能多种多样，但通过建模的解决方法是最常见、最基本、最重要的方法之一，并且是在物理教育中学生最难掌握的方法。因此，重视物理建模的教学对于提高学生分析、解决实际问题的能力具有十分重要的意义。
根据教育的要求,在物理教育中有如下两点日益突出并逐步获得人们共识:一是对知识产生的过程教学要求提高了;二是提出了学生创造力的培养问题。物理知识的产生过程就包含着建模过程，因为若要将具体、复杂的自然现象转化成有规律的物!理知识就需要构建物理模型。毫无疑问，学生的建模过程，就是学习创造的过程，也是创造力得以发展的过程。因此，加强建模教学必将在物理教育中发挥积极作用。
二、物理教育中建模的基本策略
在物理教育中,物理模型可分为三大类:“物体模型”、运动模型”、“场景模型”。其中，物体模型又可分为“物质模型”、“系统模型”、“结构模型”等。通常说的“质点"就是“物质模型”，“惯性系”便是“系统模型”，“原子的核式结构”则是“结构模型”。像“自由落体运动”、“气体等温变化"等称为“运动模型”o用来描述物体及运动规律的一些物理量，如力F、体积V、动量P等可看作“场景模型”。所以，也可以说建模就是利用“物体模型”、“运动模型”“场景模型"来描述自然现象的过程。
任何问题的解决都要有一定的策略，正确建模也要在一定策略的指导下才能顺利进行。建模策略是指在建模时一种整体谋划。在建模策略的引导下,学生对于具体的建模问题还要有具体的建模方法。建模策略决定了建模的方向性，但它的实现又必须落实到具体的建模方法上。建模方法则是建模过程中所用的科学思维方法，它是多种思维方法在建模时的具体运用。这些思维方法包括比较、分析、综合、判断、推理(如归纳推理、演绎推理、类比推理)等。物理教育中建模的基本策略一般可分为两种:一是运用性建模;二是设计性建模。
运用性建模是指有选择地直接运用已有的物理模型的策略。主要用于解决一些较简单物理问题的建模问题。例如:要求某单摆的周期，这时学生就会想到理想单摆及其周其公式,所以直接运用相关的“运动模型”和周期公式即可。当然，运用前必须经过比较、分析、判断、推理等，才能选定运用何种物理模型。任何分析的偏差、判断的失误都将直接导致运用错误,影响问题的解决。
例1.在光滑的水平面上有三个完全相同的小球排成一条直线.2、3两球静止并靠在一起,1球以初速Ｖ0朝两球方向运动。设碰撞中机械能不损失，求碰后三个小球的速度大小。
对于这样的问题，在建模时可能产生两种不同的认识:一是1球碰2、3球,2、3球共同连体运动;二是1球碰2球，然后2球再碰3球。遇到此类建模问题，就需要正确选择物理模型。而选择模型的关键在于对已知的条件的分析，并利用已有相关知识来进行判断.这个问题只要清楚了解两种碰撞的根本区别，就不难确定运用何种碰撞模型了。
设计性建模就是根据建模者的经验，经比较、分析、综合、判断、推理等而形成新的物理模型的策略。这里的“新"仅是对建模者而言的,一旦这种新的模型形成，建模者下次遇到类似的建模问题时，使用的建模策略便可以转化为运用性建模。在基础物理教育中,学生通过这种策略而构建的模型较多的为其已知的多种物理模型的综合、迭加。对于学生而言，这种建模过程更是一种创造性的思维过程。例如，学过直线运动的知识后，学生在处理抛体运动问题时，就可通过综合、迭加简单的直线运动模型来构建新的物理模型--抛体运动模型。
设计性建模的构建条件有两个:一是已有知识、经验;二是进行创造性思维活动。所以，培养学生的建模能力也应从这两点做起。设计性建模是一种创造性的思维过程,其思维流程一般为分析抽象归纳一检验。
综上所述,构建物理模型是解决物理问题的重要方法之一。在建模的策略中,不论是运用性建模还是设计性建模，都和学生的知识、经验有关。前者是知识经验较为简单的迁移;后者则是知识经验基础上进一步的创造性实践，有益于培养学生的创新精神和实践能力。
三、建模过程中学生常见的思维障碍
学生在建模过程中常易产生各种各样的思维障碍，,归纳起来主要有以下几种情况。
1.片面性思维引起障碍
片面性思维障碍是指学生不能全面分析问题，满足于对事物的一知半解，只凭对事物的局部了解就草率得出结论的一种思维障碍。片面性思维障碍的产生常使一些学生的学 习思维处于肤浅状态，表现为对物理问题的解决粗糙、深人不下去，从而使物理建模发生困难。
例2.如图2所示,物块A从劈形滑块B上下滑,问物块A受到的支持力是否做功?
由于常见的问题中，支持力是不做功的,所以有的学生就错误地认为此A块所受的支持力也是不做功的。这种错误的出现就是在建模时没有考虑B块运动的可能性,片面性认为支持力总和位移垂直而不做功,形成了这种片面性思维障碍。
建模能力是指在建模过程中表现出来的特殊能力,或者是指成功地完成建模活动必需具备的个性心理特征。鉴于学生的知识和技能是能力发展的基础，况且在能力的发展过程中，还常受到其他因素的影响，因此学生的建模能力应从多方面进行综合训练来培养。
建模能力是指在建模过程中表现出来的特殊能力,或者是指成功地完成建模活动必需具备的个性心理特征。鉴于学生的知识和技能是能力发展的基础，况且在能力的发展过程中，还常受到其他因素的影响，因此学生的建模能力应从多方面进行综合训练来培养。
2.定势思维引起的障碍
定势思维是指部分学生把头脑中已有的、习惯了的思维方式不适当地生搬硬套到新的物理环境中去，这部分学生不善于变换认识问题的角度,不善于改变解决问题的方式,不善于寻求新的思路、方法。当物理环境变化时，需要的思维方式和学生头脑中已有的思维模式不相符合时，于是思维陷于僵化,形成思维障碍。
例3．如图3所示,aa'、bb'是水平、无限长的光滑平行导轨,cd、ef是相同的可滑动的平行金属条，整个系统处于水平面向,匀强磁场竖直向下。当cd以初速Ｖ。
进人磁场后，问最终cd、ef运动的速度为多大?
由于问题中涉及磁现象，许多学生往往认为其物理模型为:*cd运动→磁通量变化→形成感应电流→产生安培力→阻碍cd运动→加速ef运动→达到最终平衡”。这就是定势思维的影响。若依此模型进一步求解就会发现其中的问题，从而陷人建模误区，导致无法求解。其实此问题若能揭去电磁现象的表面性，探究出运动的本质，实际上这是一个“动量守恒"的问题，于是建模便变得非常简单，获得圆满的的解决。
3.干扰性思维引起的障碍
从信息论的角度看，解决物理问题是一个信息传递、加工的过程,而信息在传递过程中会受到不同程度的干扰。就学生而言,信息传递过程的干扰分为客观干扰和主观干扰两类。主观干扰发生在学生接受信息的过程中表现为，由于主观原因而产生错误理解等。这里我们谈到的干扰性思维障碍仅指主观干扰而形成的思维障碍。它常突出地表现在不能排除多余信息的干扰上,致使难以建立正确的物理模型。
例4．如图4所示,将2升的密闭容器分隔成等同的A、B两室，分别装入27 0C、1大气压的H2和O2:问若将其隔板抽出，混合气体的压强为多少?
本问题中的H2和O2会形成干扰信息。由于现在的综合试题把理化知识综合在一起，在这里学生容易错误地认为H2和O2反应后，形成H2O 会影响气压的大小。其实，此题条件下H2和O2不会发生反应,“H2O”纯粹是干扰信息。在目前教学中，教师尤其习惯给学生思考、练习那些具有完备条件、固定答案的物理问题，在一定程度上形成了学生“封闭式”的思维习惯,这也是学生的抗干扰能力薄弱的一个成因。
四、关于学生物理建模能力的培养
1.引导学生其自身能力发展的主体,培养学生的建模能力就应围绕学生的主体性来进行在物理教育中必须指导学生明确进行建模教学的目的及其重要性，只有目的明确，我们开展的培养训练活动才能有效地顺利进行。
学习物理建模对学生说，是一个需要克服困难的过程，特别是在起始阶段。而信心是克服困难的心理基础，离开信心学生就不能主动去克服困难,所以自信心的养成对培养学生的建模能力非常重要，成功带来的是自信，多次建模训练，多次获得成功给学生带来的是增强的信心。这样，在训练活动中,学生的建模能力也就会随之不断得到提高。
2.指导学生学习建模知识和技能是培养建模能力的必要基础强调培养模能力的重要性，其实就是强调知识和技能学习的重要性。因为建模能力的发展是建立在掌握一定建模知识和技能的基础。上的。没有一定的知识和技能，培养建模能力只是”句空话。例如讨论“-根木棒"的物体模型，在物理学中木棒既可以看做质点，;也可以看做刚体，还可以看作弹性体。这要求学生在建模过程中，必须具有相关的知识基础才能准确建模。离开这些建模的基础知识,学生的建模只能是空想乱想，其建模能力就谈不上培养。
同样,建模技能也是学生正确建模必不可少的基础,是具体的操作要领。建模能力是学生成功完成建模过程中所表现出的个性心理特征，是学生具有建模技能的心理体现。所以,培养学生的建模能力就应从知识、技能的教学抓起，有了扎实的建模知识、技能，学生的建模能力才能得到有效的提高。
3.加强学生的实践训练是培养建模能力的主要途径
能力的发展重在实践训练，建模能力的培养也不例外。只有经过实践训练，学生才能知道如何建模,才能知道如何用已有的物理模型去创造性地构建新的物理模型，才能知道建模过程需要什么知识和技能,才能知道应如何去学习知识、掌握技能、发展能力。我们强调训练的重要性，决不是提倡“题海”战术。这里谈的训练是指经过一定的问题解决的训练，从而掌握建模方法形成建模技能,提高建模能力。只有这样才能以不变应万变，解决其他的建模问题。
在进行建模训练时,不仅要注意典型性和系统性，而且要注意问题设计的层次和梯度。前面指出过，成功是增强自信的前提,是建模能力培养的条件,所以要正确处理好难度和梯度的关系，促进学生建模的成功。同时，这种成功是须经努力探索实践获得成功，这样才有利于学生建模能力的发展。
4.重视教师对建模策略、方法的启发诱导是培养建模能力的有力保障
学生对建模策略、方法的掌握，一方面是学生个体在建模训练中的总结、概括,另一方面也是教师示范、诱导的结果。古人云“授鱼不若授渔”。老师教给学生种又-种的物理模型,不如教给学生如何去迁移、构建物理模型,也即要进行建模策略、方法的教学,学生在有限的学习时间内，不可能穷尽所有的物理模型，所以教师的示范、诱导就显得非常重要。建模策略、方法的教学形式很多，每位教师都会有自己的见解与经验。笔者认为，成功的教学形式，至少做到两点:一-是教学中应有计划地包括一定的方法论 上的教学内容。值得指出，有些教师由于在教学中只重视“练中学"，不注重方法论上的理论指导，更不重视练后的方法总结和拓展,致使学生在建模练习中形成定势思维、过多地使用类比和套用已知物理模型，因而难以促进学生的创新思维。二是理论和实践要密切结合。理论教学是为了指导学生实践也就是要指导将学习的思维方法正确地应用到建模过程中去，同时在建模训练中又应将具体的思维方法作出理论上的总结、归纳，及时帮助学生克服建模过程中产生的各种思维障碍。这样，有了一定的思维理论基础，学生在思维活动中就能充分展示创造性,才可在有效减少问题、作业等训练量的情况下,培养准确构建物理模型的能力，从而促进物理教学质量的大面积提高。
总之,构建、应用物理模型是解决物理问题的关键之一。作为教师,在教育、教学中要善于诱导学生积极思维，破除过去那种“题海”训练的模式，其目的是为了减轻学生的学习负担，切实提高学生的思维能力，特别是创造性思维能力。当然,关于物理教育中的建模,本文不可能系统述及，许多问题还有待进一步探索研究。
On Modeling in Physics Education
Liu Zhi bing
(Suqian Normal University, Suqian ,Jiangsu 223800)
[Abstract]: the construction of physical model is an important problem in physics education. Starting from the status of modeling in physics education, this paper discusses the basic strategies and methods of building physical models and several common thinking obstacles of students in the process of modeling. Then, from the basic principles of psychology and pedagogy, combined with physics education, the author puts forward his views and suggestions on the cultivation of students' modeling ability.
[key words ] : physical model, modeling ability, thinking disorder, thinking ability
参考文献：
谭顶良.学习风格论.南京：江苏教育出版社，1995.
张光化，吴永熙.《物理名师教学荟萃》，中国科学技术出版社，1996.
乔际平.《物理学习心理学》，高等教育出版社.
张大均.教育心理学.北京：人民教育出版社，1999.
作者简介：刘芝兵（1969—）男，江苏宿迁人，宿迁高等师范学校副教授，研究方向：物理教育教学。