朱燕明

实验是物理学的基础，而建立物理模型则是物理研究中重要的方法之一，这两者在高中物理教学中均起着关键作用。高中新课程改革大力倡导重视物理实验，同时将“过程与方法”教学的三维目标之一予以显化呈现，而建模方法正是十分重要的方法之一。如何将两者结合起来，成为广大物理教师需要思考的问题。

当前教学一线，在实验与物理模型的教学中存在着一些值得关注的问题。一方面，小部分物理课堂教学中实验与物理模型建立基本上为“两张皮”，往往实验只是为了吸引学生的眼球，当学生兴趣被提起来后却抛开实验而直接从理论上讲解模型，实验与模型建立缺乏连贯性；另一方面，有些物理教师只是在口头讲解实验的基础上建构物理模型，由于缺乏实物的直观性而使得学生的印象并不深刻。针对上述问题，笔者尝试以《了解电容器》一课为例，探讨从实验到物理模型的教学策略。

一、从实验到概念建模教学策略初探

常见的物理模型包括实物模型和过程模型。其中实物模型采用缩小与放大几何尺寸并简化繁杂部件，突出与工作原理紧密相关的部件，制作出与原型在某一方面相似的实体模型，如研究平动的物体将其看作质点正是忽略了物体的形状与大小。在物理教学中，有时会通过实验来建立概念，而所建立的概念往往是实验形体的抽象化与简约化，这实际上正是一种从实验到概念的建模教学。

从实验到概念这个建模的过程，笔者认为可以采取以下教学策略与流程。第一步，呈现实验装置并进行实验演示。第二步，要求学生说出实验装置所包含的主要部件或要素。第三步，进一步引导学生将主要部件或要素用物理语言进行抽象概括，得出新的物理模型。第四步，点拨实物建模的思想与方法。上述四步循序渐进，从实物到要素到模型，学生跟随教师经历整个概念建模的过程，体现了新课程提出的“过程与方法”目标。

下面以笔者在高二年级讲授的一节公开课《了解电容器》片断为例。

教师：日常生活中有各种各样的容器，比如说装水的容器、装饭的容器，有没有用来装电(荷)的呢？(学生思考)

教师：带着这样一个问题，我们先来做一个小实验。老师需要两位同学来配合一下……

(两位男生举手上台，台前已摆好实验器材：两个大铝盆，中间垫一塑料纸；一根半米左右的PVC塑料管，一块毛皮)

教师：两位同学要做的事情很简单，当老师说“摸”的时候，用手摸一下盆的中央就行了。

(教师用PVC塑料管不断跟毛皮摩擦，并跟上面的铝盆接触，实验过程通过投影展示给全班学生。学生用手触摸铝盆后迅速弹开)

教师：请两位同学说一下感觉。

学生：有触电的感觉，感觉盆里装着电。

教师：很好！这整个装置其实就是我们物理中常用的一种器件叫“电容器”。那这样的装置有什么特点呢？第一位同学，请你把这个盆举起来。

学生：中间隔了一层塑料膜。

教师：塑料膜主要起什么作用？

学生：绝缘。

教师：很好！我们一起来简化刚刚这个实验装置，想办法构造出一个“电容器”模型来，大家说说看刚刚这个装置可以抽出哪些重要部件？

学生：上面有一个铝盆，下面也有一个铝盆，中间有一层塑料膜。

教师：很好。上面和下面的铝盆，可以导电吧？我们可以抽象成—

学生：导体！

教师：很好！那中间的塑料膜可以抽象成—

学生：绝缘体！

教师：非常好。大家把三个抽象的要素合起来。

学生：上下是导体，中间是绝缘体。

教师：这就是电容器模型。只要是两块相互靠近又彼此绝缘的导体，就构成了电容器。这个模型很简单，但是大家要从中体会物理学家们是怎样抽象出一个物理模型来的。

在关于电容器概念的教学中，多数教师往往只是将电容器的概念表述和物理模型直接告知学生，而后展示实际生活生产中常用的电容器器件。但是这些真实的小器件因为看不到内部结构而较难与电容器的概念及模型联系起来，学生缺乏直观、可视化的信息源，只能机械地记忆概念表述及模型。而采用上述建模教学策略，通过两个铝盆和中间的塑料薄膜演示储存电荷的实验，不仅形象生动，使学生对电容器的概念及模型有了深刻的认识，并且引导学生经历了从具体事物到抽象出模型的过程，体会了建模思想，给予学生更全面的思维锻炼。

二、从实验到规律建模教学策略初探

物理规律是物理教学中的另一重要内容，在课堂教学中教师往往先展示相应的演示实验或学生探究实验，而后引导学生从实验结果总结归纳出一般性的实验结论，并用科学的语言表述成为物理规律，该过程同样是一个建模教学的过程。

但在实际物理教学中，由于部分教师缺乏建模意识，使得学生对于演示实验或探究实验是如何设计的，如何从实验到模型的过程不太清楚，降低了教学的有效性。笔者结合相关教育理论与教学经验，提出以下从实验到规律的建模教学策略与流程。第一步，提出实验探究的问题，引导学生围绕问题进行合理的猜想，尝试建立初步的理论模型。第二步，根据猜想的理论模型，提供实验器材，引导学生尝试提出实验验证方案。第三步，进行演示或探究实验。第四步，根据实验结果引导学生分析理论模型是否得到了检验。第五步，回顾整个从实验到物理规律的建模过程，总结一般性的建模与实验设计思路。

下面同样以笔者在高二年级讲授的一节公开课《了解电容器》相应片断为例，阐释上述规律建模教学过程。

教师：我们前面学过，比值定义法定义的物理量，都跟它的比值量无关。那么，电容大小的决定因素是什么？大家能否根据电容器的这个模型符号猜测一下？

学生1：从这个模型符号看，我猜跟两个板的距离有关。

学生2：我觉得两块板长点短点可能不同。(教师：用物理量怎么表示)正对面积。

教师：很好！还跟什么有关？提示一下，大家看电容这个模型符号，中间是空的吧？

学生3：中间如果加一些物质，可能电容也会变化。

教师：非常好！大家根据电容器模型进行的猜想很棒！猜想需要检验，我们还是用这个铝盆实验，一起想想，你们说的各个模型影响要素，都该怎么改变和测量？

学生：用控制变量法。面积S的改变，可以让上下两个盆错位越来越大。研究距离的因素，就把两个盆拿远一点。中间加物质，要不就垫进去一本书吧。电容的大小……不知道。

教师：很好，下面我就按照大家说的方案试试看。电容的大小也是有工具可以测量的，我们来看一下这个表。(屏幕上投影出一个具有测电容功能的数字多用电表，教师通过单位引导学生，找出测电容时选择开关所在的位置)

(实验过程略)

教师：从刚刚各次电容的读数，大家能得出什么结论？

学生：两极板的正对面积越大，电容越大；而两极板距离越大，电容越小。极板间不同物质也会影响电容大小，但怎么影响就不好说了。

教师：说得很好！这样我们就得到了一个定性的影响电容大小的物理模型。但是，物理模型应该是定量化的才更为准确，此处我们仪器条件有限无法进行精确实验，科学家的实验表明，平行板电容器的电容跟两板的正对面积成正比，跟绝缘物质的介电常数成正比，跟板间距离成反比(边讲边板书平行板电容器的决定式)。

教师：让我们一起来回顾整个建模的过程。最开始我们是怎样？

学生：从电容器的符号模型中猜想影响因素。(教师：很好，接着呢？)接着我们就想该怎样在实验中测出这些影响因素。

教师：这就是设计实验方案了，然后我们做了什么？

学生：按照方案设计实验，最后是检验猜测的模型与实验数据是不是相符。

教师：很棒！物理学里面很多物理规律模型都是通过类似的思路建构出来的，同学们要慢慢体会这种研究的思想和方法。

上述教学片断呈现了关于电容器影响因素规律建模教学的过程。在关于这一规律的日常教学中，多数教师往往并不进行演示或探究实验，而是直接将规律告知学生，学生只能靠机械记忆和后续的大量做题来巩固对规律的理解，有时甚至会将公式中面积与距离的位置颠倒，这正是缺乏感观刺激记忆不牢的表现。根据前述从实验到规律的建模教学流程开展的上述教学，引入了铝盆探究实验，从理论模型的猜想到实验探究方案的设计，再到模型的检验，学生成为课堂思维的主体，所建立的模型是学生主动建构起来而非教师灌输进去的，学生理解得更为深刻。

三、结束语

本文结合《了解电容器》一节课相应的教学片断，初步探讨了在高中物理教学中从实验到概念、从实验到规律开展建模教学的策略与流程。应当看到，当前物理考试往往是以物理模型为考查的核心，而模型的理解与认识，依赖于大量做题，只是一种机械记忆的形式，容易在头脑中混淆，值得警惕。我们倡导积极开展从实验到概念、规律的建模教学，一方面，形象直观的实验带给学生更深刻的印象，另一方面，学生作为模型建构者经历了整个建模的过程，真正认识了模型的来龙去脉，这样的教学才是有效教学。

[1]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛:中国海洋大学出版社,2009.

[2]广东基础教育课程资源研究开发中心物理教材编写组.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].广州:广东教育出版社,2010.