替代法

摘 要：近年来，随着课程改革的逐步实施，科学探究也成了中考的重中之重，通过对学生的科学探究能力、科学探究方法和意义的渗透，关注学生的思维过程。这需要学生在平时注意积累各种科学方法：分类法、控制变量法、估测法、替代法、图像描述法等，教师在平时的教学中也要渗透各种科学探究方法，让学生的思维能力不断提高。

关键词：科学探究方法；替代法；物理思维能力

物理学是一门以实验为基础的研究物质结构和相互作用及运动基本规律的学科。物理概念是在对物理现象和科学实验观察的基础上抽象出其本质而形成的；物理规律是在对实验现象和结论进行思维加工而总结归纳出来的。在物理概念和规律的教学中，教师必须遵循学生认识事物的规律，即观察实验——思维——应用进行教学，如果我们能在建立不同概念和规律时让学生认识、体会这些科学思维的方法，通过学生动手做实验并观察实验现象，体验成功的乐趣从而加深对知识的理解，就等于交给学生一把打开思维宝库的金钥匙。替代法就是众多金钥匙中的一把。

物理学的一些问题，研究对象、题设条件比较复杂，按实际发生的状态变化进行讨论困难很大，我们对研究对象、背景条件、物理过程进行分解、变换、替代、重组，使它们更简单、更容易理解，这种研究问题的方法叫替代法。初中物理在研究概念规律和实验中多处用了这种方法，近年来在中考习题中也频频露面，笔者对中学物理中出现的替代法作了一些归类：

一、模型替代

在物理学研究及解决问题的过程中，人们常常用简单的、易于研究的模型来代替复杂的物理客体，这种研究方法称为模型替代法。物理学的基本概念、基本规律都是对物理模型的描述；物理习题也总是依据一定的物理模型构思和设计的；对物理现象的研究或对物理问题的求解就是一个将具体问题抽象成理想模型并运用物理规律求得结果的过程。模型法有较大的灵活性，每种模型有限定的运用条件和运用的范围，物理模型一般可分为客体模型、条件模型和过程模型三类。

1.客体模型是指用模型代替原型或用实物模型来代替实际客体。利用模型可以将过小的实物放大，或将过于庞大的实物缩小，以利于学生的观察。如在讲解游标卡尺和螺旋测微器的结构、原子内部结构、起重机的吊臂时采用的模型。利用模型也可以说明物理的某一概念或原理，使其可快、可慢，亦可停，破解学生学习的难点，便于学生形象、直观地掌握物理属性和工作原理，如“眼睛”模型，让学生了解眼睛的结构，知道了正常人的眼睛通过晶状体的调节，像应成在视网膜上，而近视眼和远视眼是由于晶状体的调节功能出现问题，使像成在了视网膜的前方或后方；“汽油机”“柴油机”模型使学生能形象地观察到进气门和排气门的开合状态，一个工作循环活塞上下运动、曲轴和飞轮的旋转情况，火花塞的点燃时刻等，配合老师的讲解，使热机的工作原理和能量转换跃然眼前；“发电机”“电动机”的模型让学生能直观地看到电流的方向与磁场方向以及磁场力方向三者间的关系，从而使学生很容易地找到了平衡位置，知道电动机和发电机的工作原理、电动机转速的影响因素以及发电机电流大小变化的原因等。

2.条件模型是为了突出现象的本质，使规律简单、明晰，常采用把研究对象、背景条件、变化过程抽象成某种特殊的形式来处理。理想化就是条件模型的典型，在进行牛顿第一运动定律的实验时，我们把水平轨道的毛巾换成白布再换成木板，发现物体在越光滑的平面运动得越远，然后进行理想化，得到如果平面绝对光滑，物体将做匀速直线运动；在做真空不能传声实验时，我们发现空气越少，传出的声音就越小，同样进行理想化，得出真空不能传声的结论。

3.过程模型是指在对物理现象的研究或对物理问题的求解时将具体问题抽象成过程的结构模型。能否全面分析、找准模型是成功的关键，如在对推土机推土、压路机压路和小朋友滑滑梯等物体受力分析时要先构建模型，再确定力的作用点、方向以及各力之间的大小关系；在求液体对竖直的容器底的压强的时候，我们也是选了一个液柱模型作为研究的对象；在光的反射和折射的过程中，我们用光线作为模型，作出光的传播路径，这样可以将问题简化。

二、实验替代

某些物理实验研究，直接通过物理测量或实验方法处理不能达到效果，通过替代法进行实验测量或实验方法处理，可以简化测量或方法应用，从而达到实验效果，这种方法也叫转换法。其中一种是用于研究一些比较抽象的、看不见、摸不着的物质的微观现象，要研究它们的运动规律，使之转化为学生熟知的、看得见、摸得着的宏观现象来认识它们。例如：桌子的形变看不见，我们用一束激光，并用平面镜多次反射后射向墙壁，用激光的反射点的上下移动来认识；用打击过的音叉去接触水面溅起水花来认识声音的产生是由于物体的振动；判断电路中是否有电流时，我们可以根据电流产生的热效应来认识它；磁场看不见、摸不着，我们可以根据磁极间的相互作用来认识等等。另一种是由于一些物理量不容易测得，我们可以根据定义式转换，用可以直接测量的物理量来替代。例如：比较液体的压强大小时用比较压强计内液面的高度差来替代；在测量滑动摩擦力时转换成测拉力的大小；在研究吸收热量和物质种类关系时，用相同热源加热的时间来衡量吸收热量的多少；在研究电热与电流、电阻的因素时，我们将电热的多少转换成温度计示数的变化；用灯泡的亮暗来判断实际电功率等等，这些都是实验替代的典型例子。

三、等效替代

所谓等效替代，是指要在保持效果不变的前提下对研究对象和物理过程进行变换和替代，从而研究物理事物的本质和规律，分析和处理物理问题的一种思维方法。等效思维法除了要突出“保持效果”不变的前提外，还要强调在研究对象、背景条件、物理过程进行替代、重组时不能违背题设条件和物理规律，否则不能保证“效果”不变。等效替代可以分为两种：一种是现象的等效替代，如平面镜成像实验中为比较物与像的大小，我们用了两根完全相同的蜡烛，用其中的一根替代像的位置，比较像与替代蜡烛的大小得出物与像大小相等，而替代蜡烛到平面镜的距离即为像到镜的距离；在研究合力时，若一个力与两个力使弹簧发生的形变相等，那么这一个力就等效替代两个力；在研究串、并联电路的总电阻时，也用到了相同的方法。另一种是本质的等效替代，就是不同物理事物在本质上有相同的基础而进行的替代的思维方法。如电功是电流做的功，而电能是物体所具有的电能量，虽然并不代表所有的电能都能做功，但是有多少电能转化成其他形式的能，就说电流做了多少功，功和能的单位都是焦耳，两者是有着相同的基础的；做功和热传递在改变内能的本质上是相同的，只是方式不同。

总之，苏科版初中物理教材充分体现了替代法是一种科学的思维方法。教师应该在教学中重视概念和规律的建立过程，因为这一过程是学生进行思维加工的过程，是学生认识事物的过程，也是培养学生思维能力的过程，是学习物理知识的关键。

参考文献：

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（作者单位 江苏省昆山市淀山湖中学）