高中物理教学论文 构建物理模型发展学生思维 9页

构建物理模型发展学生思维 ‎ 关键词：建构主义、物理模型、抽象思维、形象思维、创造性思维 论文概述：本文概述了物理模型的定义和它的理论基础，详细介绍了物理模型的构建对物理学发展和物理思维训练起的作用，及其如何在高中物理课堂教学中构建物理模型，最终达到培养学生物理创造性思维的目的。‎ 一、物理模型的概述 物理模型是理论知识的一种初级形式，就是将我们研究的物理对象或物理过程、情境通过抽象、理想化、简化、和类比等方法，进行“去次取主”、“化繁为简”的处理，把反应研究对象的本质特征抽象出来，构成一个概念或实物的体系，就形成物理模型。物理模型既源于实践,而又高于实践，在我们的生活、生产、科技领域中带有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。物理模型的构建是一种重要的科学思维方法，通过对物理现象或过程，从而寻找出反映物理现象或物理过程的内在本质及内在规律达到认识问题的目的。‎ 物理模型的构建是建立在建构主义的基石上的。建构主义对学习的解释主要有以下几点：１、学习是一种建构的过程。知识来之于人们与环境的交互过程中。学习者在学习新的知识单元时，不是通过教师的传授而获得知识，而是通过个体对知识单元的经验解释从而将知识变成了自己的内部表述。因此，教学的目标是使学生形成对知识的深刻理解，即"为理解而学习"。２、学习是一种活动的过程。学习过程并非是一种机械的接受过程，在知识的传递过程中，学习者是一个极活跃的因素。教学的过程就是引导学生的高级思维活动来解决问题的过程，即"通过问题解决来学习"。这就要求教学要引导学生不断思考，不断地对各种信息和观念进行加工和转换，通过新、旧知识经验的相互作用完成对知识的建构。３、学习必须处于真实的情境中。学习发生的最佳情境不应该是简单抽象的，相反，只有在真实世界的情境中才能使学习变得更为有效。学习的目的不仅仅是要让学生懂得某些知识，而且要让学生能真正运用所学知识去解决现实世界中的实际问题。‎ 二、构建物理模型的作用 ‎1、物理模型是物理规律和理论赖以建立的基础。‎ 物理学的目的是探索自然界广泛存在的各种最基本的运动形态、物质的结构及其相互作用，为自然界物质的运动、结构及相互作用提供一幅绚丽多彩、结构严谨的图画，以便人们认识世界和改造世界。要达到这样的目的，必须得出反映物理现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律，揭示物理事物本质属性之间的联系，此即物理规律，并要求在此基础上形成系统的、自洽的、严密的物理理论。而由于自然界物质的复杂性和多样性，完全按照物理客体的本来面目进行研究，问题将变得很复杂，很难得出定量的物理规律和系统的物理理论，这就要求我们对其进行抽象，得出反映物理客体本质属性的物理模型。‎ 法拉第在1852年，对带电体、磁体周围空间存在的物质，设想出电场线、磁场线一类力线的模型，并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线分布形状，从而建立了场的概念，对当前的传统观念是一个重大的突破。1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，大胆地建立了光子模型，并提出著名的爱因斯坦光电效应方程，圆满地解释了光电效应现象。卢瑟福以特有的洞察力和直觉，抓住α粒子轰击金箔有大角度偏转这一反常现象，从原子内存在强电场的思想出发，于1911年构思出原子的核式结构模型。“哈勃定律”所反映的大爆炸宇宙模型，指出了我们周围的宇宙并不是静态的、恒定的、而是动态的、膨胀的。从而冲破了传统观念的束缚，为研究宇宙的起源和演化扫清了道路。‎ ‎2、利用物理模型可解释物理现象和实验定律。‎ 利用物理模型，可得出一些是实验事实相符合的理论结果，从而解释物理现象和实验定律。例如爱因斯坦建立光的波粒二象性模型来解释光电效应实验事实。光电效应是当光照射到金属上时，有电子从金属中逸出。这种电子称为光电子。实验证明，只有当光的频率大于一定值时，才有光电子发射出来；如果光的频率低于这个值，则不论光的强度多大，照射时间多长，都没有光电子产生；光电子能量只与光的频率有关，而与光的强度无关，光的频率越高，光电子的能量就越大；光的强度只影响光电子的数目，强度增大，光电子的数目就增多。按照爱因斯坦光的波、粒二象性模型，当光照射到金属表面时，能量为的光子被电子吸收。电子把这个能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力做功（逸出功）,另一部分就是电子离开金属表面后的动能。这个能量关系可写为。这样就利用爱因斯坦光的波粒二象性对光电效应的实验结果作出了完美的解释。‎ ‎３、利用物理模型可作出科学的预言。‎ 作为对物理事物简化描述的物理模型，不仅能够解释物理现象和实验定律，而且也常常能够作出科学的预言，指明进一步研究的方向。比如海王星的发现就是对物理模型的研究而作出科学预言的实例。法国学者布瓦尔得通过不断地对天王星观测后发现，根据不同时间的资料计算出的天王星运行轨道互不相同。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。1946年9月23日，德国天文学家伽勒观测到了这颗行星，即海王星，从而证实了贝塞尔预言的正确性。‎ ‎4、教学中物理模型的构建实质上就是培养物理的创造性思维。‎ 所谓物理创造性思维，就是物理思维结果具有新奇性、独创性、目的性和价值性的物理思维活动。首先，思维的产品必须是新奇的和有独创的，其次，思维的产品必须符合物理思维的目的和具有一定的价值。物理思维的独创性是在思维深刻性的基础上引申出来的一个思维品质，主要表现为善于提出新的物理问题，善于不依赖现成的解决问题的方法及别人的思想和暗示，善于采用新的思路和方法解决问题，善于采用新的实验方法，设计新的实验方案，善于对物理事实和规律提出新的解释和理解，允许不寻常的思维自由驰骋。因此，物理创造性思维包括两方面内容：一是重新安排、组合已有的物理知识，创造出新的知识和形象；二是突破已有的物理知识，提出崭新的见解、设想、思路和观点等。当然，实际上，物理创造性思维不是一种基本的思维形式，而是物理抽象思维、形象思维和直觉思维的综合。‎ 物理模型有两个主要特征。一是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。例如，卢瑟福的原子核核式模型。卢瑟福从实验事实（‎ 粒子散射实验）出发，分析粒子偏转的三种现象，推翻汤姆生的葡萄干布丁模型，再建立起原子核的核式结构。在这一过程中，既利用了分析、比较、抽象、概括等抽象思维的方法，也利用了形象类比等形象思维的方法，是抽象思维和形象思维共同作用的过程。二是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、推理等一系列严格的逻辑论证，从而建立起相应的物理模型，所以，具有一定的科学性。‎ 三、在高中物理教学中如何建模？‎ 在研究物理问题当中，将物理对象、物理过程或物理情境处理成简单的模型后进行分析与计算十分常见。例如宏观现象中的“日心说”、微观现象中的“原子核式结构模型”等；又如物理概念的建模有：质点、点电荷、单摆、弹簧振子、电场线等；物理过程的建模有：匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐运动、简谐波等；物理情境的建模有：碰撞模型、子弹打木块模型、带电粒子在电场中运动模型等；物理实验的建模有：伽利略的理想实验模型、卢瑟福的粒子散射实验等。‎ ‎１、对物理概念建模。‎ 物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事物的抽象，是观察、实验和物理思维的产物。任何物理概念的形成都离不开物理思维。例如，虽然人们经常能观察到天体的运动、人的行走、动物的奔跑、车辆的前进、机器的运转等现象，但如果不通过分析、比较、抽象、概括等物理思维过程，找出它们共同的、本质的属性和特征，即一个物体相对于另一个物体位置的变化，就不可能建立机械运动的概念。而我们在建立物理概念的时候，又必须忽略所研究物理原型的一些次要因素，抓住影响物理事物的主要因素来反映所研究的物理事物的本质属性，这样就建立理想化的物理模型，如质点、理想气体、点电荷、纯电阻、刚体、理想流体、绝对黑体等等。我们在研究地球绕太阳公转时，可忽略地球的大小、形状，把地球简化为一个有质量的点———质点来考虑，并可得出许多与观测数据基本相符的结论。这是由于地球与太阳的平均距离（约为 ‎）远大于地球的半径（约为），地球上各点相对于太阳的运动可以看成是相同的，质点正确地反映了地球绕太阳公转这一过程中地球的特征。但当研究地球自转时，地球的大小和形状就与影响这一运动的主要因素，不能忽略，质点不能反映这一运动中地球的本来面目。‎ ‎２、对物理过程建模。‎ 在中学物理中建立的理想化的物理过程有匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐运动、简谐波、绝热过程等。它们从不同的侧面和角度描述和揭示了各种问题中实际过程的特征，也标志着物理学研究的深化。‎ 如高中物理非常重要的一个运动模型——单摆，由一根不可伸长的细线，系一可视为质点的摆球构成，显然，它是一种抽象化了的理想模型。当单摆振动时，其回复力由重力沿圆弧切线方向的分力提供，如右图所示，当单摆的最大摆角时，单摆运动为简谐运动。其运动周期为。单摆摆球的运动轨迹是一小段圆弧，其轨道半径R与等效摆长相等，即=R，因此，对于许多形异质同的单摆物理模型，不管有无“悬点”，只要搞清了圆弧轨道的半径R，单摆的周期即可用计算，若是在其它场中的单摆模型，则要找出等效重力加速度“”,周期则用计算。‎ ‎３、对物理情境建模。‎ ‎“情境”教学是建构主义当然也是物理教学中特别提倡的，让学生在情境中学，能给枯燥的学习生活带来活力，尤其是从学生喜闻乐见的生活实际出发，以图画、情境、过程展现出来，使学生亲身体验物理就在生活当中，物理就在我们身边，给学生提供充分动手操作，自主探索和交流的机会，让学生主动研究充满物理规律的实际问题，思维能力，情感态度等方面都得到进步。在创设情境中要注意情境的生活化、现实性。‎ 在高中物理常见的物理情境模型在力学中有碰撞模型、反冲模型、子弹打木块模型、皮带运送模型、弹簧模型等，在电学中有带电粒子在电场中运动模型、带电粒子在磁场中运动模型、带电粒子在复合场中运动模型、金属棒运动切割磁感线的模型、金属框穿过磁场运动的模型等等。下面以“碰撞模型“教学为例来说明如何构建物理情境的模型。‎ 第一阶段具体讲述碰撞的基本定义和所含有的物理规律。物理学中出现的“碰撞”是指两个物体间碰撞力极大而碰撞时间极短的作用过程，相碰撞的两物体作用时间虽然很短，但作用力很大，所以它们相互作用的冲量不可忽视，两个物体的动量因而都要发生变化，在它们相互作用的极短时间里，一般重力、摩擦力（特别大的力除外）在这样短的时间里可以忽略不计，所以我们可近似地认为一切碰撞过程中，相碰物体组成的系统总动量守恒。碰撞的形式主要分为：（１）弹性碰撞，又称完全弹性碰撞。在这个过程中，无能量损失，故遵循动量守恒定律和机械能守恒定律。（２）非弹性碰撞，有一定的能量损失，故机械能不守恒，而系统动量守恒。（３）完全非弹性碰撞，碰撞时能量损失最大，但仍遵循动量守恒定律，机械能不守恒。‎ 第二阶段为了让学生对碰撞模型有感性认识，抛出碰撞模型（一）初级资源，让学生从最简单的碰撞情境出发做了解。‎ 第三阶段理解碰撞模型在应用时要注意与一些实际的限制性条件结合起来，抛出碰撞模型（二）中级资源的相关问题。‎ 第四阶段如何在一些运动情境并不很清晰的实际问题的基础上提炼出碰撞的情境并构建出碰撞模型来，即自己创建模型来解决实际问题。这才是教学中最重要的环节，最能体现学生建模能力的环节。‎ 通过以上几个层次的理解和逐步练习，让学生对碰撞情境的模型的特征及其相关的物理规律了如指掌，解决问题时完全可以达到触类旁通的境界，学生对建模的兴趣和积极性也就被激发出来了。‎ ‎４、对物理实验建模。‎ 实验是物理学的基础，真实实验是一种可实现的、科学的实践活动，其目的在于获得物理思维的材料，检验物理理论或假说是否正确；理想实验也叫“假想实验”，是人们在真实实验的基础上，在理想或极端条件下，充分发挥想象力，利用逻辑推理又辅助以形象变换的思维过程。是物理学家源于自身经验而又超出自身经验的一种高级思维活动，它以实践为基础，是在科学实践的基础上，对实际研究过程中出现的问题进行辩证的、深入的、十分抽象的思维。根据理想实验的结果，对某种看法或断言作出检验或评判，有时还能得出一些新的物理规律，而不必顾虑技术上的困难。例如著名的伽利略理想实验：AB、CD是光滑的、无阻力的理想斜面。当小球从高为H的光滑斜面AB上滚下，滚到对面一个光滑斜面CD上时，不论CD斜面的坡度如何，它总会滚到相同的高度H上。如果CD斜面的坡度越来越小，则小球将越滚越远，当这一光滑斜面CD放至水平位置并无限远伸时，那么小球将永远不能达到H这一高度，它将以到达斜面AB底端的速度一直沿平面无止境地运动下去。后来牛顿从该理想实验出发总结出牛顿第一定律，从而也就推翻了自亚里士多德以来一千多年里关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的观念，为近代力学的建立奠定了基础。‎ 四、结束语 笔者在这几年的教学中重视物理模型的构建和建模意识的培养，自觉效果不错，首先是大部分学生感觉在学习中不仅仅是只记住一些零碎的、片面的概念、原理，而是获得结构化的、整合的知识，使学生对纷呈复杂的物理现象、物理问题形成多角的、丰富的理解，从而使他们在面对新问题时，能灵活利用它们解释新现象，想出好办法，形成解决各种问题的程序。其次，对周围生活的实际问题建立物理模型大大激发学生对物理的兴趣和探索自然的欲望，这样也就提高了学习的质量，使学生建构真正的、有效的知识。另外，在培养学生构建物理模型的过程中，物理思维的训练也就潜移默化地进行着。‎ 我想引用2020年6月毕业的一个学生在高考结束后的暑假聚会中跟我说的一段话：“物理老师，我现在想不起什么物理题了，只记得几个物理的模型，那就是，弹簧弹来弹去，滑块在斜面上滑来滑去，子弹与木块碰来碰去，带电粒子在电磁场中飞来飞去。”实际上，他记得的就是几个典型的物理模型。我想，这就是物理思维的表现，够了！ ‎