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建模能力在物理教学中的培养初探

 

【作者】 石磊祥

【机构】 山东省郯城县第三中学

【摘要】

【关键词】
【正文】随着新课程标准的执行,在中学物理教学中,培养学生的探究精神和创新意识越发显得尤为重要,而这一切又离不开物理建模能力的培养。如何帮助学生理解各种形形色色的运动,建立起物理模型,并能运用到解决实际问题中去,是中学物理教学重点,也是难点。因此我们在执行新课程标准时,一定要注重指导学生多关注社会、观察自然现象、关心科技动态、联系生活实际去拓宽视野,发挥想象和创新的潜能。联系实际的对象包括自然现象以及科学实验中、现代生活中的各种实际问题。解决这类问题的关键是要善于挖掘出实际问题的本质内涵,进行模型化处理,把不熟悉的问题转化为熟悉的问题,再注意知识和方法的灵活应用,问题就迎刃而解。
  一、中学常见的物理模型的种类
  物理模型是物理思想的产物,是科学地进行物理思维并从事物理研究的一种方法。就中学物理中常见的物理模型,可归纳如下:
  (1)对象模型。物理中的某些客观实体,如质点,舍去物体的形状、大小、转动等性能,突出它所处的位置和质量的特性,用一有质量的点来描绘,这是对实际物体的简化。当物体本身的大小在所研究的问题中可以忽略,也能当作质点来处理。类似质点的客观实体还有点电荷、弹簧振子、单摆、理想气体、理想电流表、理想电压表等等。
  (2)条件模型。当研究带电粒子在电场中运动时,因粒子所受的重力远小于电场力,可以舍去重力的作用,使问题得到简化。力学中的光滑面;热学中的绝热容器、电学中的匀强电场、匀强磁场等等,都是把物体所处的条件理想化了。
  (3)状态和过程的模型。例如,力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞;电学中的稳恒电流、等幅振荡;热学中的等温变化等等都是物理过程和物理状态的模型。
  (4)理想化实验。在实验的基础上,抓住主要矛盾,忽略次要矛盾,根据逻辑推理法则,对过程进一步分析、推理,找出其规律。例如,伽利略的理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础。
  (5)物理中的数学模型。客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到它们的表现形式。在建造物理模型的同时,也在不断地建造表现物理状态及物理过程规律的数学模型。当然,由于物理模型是客观实体的一种近似,以物理模型为描述对象的数学模型,也只能是客观实体的近似的定量描述。
  二、 物理模型在教学中的运用
  1 建立模型概念,理解概念实质
  概念是客观事物的本质在人脑中的反映,客观事物的本质属性是抽象的、理性的。要想使客观事物在人脑中有深刻的反映,必须将它与人脑中已有的事物联系起来,使之形象化、具体化。物理模型大都是以理想化模型为对象建立起来的。建立概念模型实际上是撇开与当前考察无关的因素以及对当前考察影响很小的次要因素,抓住主要因素,认清事物的本质,利用理想化的概念模型解决实际问题。如质点、理想气体、点电荷等等。学生在理解这些概念时,很难把握其实质,而建立概念模型则是一种有效的思维方式。
  2 认清条件模型,突出主要矛盾
  条件模型就是将已知的物理条件模型化,舍去条件中的次要因素,抓住条件中的主要因素,为问题的讨论和求解起到搭桥铺路、化难为易的作用。例如,我们在研究两个物体碰撞时,因作用时间很短,忽略了摩擦等阻力,认为系统的总动量保持不变。条件模型的建立,能使我们研究的问题得到很大的简化。
  3 构造过程模型,建立物理图景
  过程模型就是将物理过程模型化,将一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。例如,为了研究平抛物体的运动规律,我们先将问题简化为下列两个过程:第一,质点在水平方向不受外力,做匀速直线运动;第二,质点在竖直方向仅受重力作用,做自由落体运动。可见,过程模型的建立,不但可以使问题得到简化,还可以加深学生对有关概念、规律的理解,有利于培养学生思维的灵活性。
  4 转换物理模型,深入理解模型
  通过对理想化模型的研究,可以完全避开各种因素的干扰,在思维中直接与研究对象的本质接触,能既快又准确地了解事物的性质和规律。例如,建立起“单摆”这一理想化模型后,理解了单摆的周期公式,可以解决类似于单摆的一系列问题:在竖直的光滑圆弧轨道内作小幅度滚动的小球的周期问题;在竖直的加速系统内摆动的小球的周期问题;在光滑斜面上摆动的小球的周期问题。
  在物理教学中,许多的物理定律和规律都是把实际的研究对象或物理过程抽象为理想化的物理模型,然后研究物理模型所涉及的物理量及其相互关系。由于物理试题是根据物理模型编拟出来的,所以解题时必须首先正确还原“物理模型”,并且能清晰地认识物理模型的本质特征。这样才能开拓解题思路,使学生举一反三,触类旁通,从题海中解脱出来。
  运用物理模型解题的基本程序:
  (1)通过审题,摄取题目信息.如:物理现象、物理事实、物理情景、物理状态、物理过程等.(2)弄清题给信息的诸因素中什么是起主要因素(3)在寻找与已有信息(某种知识、方法、模型)的相似、相近或联系,通过类比联想或抽象概括,或逻辑推理,或原型启发,建立起新的物理模型,将新情景问题“难题”转化为常规命题.(4)选择相关的物理规律求解。
  在教学活动中构建学生的建模意识实质上是培养学生的创造思维能力。要真正培养学生的创新能力,充分挖掘学生的主动参与和积极思维的意识,自觉地在学习过程中构建物理模型,利用“物理模型”培养正确的思维方法。“物理模型”的建立,是一种严密的正确的思维方法,分析好每个“物理模型”的建立思维十分重要[7]。教师们应引导学生品味物理建摸,培养学生物理思维。分析好每一个“物理模型”的建立思维固然重要,但更重要的是引导学生去领悟这种思维过程。所以,物理模型是培养学生创造性及诸多良好物理品质的好素材,充分科学地用足用活物理模型,给学生营造一个宽松的充分体现以“学生为主”的课堂环境,我们就一定能培养出一代具有创新能力的适合现代化建设的新的人材。
  • 【发布时间】2014/12/27 15:34:45
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