• 浅谈中学物理建模教学 不要轻易放弃。学习成长的路上,我们长路漫漫,只因学无止境。


    新世纪教育改革的纵深发展,旨在全面提高学生的素质,培养学生的科学素养,注重过程与方法,新课程改革正体现了这些观点。从科学思维的角度来看,模型的方法是贯穿于物理学各领域的一万博APP首页,万博APP网站,新万博客户端种经常使用的思维方法,在物理模型的构建过程中,学生能积极主动地参与构建的过程中。跟学生的交流中与对学生作业错误的统计中可以看出,很多高中生认为物理难学、物理题难做的重要原因之一是在学生大脑中缺乏系统的知识,不能有效地去建构物理模型。本文通过全面深入地对物理模型教学的研究,在一定程度上改变了一些教学观念,提高了教学效果。

    关键词高中物理;建模

    从物理学的角度看,所谓“建模”,就是将我们研究的物理对象或物理过程通过抽象化、理想化、简化和类比等方法形成物理模型。它是一种重要的科学思维方法,通过对物理现象及其本质和内在规律的探索,达到认识自然的目的。如物理学中质点、点电荷、单摆、弹簧振子、刚体、光钱等,即是对物理对象的“建模”。匀速直线运动、匀变速直线运动、匀变速曲线运动、匀速圆周运动(非匀变速运动)、简谐运动、简谐波、热学的准静态过程等等,即是对物理过程的“建模”。那么,如何进行建模教学呢?

    一、注重审题建模,提高解决实际问题的能力

    新课改与新高考都非常注重物理知识与生产、生活实际的联系,要求学生通过对实际问题的分析,摒弃次要因素,抓住主要因素,建立物理模型,对学生灵活运用物理规律和物理方法解决实际问题的能力有较高的要求。如2010年高考理综物理试题的第15题中电工穿绝缘衣还是穿金属衣更安全的问题;第17题中水电站远距离输电的问题;第20题中宇宙飞船绕地球运行经历“日全食”的问题;第23题中涉及当前能源热点的光电池问题等,都涉及丰富的生产和生活实际,都需要通过严密的审题和建模过程才能解决。

    面对这样的问题,“题海战术”几乎完全失效,“解题技巧”似无用武之地。因此,在2011年的高考复习中,我们既要重视“招式”的学和练,更要重视本质化的审题和建模能力的培养,加强学生应用物理知识解决实际问题能力的训练,只有后者才是“无招胜有招”的更高境界。

    二、过程模型

    过程模型是指把具体物理过程纯粹化、理想化后所抽象出来的一种物理过程。如匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、竖直上抛运动、碰撞等。实际上大部分物理习题都与此有关,在教学中要熟知它们的特点、规律及这类问题的基本解法。特别是碰撞模型,更是前几年高考中常考的模型之一,要熟知碰撞特点和规律,实际上有许多物体间的相互作用的问题(如子弹打木块、一木块在另一木块上滑动等)都与碰撞类似,它们服从相同运动规律在速度相等时两者距离最小,系统弹性势能最大,系统动能损失最多;在两者分离时被碰撞的物体速度最大;碰撞整个过程满足动量守恒;弹性碰撞在碰撞结束时碰后动能与碰前动能相等;碰撞时间很短,一般认为还没有发生位移等。

    三、抽象法建立物理模型

    抽象法建立物理模型首先要根据问题的背景材料和要解决的问题,分析、抽象出哪些是与求解目标有关的主要因素,哪些是次要因素,然后通过想象,简化构造一个几何图案。

    例人的心脏每跳一次大约输送8×10-5m3的血液,正常人血压(可看作心脏输送血液的压强)的平均值约为1.5×104Pa,心跳约每分钟70次,据此估测心脏工作的平均功率约为多万博APP首页,万博APP网站,新万博客户端少。

    分析与解答“血压”是血液流动时对血管壁产生的压强,血液在血管中流动,主要靠心脏的跳动,心脏就像一台不知疲倦的“血泵”,通过血液对瓣膜的冲击力,维持血液在血管中不断地流动。处理这道题时,将每一次心跳输送的血液看成一段血柱,血柱对瓣膜的冲击力产生血压。根据恒力做功的公式,人的心脏每跳动一次所做的功为W=PSLN=PVN

    所以,心脏的平均功率为

    P平=W/t=PVN/t=1.5×104×8×10-5×70/60W=1.4W

    说明这道题从生物(医学)材料背景入手,分析血液流动的情景,应用圆柱体模型解决医学问题。

    通过以上实例的分析可见,将我们研究的物理对象或物理过程、情境通过抽象进行“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。

    四、图形建模

    首先要重视课本中对经典物理问题的图形模型的建立过程。它们在方法和思路上都具有很广泛的代表性,但学生往往只对公式或者结论感兴趣,对建模的过程却轻易地就忽视了,这也是许多刚刚开始学习高中物理的同学感觉“物理一听就懂,一做就错”的根本原因。其次,在例题和习题课中,对较为简单的图形,可引导学生相互讨论、自主探索,对较为复杂的情况,教师既可以用设置悬念逐步深入的方法,也可以引导学生将复杂情况分解成若干简单情况来进行模型的构建。对于学生作图中出现的错误,不应当轻易放过,这正是反映了他们在构建模型过程中的思维误区和瓶颈,突破了这些误区和瓶颈,学生的建模能力就会得到较大程度上的提高。另外,随着技术手段的进步与展,在培养学生构建图形模型的过程中,我们还应该充分利用如投影仪、VCD、电脑及局域网等现代化教学手段,使图形模型的建立过程显得更加直观、有效。

    此外,正万博APP首页,万博APP网站,新万博客户端确构建物理模型应注意以下几点

    (1)养成根据物理概念和物理规律分析问题的思维习惯。结合题目描述的现象、给出的条件,确定问题的性质,同时抓住现象的特征,寻找因果关系,这样能为物理模型的构建打下基础。

    (2)理想化方法是构建物理模型的重要方法,理想化方法的本质是抓住主要矛盾,近似的处理实际问题。因此在分析问题时要养成比较、取舍的习惯。

    (3)要透彻掌握典型物理模型的本质特征,不断积累典型模型,并灵活运用它们。

    总之,物理模型是有限的,而客观事物是无限的。特别是中学物理,需要学生对模型进行转换、迁移、发掘物理模型的内涵,从而培养学生思维能力,提高解题效率,真正把学生从题海中解放出来,达到素质教育的目的。同时要克服思维定势,强化模型的可变性、灵活性和广泛性,防止产生模型的绝对化。

    参考文献

    1.吴江林.《高中生物课堂教学中“错误”的研究与实践》.发表于《教学月刊》,2005,12.

    2.彭小妹.《学生自主构建生物模型初探》.余杭区专题论文二等奖,2006,12.

    3.郑超.《如何引导学生有效地开展合作建模学习活动》.杭州市学会一等奖,2007,1.

    5.李宏斌.物理模型与图景教学研究[D].内蒙古师范大学;2004年.




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