论高中物理教学中学生建模能力的培养

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 论高中物理教学中学生建模能力的 培养 摘 要：本文结合当前新课程改 革的形势和高中物理教学的特点，简要 介绍了物理模型的产生、类型及作用， 重点分析在高中物理教学中培养学生物 理建模能力的教学实践研究。主要调查 了学生对物理模型的掌握情况，针对克 服薄弱环节开展研究，并进行了教学实 践。 中国论文网 /7/view-12763796.htm 关键词：高中物理教学；学生建 模能力 ；物理模型 ；建模方法 与上届毕业生举行高三经验交流 会时，一位学生跟我说：“我现在想不 起什么物理题了，只记得弹簧弹来弹去， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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； 同时他们之间用一些动量守恒、能量守 恒的规律加以联系。 ”实际上，他讲的就 是将物理思维运用到实际问题的一种建 模思想。 高中课程的教学过程中大多数研 究的对象是一些物理模型，这些物理模 型既源于实践，又高于实践，在我们的 生活、生产、科技领域中带有共性特征， 具有一定的抽象概括性。在构建物理模 型的过程中，学生可以深刻理解学科知 识，形成科学的态度，掌握科学的方法， 提高分析问题解决问题的能力。我认为 做一个好老师并不仅是将课本知识的来 龙去脉讲得一清二楚，更重要的是如何 依据学生原有的认知结构，通过感觉、 知觉、想像、思维等形式，将物理概念、 理论、规律、科学品质等内化为学生解 决物理问题的能力。 一、建立物理模型能力的教学实 践 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 物理学中的知识点都是通过适当 建模获得的，教学实质是物理模型的教 学，熟悉并掌握这些常见的物理模型是 提高物理建模能力的基础。高中物理中 出现的质点、轻质绳、弹簧、点电荷、 理想气体、原子核式结构匀速直线 运动、匀加速直线运动、简谐振动等理 想化模型，它们不仅是重要的教学内容， 也是指导学生掌握建模的一般方法的好 素材。 教学中，充分展示每一物理量引 入的原因、得出的过程、它和要解决的 问题是如何关联在一起的，使学生准确、 全面地把握其物理意义；利用物理实验 引导学生去探究发现，利用图形图片、 电视录像、多媒体课件等现代教育技术 手段再现知识发生发展的变化过程，这 样就可以降低学生学习的难度，并将物 理学研究问题的方法和物理思想寓于情 景的建立和分析过程中，促进学生开展 分析问题的思维活动，自然地悟出其中 的道理和规律。在潜移默化的过程中， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 学生逐渐掌握分析物理过程、建立正确 物理情景和模型的一般方法，从而建立 出准确的物理模型。 案例 1：在电场强度这一概念的 教学中，首先抛出问题：如何描述电场 中各点力的性质？从而引出电场强度这 一概念；接着介绍得出这一概念的过程： 为了研究这一问题，需借助试探电荷受 力来分析（将同一试探电荷放在电场中 不同点，研究其受力情况；再将不同电 荷放入电场中同一点，研究其受力情况。 总结规律得出场强的定义） ；最后说明 它是如何反映电场中各点力的性质的， 使学生准确、全面地把握其物理意义。 教学中必须强化学生的模型意识， 使学生知道我们在物理学中研究的是理 想模型、是对客观世界的概括、理想化， 它能起到排除次要因素、简化研究对象 的作用。在每一概念、定律的学习过程 中，都要通过与学生的共同讨论，明确 它是适用于什么样的物理模型，在什么 样的条件下才有这样的模型；每一个模 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 型建立的基础是什么，条件做了哪些理 想化，具有什么特点。同时要比较这一 模型与实际情况的区别。因为物理模型 是从大量实际现象中总结、抽象出来的， 因此，一个物理模型通常对应了大量的 客观问题，当我们遇到新的物理情境， 但却是旧的物理模型时，要特别注意将 它讲清楚，使新问题纳入旧模式中。学 生通过这样不断的同化顺应同化， 认识不断提高，最终对物理模型的理解 才能不断地提高、深化、丰富，才能实 现所谓的“将一本厚的书读薄，再将这 薄的书变厚” 。 案例 2：构建自由落体运动模 型让学生先自学有关自由落体的教 材内容后提出以下问题并设计实验验证。 （1）人们通常是怎样看待自由 落体运动的？ 演示 硬币和白纸从同一高度 由静止开始同时下落，观察下落速度， 从表面上看得到结论， “物体越重，下落 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 得越快”。 （2） “物体越重，下落得越快 ”正 确吗？ 演示 将两张相同的白纸，一 张水平，一张竖直，从同一高度由静止 开始同时下落，观察下落速度，水平下 落的慢，竖直下落的快。显然“物体越 重，下落得越快” 是不正确的。 （3）影响物体下落快慢的因素 是什么？ 演示 取两张相同的白纸，将 其中一张揉成纸团和另一张白纸从同一 高度由静止开始下落，观察下落速度， 不难发现影响物体下落快慢的因素是空 气阻力。 （4）若减小空气阻力对运动物 体的影响会如何呢？ 演示 牛顿管中的物体下落， 将事先抽过气的牛顿管内的硬币与轻鸡 毛从静止一起下落，实验结果是二者几 乎同时落到牛顿管的下端，硬币落下有 声，眼睛可直接观察鸡毛下落，将牛顿 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 管放入空气再做实验情况就截然不同了。 结论：在初速度为零的实际落体 问题中有空气时，当物体的密度不太小， 速度不太大（高度不太高） ，空气的阻 力很小，可以忽略不计时，物体的下落 运动就近似看成是自由落体运动。 自由落体运动是一种理想化的运 动模型，通过模型的构建过程，学生可 以体会抓住主要因素忽略次要因素的理 想化方法，帮助学生建立起清晰的物理 情景，使物理问题简单化。 在建立物理模型能力的教学实践 过程中，要让学生掌握抓住主要因素、 忽略次要因素的理想化方法，同时还要 及时纠正学生的一些偏激理解，比如认 为理想化不够精确、脱离实际，对教师 导出的某公式所采用的近似方法表示不 可理解之类。我们要及时指出物理模型 的特点和功能，使学生深刻理解物理模 型的科学性和条件性。 二、识别物理模型能力的教学实 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 践 在解决实际问题过程中，能够迅 速准确地识别出题中涉及的物理模型， 并应用相应的物理原理及规律，是问题 能否得以顺利解决的关键。这种识别模 型的能力必须通过实际的培养和训练才 能掌握。 首先在物理课上，练 习中遇到与模型有关的问题时，要让学 生明白建立模型对解决问题所起的作用， 体会建立物理模型在物理学理论发展过 程中的意义。 案例 3：如图劲度系数为 k 的弹 簧一端固定于墙壁，另一端连着质量为 M 的物体，物体静止于光滑水平面的 O 点上，先有一质量为 m 的子弹以水平 速度 v0 射进且留在物体中，试问最少 需要多少时间物体又到达 O 点？物体的 最大位移是多少？ 此题对象比较多，有墙壁、弹簧、 物体、子弹，应以什么物体为研究对象 呢？可以通过如下的设问启迪学生思维： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 （1）子弹射入物体的过程做什 么运动？能否把子弹看成质点？为什么？ （2）从子弹开始射进物体到停 留在物体中这一过程时间如何？在此过 程中，弹簧的形变怎样？ （3）这一过程可以取什么为研 究对象？建立怎样的物理模型？为什么？ （4）以后应取什么为研究对象？ 此对象做什么运动？可以建立怎样的物 理模型？为什么？ 通过对问题的思考，领悟到子弹 射入物体的过程转动可忽略，认为子弹 射进物体的过程为平动，建立质点系统 模型，子弹从开始射进物体到停留在物 体中这一过程时间极短，弹簧的形变微 小到可以忽略，在此过程中，可取子弹 和物体组成的系统为研究对象，沿水平 方向系统所受合外力为零，系统的变化 为完全非弹性碰撞，从而可建立完全非 弹性碰撞过程模型。系统动量守恒， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 mv0=（m+M）v。又系统获得速度 v 的 过程很短暂，它们的位移微小到可以忽 略，故可以认为系统虽已具有速度 v 但 还处在平衡位置 O 点处。此后，选取子 弹、物体和弹簧组成的系统为研究对象， 忽略弹簧质量、空气阻力与摩擦力，建 立弹簧振子模型；振子从平衡位置 O 处 以速度 v 向左运动的过程，满足简谐运 动模型。故由简谐运动周期公式使问题 得以解答。 其次建立物理模型必须与所研究 的问题相对应。同样一个物体，在研究 不同问题时，对它所建立的物理模型不 同。 案例 4：一根杆，在研究杠杆平 衡时将它视为传递力的作用效果的工具； 在研究它平动时，可视为质点；在研究 它的转动时，又被当作刚体；研究其小 角度摆动时，可作为复摆。这是因为研 究问题的角度和要求不同。 案例 5：在温度不太低、压强不 太大的情况下，实际气体可当作理想气 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 体来处理，运用理想气体状态方程来解 决问题；但在低温和高压的情况下，必 须考虑气体分子之间的相互作用力，应 用范德瓦尔斯方程解决问题；在新的温 度、压强条件下，又必须建立新的模型， 使用新的方程。 同样地对于同一个物理过程，可 以建立不同的过程模型，而这几种过程 模型可能都不能完全符合实际情况，此 时需要选择一种最接近实际情况的模型 作为一级近似。 对于同一自然现象，研究的角度 和着眼点不同，可以成为不同的物理模 型，甚至包含多个物理模型。为顺利解 决问题要透过现象还原出这些物理模型； 同时要注意把一个实际问题抽象成什么 样的模型，不是以外貌相似为依据，而 要具体问题具体分析，关键是要对各种 模型的成立条件十分清晰，一旦题目满 足这种条件，如若需要，则可抽象出该 模型，并根据不同模型、不同阶段的过 程，正确运用相应的物理规律。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 三、应用物理模型能力的教学实 践 物理模型的建立，是人们认识和 把握自然的一个典范，是前人的一种创 举。对物理模型的认识和理解也是一个 创造性的过程，同时又是一个培养学生 创新能力的过程。重要的是在掌握了构 建物理模型方法的基础上，还要在解决 实际问题的过程中，学会独立自觉地通 过应用物理模型，抓住主要因素，简化 物理过程，使物理情景形象化，从而培 养其创新精神。 案例 6：为研究静电除尘，有人 设计了一个盒状容器，容器侧面是绝缘 的透明有机玻璃，它的上下底面是面积 A=0.04m2 的金属板，间距 L=0.05m， 当连接到 U=2500V 的高压电源正负两 极时，能在两金属板间产生一个匀强电 场，如图所示。现把一定量均匀分布的 烟尘颗粒密闭在容器内，每立方米有烟 尘颗粒 1013 个，假设这些颗粒都处于 静止状态，每个颗粒带电量为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 q=+1.010-17C，质量为 m=2.010- 15kg，不考虑烟尘颗粒之间的相互作用 和空气阻力，并忽略烟尘颗粒所受重力。 求合上电键后： 经过多长时间烟尘颗粒可以被 全部吸附？ 除尘过程中电场对烟尘颗粒共 做了多少功？ 经过多长时间容器中烟尘颗粒 的总动能达到最大？ 分析：这是一个电场中的带电粒 子加速运动在静电除尘实际问题中的应 用，解决问题的关键在于对所有烟尘颗 粒的运动建立模型，每个烟尘颗粒都作 初速度为零的匀加速直线运动，可以设 想容器中的烟尘颗粒从上到下分成一层 一层的颗粒层，每一层的烟尘颗粒的运 动完全相同，然后推广到它们是整体平 移的模型，这样，由点到面再扩展到整 个容器的空间，通过建立一个立体的模 型，学生就会对整个容器内的每个烟尘 颗粒的运动了然于心，问题也就迎刃而 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 解。 物理模型是有限的，而客观事物 是无限的，特别是中学物理，就需要学 生对旧模型进行转换、迁移、虚拟、发 掘题型的物理内涵，以创造新的或复合 的模型来解决相对比较复杂的实际问题。 为达到这个目标，需设计出有一定针对 性的补充强化练习，这类练习应经过精 心挑选，既要反映基本概念、基本规律， 又要能适应不同的学生的要求，以便学 生对模型的内涵能真正的理解，最终实 现提高学生自主学习、探究问题的能力 的目标。 案例 7：在讲带电体在电场中运 动时，为培养学生的思维转换能力，可 以如下题进行训练：如图所示，一条长 为 L 的细线，上端固定，下端拴一质量 为 m 的带电小球，将它置于一匀强电场 中，电场强度大小为 E 方向水平向右。 已知当细线偏离竖直方向为 时，小球 处于平衡状态，如果使细线的偏转角由 增大到 然后将小球由静止开始释放， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 则 应为多大，才能使细线在到达竖直 位置时小球的速度恰好为零。 此题如果想象人站在平衡位置， 等效类比小球在重力场中摆动，将简谐 运动的对称性模型