高中物理模型教学的理论与实践研究.pdf

四川师范大学 硕士学位论文 高中物理模型教学的理论与实践研究 姓名 何欣欣 申请学位级别 硕士 专业 课程与教学论 物理 指导教师 周晓林 20091010 中文摘要 高中物理模型教学的理论与实践研究 物理课程与教学论专业 研究生何欣欣指导教师周晓林 摘要 在中学物理教学中 有必要开展模型教学 这是因为传统的物理教 育注重知识的传授 不重视学生对知识的领悟过程 在这种教学模式下培养出 的学生知识掌握比较牢固 但是当遇到解决实际问题 进行探索性的工作时 就显得力不从心 不知如何下手 而且学生普遍认为物理既难学又没用 缺乏 对物理的学习兴趣和学习热情 而开展模型教学将有效改善这些问题 本文前两章就高中物理模型教学的现状 教师和学生对物理模型的教育观 和教学方法进行了分析 阐述了高中物理模型的分类及特征 物理模型教学的 含义 物理模型在教学中的地位和作用并从教育学 心理学在认知方面和问题 解决方面找到物理模型教学的理论依据以及在高中物理教学中实施模型教学 的重要意义 第三章调查问卷部分 对调查结果进行了分析 指出所反映的问 题 第四章从理论上探讨了在中学物理教学中开展模型教学的教学模式 其中 包括模型教学的教学目标 开展模型教学所要遵循的教学原则 实施模型教学 的基本教学环节和开展模型教学的教学措施 在教学措施部分 针对学生在建 立模型中的思维障碍进行了分类 同时寻找出了相应的对策 第五章从五个方 面阐述了物理教学中开展模型教学实践策略 最后是思考和总结 关键词 物理模型物理模型教学教学模式实践策略 A b s t r a c t T h e o r e t i c a la n dP r a c t i c a lR e s e a r c ho nP h y s i c sM o d e lT e a c h i n gi n S e n i o rH i g hS c h o o l M a j o r P h y s i c sC u r r i c u l u ma n dT e a c h i n gT h e o r y P o s t g r a d u a t e H eX m X i nS u p e r v i s o r Z h o u X i a o L i n A b s t r a c t T h e r ei san e e df o rc a r r y i n go u tP h y s i c sm o d e lt e a c h i n gi ns e n i o r p h y s i c st e a c h i n g T l l i si sb e c a u s et h et r a d i t i o n a lf o c u so np h y s i c a le d u c a t i o n k n o w l e d g e d on o ta t t a c hi m p o r t a n c et ot h es t u d e n t su n d e r s t a n dt h ep r o c e s s o f k n o w l e d g e I nt h i sm o d e ls t u d e n t sm a ya t t a c hs o l i dk n o w l e d g e h o w e v e r w h e n s o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m sa n dE x p l o r i n g d on o tk n o wh o wt os t a r t A n ds t u d e n t s g e n e r a l l yt h i n kt h a tp h y s i c sc l a s st h e r eW a sd i f f i c u l ta n du s e l e s s S t u d e n t sa r el a c k t h ei n t e r e s ti nl e a r n i n gp h y s i c s M o d e lo ft e a c h i n gw i l lb ee f f e c t i v e l ys o l u t et h e s e p r o b l e m s 1 1 1 也ef i r s tt W o c h a p t e r sa n a l y z eP h y s i c sm o d e lt e a c h i n gS t a t u sa n de d u c a t i o n t e a c h i n gm e t h o d s e x p o u n dt h ep h y s i c a lm o d e lc l a s s i f i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s m e a n i n g S t a t u so f p h y s i c a lm o d e l T h et h e o r e t i c a lb a s i st ot h eP h y s i c a lm o d e lt e a c h i n gh a sb e e nd e t e r m i n e di n t h ea s p e c t so fc o g n i t i o na n dP r o b l e ms o l u t i o nf r o mP e d a g o g ya n dP s y c h o l o g y C h a p t e rH Io ft h eq u e s t i o n n a i r eo ft h es u r v e yr e s u l t sa lea n a l y z e d p o i n t i n go u tt h a t t h ep r o b l e mr e f l e c t e d C h a p t e rI Vd i s c u s s e st h et h e o r yo fp h y s i c st e a c h i n g i nc a r r y i n gO u tt h e t e a c h i n gm o d e l T h e s ei n c l u d em o d e lt e a c h i n go b j e c t i v e so ft e a c h i n gm o d e l T h e p r i n c i p l e so ft h et e a c h i n gm o d e l f o l l o w e di nt e a c h i n g t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h eb a s i ct e a c h i n gm o d e lf o rt h et e a c h i n ga s p e c t sa n dt h et e a c h i n gm e a s u r e s I n t h ep a r to ft e a c h i n gm e a s u r e s t h o u g h td i s o r d e r so fs t u d e n t si nw e r ec l a s s i f i e d a t A b s t r a c t t h es a m et i m ef i n d i n go u tt h ec o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r e s C h a p t e rVd e s c r i b e d f r o mf i v ea s p e c t so fp h y s i c st e a c h i n gs t r a t e g i e si nc a r r y i n go u tm o d e lo ft e a c h i n g p r a c t i c e F i n a l l y c o n s i d e ra n ds u m m a r y K e yw o r d s P h y s i c a lM o d e lP h y s i c sM o d e lT e a c h i n g T e a c h i n gM o d e P r a c t i c eS t r a t e g y H I 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明 所呈交学位论文 是本人在导师周晓挞熬攫指导下 独立 进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果 对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律结果由本人承担 本人承诺 已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致 如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定 学校作为申请学位的条件之二 学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权 即 1 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供 检索 2 为教学 科研和学术交流目的 学校可以将公开的学位论文或解密 后的学位论文作为资料在图书馆 资料室等场所或在有关网络上供阅读 浏览 本人授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文 全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 何砍吹 磐醐 叩 讥 导师签名 签字日期 年y 月z f 日 第一章前言 第一章前言 1 1问题的提出 物理模型教学是课改对物理教学的需要 教育部提出 大力推进基础教 育课程改革 调整和改革基础教育的课程体系 结构 内容 构建符合素质教 育要求的新的基础教育体系 改变过于重视书本知识 死记硬背的现状 而 强调 培养学生搜集和处理信息的能力 获取新知识的能力 分析和解决问题 的能力以及交流与合作的能力 1 使我们所培养的学生 具有初步的创新精神 实践能力 科学和人文素养以及环境意识 具有适应终身学习的基础知识 基 本技能和方法 2 在物理教学中 要通过概念的形成 规律的得出 模型的 建立 知识的运用等 培养学生抽象和概括 分析和综合 推理和判断等思维 能力以及科学的语言表达能力 f 3 使学生 能运用所学的概念 规律和模型 等知识对具体问题进行具体分析 弄清物理过程和情景 明确解决问题的思路 和方法 逐步学会灵活地分析和解决问题物理模型教学是一种有效方法 通过 物理模型教学 将最基础 最典型的物理知识 物理问题及其研究方法介绍给 学生 引导学生思考 感悟 使学生体验概念的形成 探究规律的过程 掌握 探索物理问题的基本方法 使他们解决物理实际问题的能力得到有效提高 这 就是抓物理模型的教学 物理模型教学是全面推进素质教育的需要 物理学是一门基础科学 研究 物质运动的最一般规律 物质的基本结构及物质间的相互作用 它不仅是其他 自然科学和社会科学的基础 同时 也是应用学科的基础 离开了对物质运动 的最基本 最一般规律的研究 就不可能对高级运动形式进行研究 物理模型 本身就是物理知识的基本内容 模型方法不仅是物理学的基本研究方法 在自 然科学中也有着广泛的应用 而且还迁移到社会科学的研究之中 物理模型的 建立和应用 都与实际问题紧密相关 当我们将学生熟悉的 丰富多彩的实际 问题呈现在学生面前时 学生会感到很亲近 感到物理学与他们的生活密切相 关 可激发他们求知的欲 进而产生思考与解答问题的兴趣和欲望 因此 模 型教学在培养学生的科学素质方面可发挥其重要作用 物理模型教学是知识迁移与创新学习的需要 物理模型来源于实践 形成 理论 又反作用于实践 具有前瞻性 4 从某种意义上说创新学习就是对原有 繁一章蘸害 知识打破其结构 重新组合的过程 只有掌握了物理模型 才能培养建立物理 模型的能力 才能学活知识 中学物理教学大纲指出 教师在教学中要重视 科学态度和科学方法的教育 应该通过概念的形成 规律的得出 模型的建 立 知识的应用 培养学生分析 概括 抽象 推理 想象等思维 5 必 修课本在绪论中写到要求学生 除了学习物理知识之外 还要注意学习物理中 研究阀题的方法 物理模型化方法是物理学研究和物理教学中最基本麴科学 方法之一 积极引导学生建立清晰而恰当的物理模型 对于掌握知识 解决实 际间题及培养思维能力 都会起到至关重要的作用 高考改革总趋势是由知识 立意转为能力立意 要求学生能从大量文字中摄取信息 构建物理模型 如果 学生缺乏这种能力抓不住有效信息 不能建立恰当的模型从何谈起解题 所以 在平时的教学中应加强物理模型建立的培养和物理模型的应用 另外幽于应试教育很多教师总是让学生做那些已经讲好已知条件 已经建 好物理模型的练习题 缀少注意到提供一些没有经过加王的 最 原始捧的实 际问题让学生自已去处理 对于涉及生活实际 新的物理情景的试题 这些试 题都要求学生能根据题嗣的介绍 建立合适的物理模型 并进行判断 计算 而对于这一类问题 学生最头痛的就是不知道如何建立合理的物理模型 于是 就只能是乱套公式 将科学方法作为知识进行传授 而没有注意到科学研究方 法的培养 这就不剩于学生的全面发展特别是创造性地解决实际问题能力 这 一切与知识经济对人才的素质要求相差甚远 从我国科学教育的现状来看 迫 切需要研究物理模型化教学模式及通过模型教学 教学生如何建立物理模型和 应用模型 提高学生解决实际问题的能力 建构主义认为 知识不是通过教师传授得到 而是学习者在一定的情境郎 社会文化背景下 借助学习过程中其他人 包括教师和学习伙伴 的帮助 利用 必要的学习资料 通过意义建构的方式而获得的 6 在教学领域 借助于模型 方法进行知识传授 不仅符合学习者的认鲡规律 露虽行之有效 1 2 课题的研究意义 高中物理教材中无论哪一部分内容大都是以物理模型为基础向学生传授 物理知识的 物理模型既是中学物理知识的重要载体 通过对其进行分析与讲 2 第一章前言 解 使学生获得物理知识的一种基本方法 更是培养学生创造思维能力的重要 途径 正因如此 就很有必要在高中这个重要的学习阶段 在教学中进行物理 模型的研究并运用于教学实践 高中物理教学建模与运用的过程 实质上是教 育理论与教学实践相结合的过程 是教育观念转化为教学行为的过程中必不可 少的中间环节 1 7 物理模型教学可以使学生在认识模式上尽快地由具体运算 向形式运算转换 具体地说就是通过物理模型教学 使学生学会观察和分析物 理现象 能够进行归纳推理 演绎推理 能够根据问题建立起物理模型 应用 物理模型 进而最终解决问题 其中核心工作是帮助学生建立物理模型 峭J 物理学是一门研究物质最普遍 最基本的运动形式的自然学科 所有的自 然现象都不是孤立的 而是具有复杂的相互联系 这一方面反映了必然联系的 规律性 同时又存在着许多偶然性 从而使研究产生了复杂性 了使研究变为 可能和简化 先建立物理模型 然后在一定条件下 用于处理某些实际问题 物理模型是在抓住主要因素忽略次要因素的基础上建立起来的 它能具体 形 象 生动 深刻地反映事物的本质和主流 9 高中物理知识在内容 难度 能 力要求等方面都远超过初中物理知识 这些识又是大学物理的基础 物理模型 是中学物理知识韵载体 是物理思想的产物 在教学中对物理模型进行构建与 运用研究 具有较高的理论意义 高中物理不同于初中物理的不仅是知识内容 更主要的是体现在对学生思 维能力的培养上 前者是在后者的基础上引导学生由形象思维向抽象思维发 展 从而使学生的思维能力产生一个质的飞跃 所以 在高中课程的教学过程 中大多数研究的对象是 些物理模型 这些物理模型既源于实践 而又高于实 践 具有较强的抽象性和概括性 教师必须引导学生在学习时重视物理模型的 构建和运用 高中学生对物理有很浓的学习兴趣 但并不是所有学生就因此能 学好物理 实际上不少学生感到高中物理难学 一些学生对高中物理中的概念 规律掌握不准 理解不透 不会构建模型 建立物理图景 特别是在物理知识 的迁移运用方面和解决实际问题所采取的方法方面更凸显出学生对物理知识 把握的不足 概念和规律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 第一章蘸言 物理模型大都是以理想化模型为对象建立起来的 不少学生在学习物理知 识时 很难把握其实质 而构建物理模型则是一种有效的思维方式 高中物理 教学过程中对物理模型进行构建研究 有利予学生将复杂问题简单化 翡了化j 使抽象的物理问题更直观 具体 形象 鲜明 突出事物间的主要矛盾 从两 提高他们理解和接受新知识的能力 促进形象思维的发展 可以促使他们把复 杂的闯题化繁为篱 并畿挖出隐含因素 解决起来事半功倍 本研究中笔者试图通过在高中物理教学中运用形象化的物理模型 帮助学 生理解和掌握物理知识 发展和提高物理思维能力 引导学生运雳物理模型分 析和解答实际问题 能在解决问题中培养和训练学生的综合思维水平 每一个 物理问题及处理的过程 模型的建立 都离不开对实际问题的分析 只有在教 学中通过对物理问题分析研究的思路及物理模型的设计思路的具体 细致地教 学 高中物理教学中物理模型的构建与运用研究才能培养学生对较复杂物理问 题进行具体分析 区分主要西素和次要因素 抓往问题的本质特征 正确运用 科学抽象思维方法的优良作风和增强处理物理问题的能力 敌人云 崭得一鱼可饱一餐 得一渔则受用终生 所以 物理教师在完成 教学任务的过程中 一定要重视对学生建模意识的培养 将陌生 复杂 隐蔽 的物理问题转换成与此等效的熟悉 简单 明了的某种物理模型 帮助学生建 立起清晦的物理图象 只有这样 才能降低教学难度增强学生学习的京信心 才能使学生在解决物理问题时能清晰地构建出情景条件的物理模型 同时还潜 意识地培养了他们灵活思变 创造性思维的能力 可见在中学物理教学中开震 物理模型教学十分必要 1 3 中学物理模型教学现状分析 我国中学物理教学十分注重系统知识的传授 教师采用的教学方法基本上 是 翻授 耳听 笔演 学生与丰謇的物理现象积事实相互接触的祝会很少 更不会从物理现象和事实中概括 抽象出物理模型 这就难于透彻地认识物理 现象的本质和规律 学生则是被动的听众 成为知识的接收器 并没有主动地 参与教学中建立物理模型和应用物理模型活动过程 瞬前我国物理教学从教学方式上来看 课堂教学过于模型化 抽象化 在 4 第一章前言 讲解模型时常常是直接简单的把内容灌输给学生 对模型的建立过程 设计思 想的展现不够 总是企图在解题中完善学生对模型的认识 1o 在讲解过程中 虽然也讲一些实例 但由于多从单一角度分析或过分简化 学生仍未能将头脑 中的知识与实际问题很好地结合起来 从习题教学上看 题目往往只是给出简 化的物理对象 情景 多是 斜面 小球 光滑水平面 导轨 子弹射击木块 等等高度模型化 抽象化的东西 绝大多数习题缺乏生活气息 缺乏开阔的物 理背景 严重脱离实际 歪曲了物理学的本来面目 因此学生见到题目 常常 是不加分析便急于找公式 定理 试图通过单纯的运算求解 1 0 i 而物理模型 的应用能力 最主要表现恰恰就是能对物理对象 情景进行理想化的抽象 建 立相关的物理模型 进而解决问题 在课后 学生面对着绝对理想化和模型化 的题目 机械地重复着解题训练 结果是看做对了几道题目 得了多少分 对 应用物理知识和物理方法去建立物理模型和应用物理模型分析具体问题 解决 具体问题的能力不够重视 轻过程 重结果 1 3 1 教师对物理模型的传统教学观 传统的教师教育观 传统的教学 主要就是传授知识 教学中教师是主体 是知识的传授者 学生是从者 是知识的被动接受者 教师是教学中的权威 学生则是教学中驯化的对象 传统的课堂教学的教学模式主要受前苏联凯洛夫 的 组织教学一复习旧课一导入新课 讲授新课一巩固新课一布置作业 六 个环节教学模式影响 重视知识传授的系统性和教师的主导地位 以知识的传 播和技能的训练为主要任务 有明确的可操作程序 是机械而程式化的教育 缺乏生动活泼和乐趣 着眼于教师的教授 以教师行为为主体 教学目标就是 认知目标 传统的教学设计主要任务是传授知识 因此教师设计教学的中心任 务是钻研教材和设计教学过程 忽视了学生的主体性 研究重点在学生是否掌 握教材内容 难点在何处 以教材为中心来认识学生 教学过程的设计是程序 化 机械化的 教师的传统教学观 传统的教学设计和传统的教学模式决定了物理教学中 只注意物理知识的传授j 把物理模型当作一种知识内容传授给学生 使物理模 型成为一种僵化的知识呈现在学生面前 学生只有被动的接受 使学生知识结 5 第一章前言 构中只有简化后的僵化的物理知识 而在问题的处理上 学生缺乏对物理对象 和物理场景理想化处理的方法和能力 1 3 2 由传统的物理模型教学引起的思考 1 0 1 1 通过对传统教学的现状分析 以下问题应引起所有物理教师对物理模型教 学的思考 一 当前的物理模型教学模式是否符合学生的认识规律 物理模型是从具体的物理研究对象和物理现象中抽象出来的 物理模型的 教学过程实际上就应该是从具体事例中帮助学生概括 分析综合 抽象 物理 模型的过程 首先应尽可能地通过演示实验或学生实验让学生直接感知物理对 象或物理现象 使学生通过对物理对象和物理现象获得必要的感性认识 通过 演示实验等激发学生的学习动机 感知物理对象或物理现象 进一步促使学生 获得信息 引导学生自己对知识进行概括 仓U 设新情境 促使学生知识迁移 进一步使学生对知识进行操作和反馈 使知识和技能在学习中获得 I l z J 如果教师以讲授代替学生自己的思考 把物理模型直接教给学生 学生不能在 没有感知阶段的基础上进一步发展为以思维为主的心理活动的理解阶段 这是 与物理学习规律相违背的 不符合人的认识规律 因此 教师应按照物理模型 的认识规律 学生学习的认识规律组织教学 帮助学生正确学习物理模型 二 是否能给学生留下想象与思维的空间 传统教学强调 教师在物理模型的传授上 不仅要让学生 知其然 而 且要让学生知其 所以然 正是在这一思想的指导下 教师在课堂上 从问 题的提出 到解决问题的物理模型假设 到推理论证 再到结论 都由教师来 完成或由教师牵着学生的鼻子来完成 整个过程 要求二环紧扣一环 所有想 象和思维的空间都已被教师填充完毕 学生己毫无想象空间 只能被动地接受 只需牢牢的记住 从而扼杀了学生的想象和思维能力 也就失去了创新能力赖 以发展的基础 所以在教学中教师应给学生留出想象和思维的时间和空间 根 据物理模型教学内容的需要提出问题 调动学生的思维和想象能力 建立相应 的物理模型 寻找探索解决问题的途径和结论 让学生找出问题和物理模型之 间的猜测 假设和推理 1 1 3 这样 既锻炼和培养了学生的创新思维能力 也 6 第一章前言 发挥了学生的想象力和培养了学生的学习情感 使学生通过自己的思考 在老 师的引导和启发下 构建出物理模型 知道物理模型构造的来龙去脉 三 能否多给学生呈现相关的物理情景 许多的教育工作者在创设一种与学习内容相关的情景 增加感性认识 开 启学生心智方面做了大量的工作 也总结了许多有价值的经验 可这在实际的 教学中并没有为绝大多数的教师所效仿和接受 学生在课堂上看到的只是教师 的面孔和黑板 听到的是教师单一的声音 可利用的是书 本子和笔 教师越 来越象一个说书的演员 课堂与生活严重脱节 学生没有想象的原始生活资料 和基础 动手和实践更无从谈起 因此要求教师应千方百计地为学生创设一种 与物理模型教学内容相关的课堂教学情景 让学生获得足够的感性认识 比如 可以综合应用多种教学媒体 尽可能给学生提供操作和动手的机会 让学生在 一种情景中去学习 想象 推理 记录 整理等 从而提高学生的观察思维能 力 提高学习的兴趣 使学生的思维面更加宽广 让学生从情景中学习 从情 景中开始感知概括抽象出相应的物理模型 从而使物理模型成为学生自己脑海 中鲜活的知识 四 能否让学生做有价值的物理模型反馈训练 课后的反馈训练是课堂教学的拓展和延伸 为学生布置一定的作业是必需 的也是必要的 现在社会和学生所反对的是那种将课堂所认知的东西进行简单 的重复 以强化记忆为目的的作业 这种反馈训练 并没有经过教师的精心设 计 从而缺乏科学性 趣味性 启迪性 教师对作业的研究 应当纳入课堂备 课体系 要进行科学地选择和设计 而不是草率的 即兴的决定哪些题目 作 业可以是与课堂教学直接相关的物理模型内容 可以是与本科目间接相关的物 理模型内容 也可以是与其它学科结合的内容 形式可以是收集 分类 归纳 材料 可以是利用相应物理模型的思考 设计解决某一问题的方案 也可以是 应用物理模型的一道趣味游戏题目或一件制作 还可以是观察某种事物 找出 其特征 使课堂物理模型教学的感知 概括的抽象思维过程再现 也可以是物 理模型知识能力在新情景中的迁移训练 使学生思维能力充分提高 真正使学 生掌握知识和方法 7 第 章耱瑷攘型理论攘述 第二章物理模型理论概述 模型一词起源于拉丁文的 m o l d u l u s 其初始含义是样本 标准和尺度 粗略地讲就是为了某种特定的目的而对研究对象所作的一种简化的描述 模型 是人类认识自然的必要途径 也是理论思维的一种方式 在物理学的研究中 往往是先提出恰当的模型 然盾才能得出简明的运动规律 建立适宜的理论体 系 恰当麴模型 可以概括已知的事实 这些事实经一定酶理论联系在一起 得到统一的解释 而建立在可靠事实基础上的理论进一步又能预言新的事实 指导人们做出新的发现 虽然中学物理教材半分绍了较多的物理模型 僵未臻 确模型的分类 致使学生甚至部分教师认为只有质点 单摆 薄透镜 点电荷 等才是物理模型 关于物理模型 首先要理解其概念实质 2 1 物理模型的界定及分类 物理学是壶一系列原理相关联的物理模型组成的复杂潮络 物理模型是物 理学知识结构的基本单元 我们的学习是通过建立和使用科学模型来描述 解 释 搦示物理现象和规律的 在物理学习中我们经常会将物理图景 本质相近 的问题归为 类 并对他们的条件 过程进行合理的抽象 简化并归纳总结出 这类问题的研究模式 使这类问题的思维程序化 这就是物理模型 所以物理 模型是为了从事研究嚣建立的对原型高度抽象化 理想他的程序客体 裁研究 对象而言 常用的有 质点 刚体 理想气体 轻质弹簧 点电荷 点光源等 就研究过程而言 有 匀速直线运动 匀变速壹线运动 抛体运动 圆周运动 简谐运动 而由这些基本模型演变的物体的相互作用和运动模型就更多 例如 交加速运动模型 弹性碰撞模型 入船模型 追逐模型 发电机模型 原子结 构模型等等 物理模型既可以更普遍地描述阉一类阕题的物理规徨又可以蔼捷 地解决实际问题 例如 子弹打木块 这种模型 可分两种情况 种是予 弹未射穿本块 一种是子弹射穿木块 且两者戳不同速度运动 其实质都是作 用的双方在一对作用力 反作用力 系统内力 的冲量作用下 实现系统内物 体动量变化 动能变化和能量的变化 那么对于另外一个系统只要在某方向上 不受外力 或外力可忽略 该系统同样可以依上述模型求接 物理模型的方法是物理学中的理想化方法 在物理学中 不论是解决什么 第二章物理模型理论概述 样的问题 最关键的四个环节是 第一 要明确学习和研究的对象是什么 第 二 要明确学习和研究的对象处于什么状态 第三 要明确状态是如何变化的 即所谓物理过程是怎样的 第四 我们将用怎样的手段来解决这个物理问题 基于以上对解决物理问题的几点理解 我们把物理模型分为三类 即 第一 实物模型 它采用特质手段来反映客观事物 原型 相似关系的实体 如飞机 水轮机 电动机 火箭模型等 第二 模拟式的物理模型 使得一些不易感悟的物理对象变的具体 直观 形象 如电场线 磁感线 等势线等 第三 理想模型 它是根据研究对象和问题的特点 撇开 舍弃次要的 非本质的因素 抓住主要的 本质的因素 从而建立的一个易于研究的 能反 映研究对象主要特征的新形象 它是科学抽象与概括的结果 在物理学中到处 可见 理想模型是物理学的主要研究对象 它是物理规律和物理理论赖以建立 和发展的基础 在物理学中具有不可替代的作用 理想模型包括以下三种 1 对象模型 它是由具体物质组成 用来代替实际物体 且能代表研 究对象本质的实体系统 1 4 这一类模型在高中物理中最为常见如力学中 质 点 杠杆 轻质弹簧 单摆 弹簧振子等等 热学中 弹性球分子模型 理想 气体 绝热物质 单分子油膜模型 绝对黑体等 电学中 点电荷 试验电荷 绝缘体 理想电表二纯电阻 无限长螺线管 孤立导体 无限大的平行板 理 想变压器等等 光学中有薄透镜 光线 点光源 狭缝等 原子物理中 光子 自由电子 玻尔模型 汤姆逊模型等等 2 条件模型 把研究对象所处的外部条件理想化 排除外部条件中干 扰研究对象运动的次要因素 突出外部条件的本质特征或最主要的方面 从而 建立的物理模型称为状态模型 引入状态模型主要是为了简化对问题的研究 中学物理中各种系统亦都是状态模型 如保守力系统 忽略了一些非保守力因 素 如摩擦等 绝热系统 不存在系统内外的热交换 等等 实际上 在现实 世界中严格的保守力系统和绝热系统都是不存在的 3 过程模型 把具体物理过程理想化 纯粹化后所抽象出来的一种物 理过程 称为过程模型 自然界中各种事物的运动变化过程是极其复杂的 在 物理学研究中 不可能面面俱到 首先要分清主次 然后忽略次要因素 只保 9 第二章物理模型理论概述 留运动过程中的主要因素 这样就得到了过程理想模型 如匀速直线运动 匀 变速直线运动 匀速圆周运动 自由落体运动 斜抛运动 简谐运动 弹性碰 撞 完全非弹性碰撞 等温过程 等压过程 绝热过程 恒定电流等等 第四 理论物理模型 它是在观察 实验的基础上 经过物理思维 对某 一物理客体和研究对象的结构 相互作用 运动规律等所作的一种简化和具象 的描述 1 5 这种模型通常是以假说的形式出现的 因此也可称为物理假说 它能解释某些物理现象和实验事实 指明进一步研究的方向 能从某一方面反 应研究对象的特征 这样的理论物理模型在中学物理教学中经常被提到和采 用 如 哥白尼的 日心说 是对天体运动的一种简化描述 安培的 分子电 流假说 能够解释当时的磁现象和实验事实 牛顿的 微粒说 惠更斯的 波 动说 麦克斯韦的 电磁说 爱因斯坦的 光子说 使人们对光的认识由假 说变成事实 而 夸克模型 宇宙大爆炸理论 黑洞理论模型 则能激发 起学生探索物理奥秘的兴趣与激情 第五 问题模型 如 子弹打木块 球体模型 行星模型 等 这类模型以问题为核心 形成一种解决问题的一般方法 使处理问题的思路清楚 可化繁为简 化难为 易 同一问题 从不同角度可抽象成不同的模型 这种模型在教材中 般并无 明确提出 但在实际应用上却屡建奇功 有球车模型 滑块模型 传送带模型 类单摆模型 追击模型 小船渡河模型等等 对每 个的知识点都有对应的物 理模型 将多种变化的现象 过程 情景纳入相同的物理模型中j 有利于培养 学生的归纳能力 思维能力 解决问题的能力 从而提高学生的物理素质 当然以上对物理模型的分类并没有严格的界限 视研究问题的性质而定 2 2 物理模型的主要特征 一 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二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 如质点模型的建立 主要利用了抽象的方法 当然有形象思维参与 需要一定的形象作为依托 质 点模型是用一个没有大小 形状 而具有物体质量的点 具有抽象性 来代替实 l O 第二章物理模型理论概述 际物体 具有形象性 是抽象性与形象性的统一体 1 6 二 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 推理等一系列逻辑论证 建立相应的物理模型 因而具有 科学性 另一方面 物理模型来源于现实 又高于客观现实 是物理思维的结 果 在建立物理模型过程中除抽象思维外 还要利用形象思维和直觉思维方法 发挥创造性的想象力 而任何物理模型都只是对客观实际的一种近的反映 所 以 又具有一定的假定性 其正确性要靠实验来验证 正如恩格斯所说 只 要自然科学在思维着 它的发展形式就是假说 7 人们对自然界的认识不是 一蹴而就的 往往要在观察 实验 思维的基础上提出各种可能的猜测 进而 建立可能的物理模型 如 卢瑟福在a 粒子散射实验事实的基础上将原子与太 阳系模型类比 提出原子核式结构模型假说 它能成功解释a 粒子散射实验中 的大角散射现象 所以它具有科学性 物理模型的显著特点是摒弃了原型中影 响问题的各种次要因素 对研究对象作了极度的简化和纯化的处理 使得可以 通过研究模型来认识原形的各种本质特征及其必然的联系 然而建立物理模型 一定要遵循科学性与假定性统一的基本原则 亦即物理模型的建立应在不违背 物理学基本规律和实验事实的前提条件下 否则这种建立在假设基础之上的物 理模型只是一种形式上的简约 而在本质上却失去了它所包容的物理内涵 三 简洁性与美学性的统一 自然界是统一的 和谐的 随着物理学的发展和观察 实验材料的丰富 物理学家们越来越把对称 和谐 简洁 多样统一等看作是一个重要的哲学理 念 以此来指导物理学研究 即运用臻美法来研究物理学问题 臻美就是在创 造性思维过程中 按照美的规律 对尚不完善的对象进行加工 修改以至重构 的思维方法 在建立物理模型的过程中具有启发作用 往往使物理模型更简洁 是建立物理模型的基本思维方法 爱因斯坦正是应用臻美方法 追求光的波动 性与粒子性的统一 追求光的理论的简洁 和谐 大胆提出了光的波粒二象性 模型 成功地解释了光电效应的实验事实 同时 物理模型能简明扼要地揭示 物理问题 也体现了它的形式美 物理模型是知识与思维的产物 是知识与能 第二章物理模型理论概述 力的完美结合 体现了它的和谐美 随着学习的深入 对同一模型会有不同层 次的体会和感悟 会为它丰富的内涵所折服 体现它的内在美 2 3 物理模型教学的含义及其作用 物理模型教学是指对物理模型的内容 建立方法及应用的教学 以下简称 为模型教学 物理模型是物理学中重要的组成部分之一 纵观物理学史 物理 学的发展就是一个建立模型和新模型代替旧模型的过程 物理模型在物理学的 产生和发展过程中发挥了重大作用 所以对象模型 过程模型和理论模型是模 型教学的主干知识 而物理学中一个重要研究方法是建立物理模型 物理模型 的建立 既符合科学的研究方法 也是客观现实的一种反映 在模型教学 中 不仅要阐明正确模型的定义 还要阐明建立模型的方法 模型的应用 这是教 师课堂活动中的一项重要内容 物理模型在教学中具有如下重要的作用 1 8 2 3 1 物理模型是教师传播知识与学生获取知识的桥梁 翻开中学物理教材 我们不难发现没有哪一部分内容不是以物理模型为基 础向学生传达物理知识的 物理模型即是中学物理知识的一个组成部分 又是 中学物理知识的载体 通过对其分析和讲解 让学生了解物质世界的本质 是 教师在课堂上向学生传播知识常用的一种基本方法 同时也是学生获取知识的 重要途径 因此 物理模型是教师传播知识与学生获取知识的桥梁 2 3 2 物理模型有使教学过程简化的作用 中学物理教材中有许多物理知识比较抽象难懂 往往不易被学生理解和接 受 学生常感到问题复杂 学习起来困难 但通过采用模型方法来实施教学 能突出问题的主要因素 简化其次要因素 帮助学生建立起清晰的物理情景 揭示物理过程 达到疏通思维渠道 使物理问题由难变易 由繁变简的效果 2 3 3 物理模型有促进学生能力提高的作用 1 9 物理模型是抓住一些实际物理现象的主要因素 忽略次要因素而假设的一 种理想化的物理情景 力求摆脱具体细节 抽象出物理上本质的东西 学生通 1 2 第二章物理模型理论概述 常的情况是 不分主次 抓不住问题的本质 难以建立物理模型 或者不能把 实际问题与已建立起来的物理模型联系起来 导致无法正确解题 为此 在 教学过程中要善于引导学生建立物理模型 研究并讨论问题 培养他们创造 性地解决问题的能力 打开他们的视野 帮助他们建立解决问题的信心 教学中 通过对物理模型设计思想及建模过程的探究性学习 能培养学 生对较复杂物理问题进行具体分析 区分主要因素和次要因素 抓住问题的本 质特征 正确运用科学抽象思维的方法处理物理问题的能力 有助于学生思维 能力的提高 有助于学生掌握物理学的研究方法 2 0 例如 真空中 速度v o 6 4 X1 0 7 m s 的电子束水平地射入两平行金属板间 如 图l 所示 极板长度L 8 O x l O 之m 间距d 5 0 X1 0 3 m 极板不带电时 电子束 将沿两极板的中线通过 若在两极板间加5 0 H z 的交流电压u U s i n t 当所加 电压最大值U 超过某一值U 时 将开始出现以下现象 电子束有时间断 不能 通过 求U 的大小 T 亍 1 工三二 一芏 卜 叫 一 图1 解析 该题许多同学感到茫然 究其原因 在于未能通过合理的取舍 抓住 主要矛盾 因而也就无法把握题设的物理模型了 而事实上 电子所受的重力及 电子间的作用力就可以忽略 更为重要的是 电子通过两极板的时间 t L v l O 9S 而电压的变化周期T I O 之S 显然t T 这表明在电子通过两极板 的时间内电场的变化微乎其微 完全可以忽略 因此 在电子通过极板的时间内 电子的运动可看成平抛运动 图1 电子穿越匀强电场的运动 可见 如果我们 的头脑中一旦拥有 匀强电场 类平抛运动 这两个理想化模型 才会去分 析题中的数据 抓住主要矛盾进行思考 解题思路也就极其明显了 2 3 4 物理模型的思想教育作用 物理学中的每一个模型的建立与发展都蕴藏着丰富的哲学内涵 它是我们 第二章物理模型理论概述 在教学中对学生进行辩证唯物主义教育的好教材 例如在光的本质的教学中通 过光的波粒二象性模型说明矛盾着的两个方面即对立又统一 在对原子结构模 型的发展变化的学习中 引导学生理解真理发展的辩证关系 即真理是客观的 同时又是相对的 使学生认识到人类对客观世界的认识具有历史局限性 从而 帮助学生树立起正确的辩证唯物主义观点 2 4 教学的教育学 心理学的主要依据 2 4 1 心理学中有关问题解决的理论 一 问题解决的概念 问题解决是人在没有咀显的解决方法的情况下 将给定情境转化为目标情 境的认知加工过程 是有目的的认知活动 而非自动化的加工 6 而物理问题 解决的涵义是 面临一个具有一定新意的物理问题 力图寻找有关的概念 规 律 方法去解决这一问题的心理过程 1 2 二 问题解决的一般步骤1 2 2 J 思维总是体现在一定的活动过程中 主要是问题解决的活动过程中 问题 解决是思维活动的普遍形式 问题解决过程是一个发现问题 分析问题 最后 导向问题目标与结果的过程 因此 问题解决一般包括提出问题 明确问题 提出假设 检验假设四个基本步骤 第一 提出问题 问题就是矛盾 发现问题就是发现矛盾的存在 并产生解决矛盾的需要和 动机 这是把社会的需要转化为个人思维活动的过程 发现问题是问题解决的 开端 也是问题解决的动力 只有发现问题 才能激励和推动人们投入问题解 决的思维活动之中 能否发现具有重大社会价值的问题 取决于多种因素 1 依赖于人的思维活动的积极性 2 依赖于人的认真负责的态度 3 依赖于人 的兴趣爱好和求知欲望 4 依赖于人的知识经验的丰富程度 第二 明确问题 所谓明确问题就是分析问题 抓住问题的核心与关键 找出主要矛盾的过 程 明确问题依赖于两个条件 1 依赖于是否全面系统地掌握感性材料 问 题总是在具体事实上表现出来的 只有当具体事实的感性材料十分丰富且符合 4 第二章物理模型理论概述 实际时 才能通过分析 综合 比较等 使矛盾充分暴露并找出主要矛盾 这 是明确问题的关键 2 依赖于己有的知识经验 知识经验越丰富 越容易分 析问题并抓住主要矛盾 越容易对问题进行归类 使思考具有指向性 便于有 选择地应用原有知识经验来解决当前的问题 第三 提出假设 提出假设就是在明确问题的基础上 对问题解决的具体方案提出假定和设 想 问题解决的方案常常是先以假设的方式出现 经过验证逐步完善的 假设 是人们推测 假定和设想问题的结论与问题解决的原则 途径 方法 假设的 提出是从分析问题开始的 在分析问题的基础上 根据问题的性质 问题解决 的一般规律及个人的知识经验 在头脑中进行推测 预想和推论 然后有指向 有选择地提出解决问题的建议和方案 即假设 方案是否符合实际 是否有利 于问题的解决 还有待于验证 假设的提出就为问题解决搭起了从已知到未知 的桥梁 假设的提出依赖于许多条件 己有的知识经验 智力水平 创造想象 力 直观的感性形象 尝试性的实际操作 言语表达和创造性构想等对其有重 要影响 第四 检验假设 检验假设是对假设进行验证的过程 它是问题解决的最后步骤 检验假设 的方法有两种 一种是直接检验 即通过实验和实践活动来检验 这是检验的 最根本 最有效的手段 例如 机器坏了 我们查找到原因 提出解决方案 进行实际维修 看一看某种维修方案是否解决问题 另一种是间接检验 即在 头脑中根据己掌握的科学原理 原则 利用思维对假设进行论证 对于那些不 能立即通过实践直接检验的复杂的假设常采用间接检验 例如 我们研制的卫 星 导弹 运载火箭等不可能一遍又一遍地进行直接检验 而是反复地进行间 接的理论论证 认为万无一失了再进行直接检验 实践是检验真理的唯一标准 任何假设的正确与否最终都要接受实践的检验假设 其结果可以有两种情况 一是假设与检验的结果符合 假设是正确的 二是假设与检验的结果不符合 假设就是错误的 这种情况下就要重新提出假设 正确的新假设的提出有赖于 对以前失败的原因进行充分的了解和分析 检验假设直到结果正确为止 三 影响问题解决的因素1 2 引 第二章物理模型理论概述 影响问题解决的主要因素有 问题情境 迁移 原型启发 定势 功能固 着 动机与情绪状态 个性特征 此外 人的能力 气质类型也影响对问题的 解决 2 4 2 建构主义理论 2 0 世纪6 0 年代初 瑞士心理学家皮亚杰的认知发展理论和美国教育家布 鲁纳的早期教育思想中就已包含有建构主义的思想 7 0 年代后期 前苏联教 育心理学家维果茨基的历史文化心理学理论被介绍到西方并广泛传播开来 它 同布鲁纳的发现学习理论以及奥苏伯尔的意义学习理论一起 为建构主义理论 的进一步形成与发展奠定了相当重要的理论基础 建构主义既强调学习者的认 知主体作用 又不忽视教师的指导作用 教师是意义