物理模型思维能力及其培养

物理模型思维能力及其培养物理模型思维能力及其培养 专业 物理教育 姓名 蒲志杰 学号 412410100003 摘摘 要要 物理是一门应用学科 随着物理教育的逐年改革 教学研究越来越 重视对学生创造性思维能力的培养 物理模型思维是物理思维的主要形式之一 建立和正确使用物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力 同时有助于 学生将复杂的问题简单化 使抽象的问题形象具体 突出事物间的主要矛盾 还对学生的思维能力和解题能力有很大的帮助 关键字关键字 物理模型思维 常用模型 抽象思维 思维培养 引引 言言 物理源于生活又用于生活 在物理学习中 学生不仅能获取知识 更能从科学宝库中汲取思维营养 加强科学思维方法的训练 而物理模型在实 际问题和物理问题间起到了桥梁作用 常见的物理模型有 质点 点电荷 光 滑平面 钢体 热学的绝热容器 弹簧振子 理想气体模型等 一一 可以简化和纯化物理问题的处理 可以简化和纯化物理问题的处理 在研究地球绕太阳公转的轨道问题时 由于地球和太阳的平均距离 约为 1 496 108千米 比地球的半径 约为 6370 千米 大得多 地球上各点相对 于太阳的运动可以看作是相同的 即地球的形状和大小可以忽略 在这种情况 下就可把地球直接作为一个 质点 来处理 所以 通过建立物理模型 可以简化研究对象及其所处的状态和发展变化 过程 大大地方便了对物理问题的处理 二 可以帮助建立 证明物理理论二 可以帮助建立 证明物理理论 素质教育提倡学生进行自主探究 发现问题 解决问题 培养学生的思维 动手 合作能力 在这其中的一重要过程就是要对某一理论提出猜想 接着建 构模型 搜集证据 论证结果 由学生自己归纳出结论 例如 在学习 分子 时 因分子是属于微观世界的 它看不到摸不着 不可感知 在教学中困难度很大 学生们很难理解 但通过引导学生观察身边 可感知的事物 如教室四周 课桌椅等 设问 它们是否还有更小的结构了呢 这又叫什么 再通过观看由小到大的 二极管发光字 十字绣 发现物体 是由颗粒组成的 是不连续的 并让同学们用放大镜自己观察黑板上的粉笔字 验证 接着设置几个实验 高锰酸钾溶于水 红墨水实验 搜集了一系列 证据得出了物质是可分的 如果在这一节课中不建立物理模型讲解 即使用传统教学法 整节课就会 变得枯燥无味 学生只是纯粹一味的在接受知识 他们无法真正理解 太抽象 了 无法感知 更不用说用语言描述出来 因此 引导学生真正认识和理解甚 至于去建立 物理模型 不仅能使学生更好地学好物理 还能培养学生的创 造性思维和创新能力 是学好物理的一个不可多得的途径 三 有利于发挥想象力和物理抽象能力三 有利于发挥想象力和物理抽象能力 物理学的学习与研究活动都表明 从宏观世界中天体的运行到微观世界中 分子原子 基本粒子的运动 以及大量电磁现象 光学现象及过程一般都比较 复杂 无论是探索和揭示复杂的物理现象和物理过程的本质规律性 还是解决 处理复杂的实际物理问题 只有采用适当的物理模型来分析 才能有效发挥物 理抽象思维的作用 如卢瑟福原子核式结构模型 先让学生观察图形 中间的 表示原子核 外围的表示电子在那一范围运动的概率 在讲到原子核半径很小 它的数量级只有 10 13米时 引入如果将它与乒乓球相比仅仅似一个针尖 若与 地球相比 就似一个乒乓球 学生们都睁大眼睛 很惊讶 表明他们在思考 发挥自己的想象力去感知其大小 若不建立这一物理模型 再小的数字对学生来说都是空洞的 记住这一数 量级并不难 但物理教学不是纯粹的记忆知识 而是理解 培养学生发散思维 让他们自己消化 从而形成概念 发现规律 四 物理模型在中学教学中的应用四 物理模型在中学教学中的应用 1 理想化物理实验 如 为牛顿第一定律的产生奠定了基础的伽利略实验 2 建立模型概念 理解概念实质 如质点 刚体这些概念学生在理解时很难把握其实质 而建立概念模型则 是一个非常有效的途径 3 认清条件模型 突出主要矛盾 条件模型是将许多次要因素舍去 抓住条件中的主要因素研究问题 从而 达到化难为易的目的 比如 在研究碰撞过程中的动量守恒这一问题时 就考 虑到碰撞时间极短且外力远远大于内力 因此将外力可以忽略不计 从而动量 就守恒了 这样既简化了过程 研究也方便了 4 构造过程模型 建立物理图景 比如 在研究平抛时可以建立如下的过程 质点在水平方向不受力的作用而 做匀速直线运动 竖直方向受重力作用做自由落体运动 分别对水平和竖直方 向分析之后再合成 即找到质点终态的速度大小及方向 可见 对过程建模不 但使问题简化还可以培养学生的思维能力 5 使具体问题普遍化 如在推导液体压强公式时 建立液柱模型 只需要推导出液柱对其底部的 压强 便知此深度处液体向各个方向的压强 这里液柱的高度即为液体深度 其结论具有普遍性 五 对思维能力的培养五 对思维能力的培养 要想熟练地运用模型法解决实际问题 关键是在平时学习中是否在头脑中 建立准确 清晰的物理模型 是否有足够的物理模型积累 在中学物理教材中 绝大部分内容都是以物理模型为基础向学生传达知识的 1 需要以客观实在为原型 以观察 实验及已有的知识经验为基础 1897 年汤姆生发现了电子 他根据原子是电中性的这一已有的知识经验 提出了原子的正电子球模型 卢瑟福又根据他的 粒子散射实验提出了原子的 有核结构模型 1913 年玻尔在卢瑟福原子模型基础上 把已有的普朗克的量子 理论运用到原子系统上 提出了玻尔原子模型这些都说明要建立物理模型必须 以观察 实验和已有知识经验为基础 在课堂教学中还可加实物 图片 活动挂图等的展示 进行实验教学 加 强感性认识 如在讲到 宇宙由物质组成 物质由分子构成 分子又有单分子 和双分子之分 分子由原子构成 原子又包括原子核和电子 原子核由带正电 荷的质子和显中性的中子构成 后来盖尔曼还提出了存在 夸克 这一粒子 它组成了质子 这么一连串的知识 学生们听得都混了 这可以通过画一幅 结构图 分别一层一层的展开讲解 建立图形 并加带的实物 可自己搭的水 分子结构模型 氧气模型等 水由水分子组成 氧气由氧分子组成 则学生不 难观察出水分子有两种原子组成 即氢原子和氧原子 物理学中称这种由两种 或两种以上的原子组成的分子为双分子 而氧分子仅有一种氧原子组成 即单 分子 接着观察石墨 金刚石 足球烯模型 思考属于哪类分子 由上可知观 察 实验是建立物理模型 更好地理解掌握知识的基础 我们要在平时的教学 中加强这一部分 当然教师一定要设计好实验目的 有针对性地进行实验 2 多利用类比模型 课堂教学中还有一个不可缺少的就是类比模型 因为有些物理现象 规律 我们无法直接展示给学生 这时如果我们用学生头脑中已有的物理模型作类比 可以帮助学生建立新的合理的物理模型 在讲到 分子间的作用力 时 其引力和斥力是同时存在的 但有时引力 大于斥力 有时引力等于斥力 有时引力小于斥力 教学中为了让学生形象地 理解这一知识 我设计了 拉伸弹簧 这样一个物理模型作类比 一弹簧的两 端各有一个小球 当弹簧处于自然状态时 相当于分子处于平衡位置距离 引 力等于斥力 当弹簧被拉长时 相当于分子距离大于平衡位置距离 松手后 两小球相互吸引 原因是吸引力大于排斥力 作用效果表现为吸引力 当弹簧 被压缩时 相当于分子距离小于平衡位置距离 松手后 两小球相互排斥 原 因是吸引力小于排斥力 作用效果表现为排斥力 在这个讲解中还得注意到学 生已有知识 他们还没学力学 所以只能通过现象及建立的类比模型进行分析 帮助学生理解吸引力与排斥力是同时存在的 3 抽象思维 抓 主 撇 次 例如在 探究二力平衡的条件 时 先提出猜想 其次建构模型 进行实 验 再归纳总结 在模型中 采用了正方形小卡片 在对角线的两端分别挂一 条细线 通过绳子控制力的方向 两端挂的钩码的多少来控制力的大小 这些 都是主要因素 对于小卡片 它不仅受到两端绳子对它的拉力还有重力 但在 这一物理过程中 小卡片的重力与所受绳子对它的拉力相差很大 可忽略不计 撇去次要的 建立一个物理模型进行分析 学会运用物理抽象思维 对由观察 实验所获得的感性材料进行比较 分析 综合 归纳和概括 抽象出反映事物 主要因素和本质特征的物理模型 4 发现规律 分析处理和解决实际的物理问题 在自由落体运动模型 用闪光照相的方法拍下物体在横空玻璃筒中的自由 下落过程 通过研究发现 在相等的时间间隔里 小球下落的位移越来越大 表明小球的速度也越来越大 即小球在作加速运动 如果再定量测量计算小球 在相等时间内的位移会发现 自由落体运动是初速度为零的匀加速运动 且加速 度就是重力加速度 g 5 在概念和规律中培养学生的模型思维能力 物理模型是物理规律和物理理论赖以建立的基础 在概念规律的教学中 充分发挥教材中所提供的物理模型素材的作用 培养和训练学生的物理模型思 维 运用形象化的物理模型帮助学生理解和掌握知识 发展物理模型思维 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 如在连通器的教学中 可以让学生观察茶壶锅炉水位计等的特点 引导 学生分析 比较这些物体间的差异和共同点 找出它们的共性 上端开口 底 部连通 进一步建立起连通器的物理模型 同样在研究简单机械时 可以列举 生活当中的多种工具或器械 有的是直的 有的是弯的 有的固定点在一端 有的固定点在中部 但它们都有共同的特征 是一根硬棒 在力的作用下能围绕 固定点转动 进而抽象出 杠杆 这一物理模型 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 6 在习题教学中培养学生的建模思维能力 在解题过程中 有心的同学熟练掌握了这些物理模型 就可将一些看似复 杂的物理情景化解为简单模型的组合 灵活简便地解出难题 可谓熟能生巧 具有较高的领域技能 而没留心的同学只会根据最基本的概念规律去推证 结 果费时费力 即使得出了结果 心中对那些物理情景仍不是很清楚 不能留下 深刻的印象 更谈不上触类旁通 温故知新 所以在习题课教学中中 要指导 学生会运用物理模型分析和解答实际的物理问题 在解决问题中培养与训练学 生的物理模型 其基本程序 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 我们平常碰到的一些物理习题 就是依据一定的物理规律 物理模型精心 构思设计而成的 只要找到事物间的联系 就可迅速找到解决问题的途径 因 此较好认识基本规律模型显得犹为重要 结束语结束语 总之 物理模型 在教学中占有很重要的地位 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 这种建 立 物理模型 的思维过程以及运用 物理模型 建立概念的基本方法和思路 将是每个掌握者享之不尽的财富 自然界中的任何事物都与其他事物存在着千丝万缕的联系 并且还处在