中学物理教学中学生建模能力培养的实践研究

论文摘要：“科学的基本活动就是探索和制定模型”，建模对物理学的发展起着推动前进的作用，建模能力是学生物理能力的核心能力之一。本文通过“抽象、等效”建模，“假设、类比”建模和“简化、形象”建模的教学实践，探讨了中学物理教学中如何提高学生的物理建模能力，提出了若干建议。中学物理教学中学生建模能力培养的实践研究随着新课程标准的执行，及上海二期课改的实施，在高中物理教学中，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。我们知道物理学的研究对象遍及整个物理世界，大至天体，小至基本粒子，面对复杂具体的物体，研究它的形形色色的运动，是中学物理教学的重要内容之一。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。因此我们在进行二期课改物理教学时，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。从物理学的角度来看，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、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，能够较好培养学生抽象思维能力和创新意识。在高中物理教学中通过物理建模能力的培养，提高学生的抽象逻辑思维能力，是必须的也是必要的，同时物理学科对培养学生的建模能力也有着得天独厚的条件和优势，因为从物理学的发展历史来看，建模对物理学的发展起着推动前进的作用。如初期的托勒密的“地心说”和后来哥白尼的“日心说”，都是对天体运动的建模，是结构模型；早期的枷利略提出的匀变速运动是对运动过程的建模，是运动模型等等，“科学的基本活动就是探索和制定模型”，建模最能反映一个学生的抽象思维能力和素质。所以这要求我们在进行高中物理教学时要 授之以渔 ，切实加强对学生物理建模方法的指导。要使学生清楚地认识到，解题的关键在于从问题中抽象出模型，模型是联接理论知识和应用的桥梁，背景知识、实验事实和经验材料是构建模型的基础，而抽象、等效、假设、类比等则是构建模型的基本方法。下面仅就如何采用“抽象、等效、类比”等建立物理模型的方法，教给学生如何从材料中提取有用信息，然后转换成熟悉的物理图象、物理过程，建立起物理模型，从中寻找出解题规律，形成解题思路。一“抽象、等效”建模这种建模方法，就是采用忽略次要因数，突出主要因数，简化研究对象，将它等效成一个简单的几何模型。例。传说国外某餐店老板为了招揽顾客想制作一块1m3的特大豆腐，结果因豆腐瘫软而失败。其实即便是坚硬的岩石处在太高的山体底部也回瘫软。这是因为山峰高度到一定程度后，岩石基部压强过大，会发生熔化而开始流动的缘故。若每摩尔岩石熔化时吸收的热量为m，岩石的摩尔质量为。山体看做是均匀的圆柱体，当山高达极限高度H时继续增高一点就熔化掉一点，即不能再增高了，试从能量转化的角度写出山的极限高度H的表达式。设岩石的主要成分是SiO2（Si相对原子质量为28，O相对原子质量为16），SiO2的摩尔熔解热（即1mol的物质溶解成同温度的液体时所吸收的热量）为m=854J/mol，求山的最大高度H的值。分析：本题是将抽象的问题，采取忽略次要因数，突出主要因数，将山等效成一个圆柱体，当山达到极限高度后，它所增加的重力势能就转化为内能，由此就可得出解题思路。解：（1）设山的横截面积为s，岩石密度为，增加的质量为m 则 （2）SiO2的摩尔质量为u=（32+28）10-3=0.06kg/mol 所以 H=854/0.0610=1.45(km)教学建议：本题实际上是一个估算题，因此采用“抽象、等效”方法，建立“圆柱体”模型。再根据题干所给出隐含条件，理出解题思路。二. “假设、类比”建模 在运动和力的关系问题中，为了了解物体的运动性质和运动过程，往往要采用假设、类比的方法，并结合各种图象如：vt图；st图；构建物体的运动和力的关系模型，其中最常见的一种运动和力的关系模型是物体自静止开始在变力作用下作速度不断增大、加速度不断减小的变加速运动，当加速度为零时，速度达到最大，合外力等于零。 教学评议：运动和力的关系问题，是高中物理教学的难点，难点就在于对研究对象进行正确的受力分析和运动过程分析，因此利用图象搞清物体的运动性质，从而建立起运动模型，是比较有效的方法之一。三“简化、形象”建模 对于来源于现实生活中的有关运动信息题,若物体的运动过程非常复杂，不是我们最常见的几种形式的运动模型，则我们就必须注重对运动全过程的认识，以及对运动发展变化过程的分析理解，深刻理解题意，深挖隐含条件，利用图象，将抽象的物体问题形象化，简化物体的运动过程。更加真实、全面地再现和模拟现实,建立起物体的运动模型. 例.某电子元器件厂在设计新产品时，做了一个带电粒子在电场中运动的实验，相距为d的平行板A、B上加有周期为T的电压（如图b）。AB板中心各有一相对小孔P、Q。现从P孔连续不断地沿PQ方向质量为m，电量为q的粒子（重力不计），且粒子的初速度和相互之间作用力均可不计。从一个周期的开始时刻（即t=0时刻）计时，发现一个周期内（即t=T的时间内）到达Q点时速度为零的某粒子的进场时刻，恰好就是t=0时刻进场的粒子从Q中射出的时刻。（1）试确定AB板所加电压U的大小。（2）从t=0时刻起，一个周期内进入电场的粒子，形成有粒子射出电场的总时间，与电压周期T的比值是多少。分析：本题的运动过程非常复杂，每个带电粒子在电场中的运动情况都不完全一样，因此要想建立理想的运动模型，全面、真实的再现带电粒子的运动情况，就必须深入挖掘隐含条件，提取有用的信息，所以关键是认真审题、深刻理解题意，根据题意：设第m颗粒子在t时刻进入电场，它在电场中先做初速度为零的匀加速直线运动后做末速度为零的匀减速直线运动，到Q点速度为零。而第一颗粒子t=0时刻进入电场，在电场中做初速度为零的匀加速直线运动，经过t时间射出Q孔。全面了解了第一颗粒子和第m颗粒子的运动过程，就基本了解了所有粒子的运动情况，作出第一颗粒子和第m颗粒子vt图象，建立起运动模型，就找到了解题规律。 解：（1）依题意，t=0时刻进场的首颗粒子在电场中作匀加速运动，运动了t时间（且tT/2）射出电场；t时刻进场的第m颗粒子在电场中先做初速度为零的匀加速直线后做末速度为零的匀减速直线运动，因此其加速时间为，全程时间为由vt图象可知由（2）到达Q点速度为零的粒子，是最后一颗粒子能射出的粒子，同时第一颗粒子t=0射入，经过t时间射出，所以能射出粒子的总时间为2教学建议：本题粒子的运动过程抽象、复杂；利用图象可以简化粒子的运动过程，还可以将抽象的物理问题形象化，关于图象的应用，在上海近几年的高考物理试卷中越来越受到重视，因此，在平时的教学过程中，应注意对图象应用能力的培养。物理建模的方法很多种，物理模型也有很多种，其中运动模型因为描述物体的运动过程和运动性质，同时又阐述了运动和力的关系，是一种最重要的模型，掌握正确的建模方法，培养学生物理建模能力，是高中物理教学所必须重视的问题，因为物理模型是对基础知识的高度概括。而且具有典型性、方法性等特点，它集基础知识与基本规律于一体。物理模型不仅仅是知识