物理模型与中学物理教学的研究

1、本科毕业论文（设计）开题报告物理模型与中学物理教学的研究题目类型口理论研究，口应用研究口设计开发 口其他命题来源口教师命题 ,口学生自主命题口教师科研课题拟完成时间2013年4月1日一、选题依据及意义（不少于300字）物理学是研究自然界中物质的基本结构和基本运动的学科，由于物理学的特殊性，在传统的教学模式下，学生解答一般的物理的习题 还是不成问题的，但这样就把学生教条化，在遇到实际的物理现象时 候，学生可能力不从心，不知道如何下手。物理模型是物理规律和理 论赖以建立的基础，在中学物理，中学生所学习的每一条物理原理、 定理或定律都与一定的物理模型相联系。解决每个物理问题的过程， 都选用物理模型。

2、熟练使用模型方法是学生应该具备的基本物理素 质。在中学物理教学中如何引导学生对物理模型及其科学方法的正确 有效建立及其思维方法的掌握，直接关系到中午物理教学及学生学习 的成败。因此，物理模型的研究对于中学物理教学的理论和实践方面 具有重要的指导意义和应用价值。理论层面上 ，虽然有关物理建模的 研究较多，但因研究不同，整体研究物理模型教学的不多，通过研究 全面的中学物理模型教学理论，能够帮助整体把握物理模型教学。 实 践层面上，重视物理模型的建立过程，探讨了这一新模式的教学策略， 和教学流程，并给出了教学案例供参考。物理模型使物理问题简单化， 从而帮助中学生更容易改进学习方法， 增强学习能力，扩

3、展中学生物 理学习的深度和宽度，进而更好地提高中学生的科学素养。二、研究目标与主要内容（含论文（设计）提纲，不少于500字）1 .研究目标：近几年高考改革总趋势是由知识立意转向能力立意， 试题内容大多源于生产生活实际，面对这一类原始物理问题，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，因此抽象出合适的物理模型显得尤为重要。在新课程改革大环境下，现今的教育要求培养的人才具有创新能 力，而我国现阶段的物理教学中，对模型思维能力的培养往往忽略， 这就不利于学生掌握科学的思维方法，物理模型教学能帮助学生掌握 物理模型建立的，培养科学思维方法和创新实践能力， 因此物理教学 中

4、应提高对模型教学的重视。物理模型既是重要的学习方法，也是重 要学习内容。物理模型教学有利于加强学生创新能力和科学研究力。本文的目的是，通过对当前物理模型教学现状进行研究，又对现有物理模型教学理论进行理论综述， 运用了文献研究和案例研究两种 研究方法，研究整理当前与物理模型教学有关的教学理论， 了解中学 物理模型教学现状，深入分析模型教学中的模型建立过程以解决学生 建模能力弱的问题，提高学生解决问题的能力，提出有效的中学物理 模型教学流程，理论层面上丰富自身物理教育学理论，最后以“探究 平抛运动规律”为教学案例，对物理模型教学做好整体的把握。本文 希望通过对物理模型教学的整体研究，形成系统的物理

5、模型教学理 论。通过研究，既丰富物理教学理论，又可对物理模型教学进行总体 的把握。2 .主要内容（提纲）：（1）物理模型的概念、分类、特性及心理学基础；（2）物理模型的 教学过程理论；（3）在不同课型中的物理模型教学，包括物理概念、 规律、习题的模型教学；（4）物理模型教学案例：“探究平抛运动规 律”教学案例，由此对物理模型教学做好整体的把握。三、研究方法和手段（一）研究方法本文主要使用了文献研究、案例分析等科学研究方法。（1）文献研究：在研究过程中查阅了国内外大量的相关报道、 期刊文献、论文著作，并对之进行提取、整理、归类从而确定了此项 研究工作的重要意义。对国内传统的物理模型教学的相关研究

6、情况进 行比较分析，吸收一些成果到物理模型教学中来。（2）案例分析：结合“探究平抛运动规律”这节给出了具体的 物理模型教学过程和方法。（二）研究手段以传统文献检索手段为主，辅以网络、数据库等手段，开展资料 收集、数据整理等工作。四、参考文献目录 （作者、书名或论文（设计）题目、出版社或刊号、出版年月或出版 期号）参考文献1廖建平，基于原始问题解决的中学物理模型教学研究 D.南昌: 江西师范大学，2008:30-45.2彭森，中学物理模型教学研究D.江西师范大学，2004: 9,29-36.3 Malcolm Wells,David Hestenes,Gregg Swackhamer.A mod

7、eling method for high school physics instruction.Am.J.PhysJ.63,1995:606-6194林应国，物理模型在物理教学中的作用J.四川文理学院学报，2008, (6): 149-151.5田世昆，胡卫平著.物理思维论M.南宁：广西教育出版社，1996:143,201.6刘海，高中物理模型构建教学的理论与实践研究D.长春：东北 师范大学，2008: 26-40.7裴娣娜，教育研究方法导论M.安徽：安徽教育出版社，2000.8李新乡，张军朋.物理教学论M.北京：科学出版社，2009.9贾光武，高中物理模型教学的研究与实践D.兰州：西北师范

8、大学，2006: 54-56.10谭会，中学物理模型教学设计的理论与实践研究D.东北师范大学，200911陈传尧，启发式教学与创造性思维的培养J.高等教育研究，1998(5):62-6412吴国勇，谈物理模型在物理教学中的地位和作用J.物理教师，1999, (1): 19-20.13王少静，运用原始物理问题提高学生建立物理模型能力的研究D.河北师范大学，2010.五、文献综述（在对选题涉及的研究领域的文献进行广泛阅读或调查的基础上，对该领域 的研究现状、发展动态等内容进行综述，并提出自己的见解和研究思路。不少于700字）物理学是一门研究物质最普遍、最基本的运动形式的自然科学。而所有的自然现象都

9、不是孤立的。这种事物之间复杂的相互联系， 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，使我 们的研究产生了复杂性，为了解决问题我们提出了物理模型。物理 模型是指：物理学所分析的、研究的实际问题往往很复杂，为了便于 着手分析与研究，物理学中常常采用“简化”的方法，对实际问题 进行科学抽象的处理，用一种能反映原物本质特性的理想物质（过程） 或假想结构，去描述实际的事物（过程）。这种理想物质（过程）或假想 结构称之为“物理模型” 2。美国学者David Hestenes（199旗出概念化表征说，认为物理 模型是，对物理系统和过程的概念化表征（conceptual representatio

10、n。模型分为三类：系统图式 schema包括（内部）组 成要素、（外部）施力物体、连接物描述符（示例），包括物体变量 m,q,I、状态变量x,v、相互作用变量 F、相互作用律 F=GmM/r、 变化律Ft= P3。作为对物理事物简化描述的物理模型，不仅能够解释物理现象 和实验定律，而且也常常能够作出科学的预言，指明进一步研究的方 向。比如海王星的发现就是对物理模型的研究而作出科学预言的实 例。法国学者布瓦尔得通过不断地对天王星观测后发现，根据不同时间的资料计算出的天王星运行轨道互不相同。德国数学家贝塞尔为解释这一实验事实，利用开普勒行星轨道模型和牛顿引力理论，大胆预 言存在一颗新的行星。194

11、6年9月23日，德国天文学家伽勒观测到 了这颗行星，即海王星，从而证实了贝塞尔预言的正确性。再如，卢 瑟福的原子核核式模型。卢瑟福从实验事实（粒子散射实验）出发， 分析粒子偏转的三种现象，推翻汤姆生的葡萄干布丁模型，再建立起 原子核的核式结构。在这一过程中，既利用了分析、比较、抽象、概 括等抽象思维的方法，也利用了形象类比等形象思维的方法， 是抽象 思维和形象思维共同作用的物理模型的建立过程。物理模型是物理规律和理论赖以建立的基础。法拉第在1852年，对带电体、磁体周围空间存在的物质，设想出电场线、磁场线一 类力线的模型，并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线分布形状，从而建立了场的概念，对当前的传统

12、观念是一个重大的突破。1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，大胆地建立了光子模型，并提出著名 的爱因斯坦光电效应方程，圆满地解释了光电效应现象。卢瑟福以特 有的洞察力和直觉，抓住粒子轰击金箔有大角度偏转这一反常现 象，从原子内存在强电场的思想出发，于 1911年构思出原子的核式 结构模型。“哈勃定律”所反映的大爆炸宇宙模型，指出了我们周围 的宇宙并不是静态的、恒定的、而是动态的、膨胀的。从而冲破了传 统观念的束缚，为研究宇宙的起源和演化扫清了道路。在研究物理问题当中，将物理对象、物理过程或物理情境处理成简单的模型后进行分析与计算十分常见。 例如宏观现象中的“日心 说”、微观现象中的“原子核

13、式结构模型”等；又如物理概念的建模 有：质点、点电荷、单摆、弹簧振子、电场线等；物理过程的建模有： 匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动、匀速圆 周运动、简谐运动、简谐波等；物理情境的建模有：碰撞模型、子弹 打木块模型、带电粒子在电场中运动模型等；物理实验的建模有：伽 利略的理想实验模型、卢瑟福的粒子散射实验等。在建构物理模型的思维方法方面，国内研究者，虽然已认识到 物理模型不只是简单的图形，还有深刻的理论内涵，但是在观念上 却没有完全转变，相比之下，国外学者的观念突破了物理模型的“形” 的局限，达到了 “质”的高度，他们把图像或图景看作是对物理模 型的一种形象化表征方式。下面

14、综合各资料将有关物理模型的一些概念及教学理论做个综述。同时也给出本人的一些研究思路和见解。xia（一）物理模型分类物理模型是一种高度抽象的理想化的心理构造物， 根据理想化的 对象的不同，有些资料上认为应分为两类，但本人认为应分为三类更 为恰当。（1）对象模型中学物理模型教学研究用来代替研究对象实体的理想化模型为 对象模型，高中物理中对象模型主要有以下一些： 质点、轻绳、轻杆、 轻滑轮、轻弹簧、不可伸长的细线、理想气体、点电荷 （光源）、检验 电荷、匀强电（磁）场、纯电阻用电器。（2）条件模型把研究对象所处的外部条件理想化建立的模型为条件模型，高中 物理中学物理模型教学研究中的主要条件模型有：光

15、滑表面、恒力、 真空。(3)过程模型实际的物理过程都是诸多因素作用的结果， 忽略次要因素的作用 考虑主要因素引起的变化过程为过程模型。 高中物理的主要过程模型 有：匀速直线运动、匀变速运动(自由落体运动、竖直上抛运动、平 抛运动)、匀速圆周运动、简谐振动、碰撞、等温、等容、等压变化 4。(二)物理模型特性物理模型都是从自然界中抽象概括出来的， 它是在理想化思维条 件下建立的结果。理想化思维方法是一种思维主体运用非逻辑性思维 认知和逻辑性思维认知相结合的科学思维方法。物理模型是理想化思 维的一个具体表现形式，它具有以下基本特性。(1)抽象性和形象性的统一抽象性和形象性的统一，即物理模型的建立离不

16、开抽象思维和形 象思维相结合，物理模型也是抽象性与形象性的统一。(2)科学性与假定性的统一科学性与假定性的统一，即物理模型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而 建立，因而具有科学性；另外，在建模过程中，除抽象思维，还要利 用形象思维和直觉思维，而任何物理模型都只是对客观实际的近似反 映，又具有一定的假定性，其正确性要靠实验来验证。（3）美学性美学性，即物理模型能简明扼要地揭示物理问题， 体现了它的形 式美；物理模型是知识与思维的产物，是知识与能力的完美结合，体 现了它的和谐美；随着学习的深入，学生对同一模型会有不同层次的 体会和感悟，会为它丰富

17、的内涵所折服，体现它的内在美 5。（三）物理模型心理学基础认知加工理论认为加工系统是在认知过程中对实际信息进行加 工和处理的，这是整个认知系统的中心，它包括五个基本的认知过程： 注意、编码、复述、联结和监控。这五个基本过程可以有多种不同的 组合，以适用于形成不同的概念、命题和图式。物理模型作为物理知 识理解及处理信息的图景在个人的认知记忆系统及加工系统中具有 重要的作用。在加工系统中，模型有利于进行知识的编码，形成正确 的图式进行复述、联结。物理模型在物理学科的学习中具有自身的认 知机制，所表现在学习知识时的构建模型过程与解决问题时的运用模 型过程。对于物理模型的认知机制，它应该具有一种是“知

18、识组块图 示”的理解。物理模型的实质是运用有关的知识组块对当前要解决的 问题进行分析及推理，利用原有的知识组块（旧的模型）迅速发现解 决问题的方向或途径的思维方式6。物理模型可以提高学生对所学的物理知识（包括陈述性知识和程 序性知识）的概括和组织程度。构建模型的过程及应用模型解决问题 的过程实际上就是一种知识的深加工过程， 模型具有的是一种有机框 架结构，而且具有一定程度的问题分析、解决的逻辑性，可通过物理 模型学习、应用提高问题解决能力。（四）物理模型教学理论1 .物理模型教学过程理论深入分析物理模型的基础上，结合教育教学规律并借鉴前人的研 究成果和物理学科探究的特点，有如下的实践模式：提出

19、问题一探究建模一应用模型一变式训练一反馈评价环节一：提出问题这一环节的主要任务是：创设具有一定兴趣的实际生活问题情境，但最好给出相关数字，所创设的问题情境要形象生动，且有利于 学生内心体验，问题要使学生产生知与不知的矛盾，激发学生求知欲。环节二：探究建模这一环节的任务：对所提出的问题情境仔细思考，进行分析，在 分析问题情境的基础上，确定问题的对象、过程和实质；通过排除次 要因素和理想化等手段，使研究对象理想化和研究过程理想化， 建立 相应的模型。这一环节要强调学习者的主动参与， 让学习者参与模型 的建立过程。环节三：应用模型阶段这一学习环节有两部分：利用模型形成概念和规律、应用物理模 型解决问

20、题。课堂教学中新课教学主要涉及到第一部分，即在学习中通过建立的物理模型，加深对物理现象和物理过程的理解，进而形成 概念、发现规律。复习课和习题课中主要涉及到第二部分，利用建立 好的物理模型来解决问题。环节四：变式训练教师提供新的类似的问题情境，考查学生前面建立的物理模型能 否用来解决新的问题，以达到巩固建立的模型的目的和培养学生的模 型迁移能力和原始问题解决能力。环节五：反馈评价反馈评价环节虽然列在最后一个环节，但它应当贯穿于整个教学 过程中，以便及时帮助学生调整思维方向，认知策略。在这个过程中 采取过程评价为主，终结性评价为辅的评价。2 .在不同课型中的物理模型教学2.1 物理概念的模型教学

21、物理概念是物理现象的共同特征和本质属性在头脑中概括和抽象的反映。学生形成物理概念一般要经历认知定向、找出共同特征、 认识本质属性、进抽象表达和深入理解概念这样一个大致的过程。物理概念的模型教学可如下进行：引入概念理由一找出共同特征一建模抽象本质-表述概念一应 用模型下面对以上概念教学过程进行说明：(1)教学的起点上，让学生明确为什么要引入这个概念，使学生认知活动有一明确的指向。这个过程是依托一定的事实情景来实现 的，只有适应学生心理的描述，才能有效地接受。(2)指导学生找出物理现象或物理过程的共同特征。这一过程 一般有两种方式：首先是归纳的方式进行。其共同特征直接从事实中 总结出来的概念，通常

22、由归纳分类的方法得出。其次是概括的方式进 行，一般用在学习比较抽象的物理概念。(3)指导学生抓住共同特征所反映的本质物理属性。只有抓住 了物理现象或物理过程的共同特征所反映的本质属性，才能形成物理概念。(4)指导学生对抽象的结果进行表述。在抽象出一类物理现象 和物理过程的共同特征和本质属性之后， 用简洁的文字语言、数学式 或图象表示物理概念。(5)指导学生深入理解物理概念。这一过程实际上就是在概念 形成中抽象出的物理模型进行再现的运用过程， 并要依据模型的图景 对概念进行丰富及完善。我们在教学实践中通常用变式和例证来指导 学生理解物理概念。在物理概念的学习中建立模型要求必须有足够的物理情景及物

23、 理事实去进行对比归纳，从中找到最基本的特征进行描述，当然要 把概念的描述与头脑中的物理抽象模型进行对应，以利于在新的情 景中进行迁移。2.2 物理规律的模型教学物理规律是自然界中物理客体属性的内在联系体现，是事物发展和变化趋势的反映。物理规律包括物理定律、定理、定则、原理、方 程等。学生掌握物理规律的一般过程如下：认知规律定向-规律模型建立-规律表述-规律适用条件-规律 模型应用教学实践中通过以下程序指导学生掌握物理规律:(1)指导学生明确规律的定向。要让学生明确物理规律建立的目 的，从哪些方面的过程及情景中来建立这一规律， 从而使学生的思维 加工活动指向确定的方向。(2)指导学生弄清规律的

24、建立过程，要有效地抽象出其对应的最 简洁模型。物理规律的建立过程有两种形式。首先是归纳法，我们必 须指导学生明确它的实验依据和实验中现象出现的原因，并树立起物 理定律的建立需来自于观察实验结果的观念， 明确要由现实情景抽象 出物理学的最简洁规律。其次是通过演绎法建立物理规律。(3)把握物理规律的“文字表述”、“数学表达式”、“函数图像” 三种表达式，并能把它们融为一体。不论哪一种表述的本质上来看都 应与一定的物理模型进行映射，通过模型的情景对应，使规律的本质 与现象相应结合。(4)强调物理规律的适用条件和范围。 即相对应的模型在图景展 示上要有确定条件，模型只是对相关规律构建上的情景抽象， 因

25、而所 构建的模型要有清晰的实际条件限定。总的来说，我们可以通过通过对物理模型的类比迁移和把生活中 的原型分解简化抽象成理想物理模型， 可以突破思维障碍，简化并正 确解答看似复杂的实际问题。2.3 物理习题的模型教学物理习题教学是物理概念及规律的应用中知识提高的课程教学。 物理概念及规律对应的物理模型在学习中得到有效的运用有利于加强学生形成良好的知识与模型的对应理解。 通过习题的物理模型构建学习使得学生对物理知识所对应的情景有更深的理解，尤其是对于抽象概括出来的概念及规律特征得到较明确地认识。习题教学中应做到一下几方面：(l)抓住模型的结构特点，合理联想，活跃解题思路，可以使题 目化繁为简，变难

26、为易。(2)挖掘模型中隐含的相关知识，把握特征，强化应变能力。(3)紧扣模型的物理本质，抓住关键，活化知识结构。(4)建构合理的知识体系，巧用类比，触发顿悟性联想。例：有一项血液检查叫“血沉”。设血液是由红血球和血浆组成 的悬浮液，将它放进竖直放置的血沉管内，红血球就会在血浆中匀速 下沉，其下沉的速率就叫血沉。某人的血沉值为v=10mm/hi把红血球看作是半径为 R的小球，它在血浆中下沉时所受的粘滞阻力为f=6兀刀Rv,其中 刀=1.8 X10 3Pas,血浆的密度为p 1= 1.0 x 103kg/m3,红血球的密度为 p 2 = 1.3 x 103kg/m3,试估算红血球半径 的大小。解：

27、红血球在血浆中匀速下沉时的受力，F 1为血浆对红血球的浮 力，F2为红血球的重力，f为粘滞阻力。这三个力的合力为零。F2=F1+f , F1 = p 1Vg, F2= 2 2Vg, V= 4/3 兀 R3 代入数据计算后可得 R= 2. 7X10- 6nl分析：很多学生看到这样一道隐藏在生物学中的物理题时，都会感到束手无策，不知道从何下手。在此题的物理情境中，建立物理模型过程如下：(1)明确研究对象。血浆为液体，红血球为液体中的物 体；(2)弄清物理过程。红血球匀速下沉，物理过程为匀速直线运动；(3)深刻挖掘其与熟悉的物理模型间隐含的共性，实现模型的类比 和移植。匀速直线运动物体受力平衡，根据

28、受力分析列出公式，解决 物理问题。在习题练习中，首先要让学生搞清问题，建立问题的物理图景，其次构成“物理模型”，“突出实质，显示关键”，就会对解题的要领、 途径，甚至结论进行快速正确的直觉判断。在中学物理教学中运用物理模型教学法， 对于学生学习物理知识 具有很大的指导作用，具体体现在以下几个方面。(1)有利于学生形成清晰的物理概念。物理概念是反映物理现 象和过程的本质属性的思维形式， 是物理事实的抽象，这不仅是物理 基础理论知识的一个重要组成部分，而且是构成物理 规律和公式的理 论基础，物理概念中有相当一部分是以模型的形式出现 (概念模型) 它们是物理现象和事实抽象出来的，用来表征物质属性和描

29、述物质运 动状态的。学生对物理模型这个 科学方法的精髓是否领会，直接影响 他对有关概念的理解、掌握和运用，影响对物理知识整个大厦的构建， 因为概念是构建这个大厦的基石。(2)有利学生对物理规律的正确理解。物理规律是物理知识的 骨架，是物理学的核心的内容。物理学中所总结出的反映运动变化的 规律实质上就是物理模型的运动变化规律，从研究的主体对象到研究 的过程无不体现模型观点和方法。物理规律的教学过程实质上是帮助 学生学习物理模型，运用物理模型，有助于学生对物理规律的深刻理 解，有利于学生对物理意义领会，准确把握物理规律的成立条件和适 用范围。(3)有利于学生解决实际问题。每一个具体的物理问题所描述

30、 的物理现象或过程都对应着一定的物理模型，要解决问题必须要对对 象进行抽象简化和近似处理，以建立起一个合适的物理模型，若模型 建立起来了，就等于已经揭开了掩盖着物理现象和过程本质的面纱， 必要时再用等效、类比等方法将问题进行异形处理(异化构建模型)， 问题就迎刃而解了。在当前教育界把培养学生的创新能力和实践能力作为素质教 育主旋律的大背景下，以及国外物理教育改革的方向，我国的物理 教学也将更多地面向科学、技术和社会。因此，在中学物理的教学 中要有意识地向学生渗透和灌输物理模型的思想，培养学生的学习 和掌握物理模型的能力。这不仅是学好物理书本知识的客观需要， 而且是素质教育的必然走向。六、工作进

31、度安排（时间、内容、步骤）七、预期成果（以上内容在教师指导下由学生填写） 日学生签名：20年月八、指导教师审核意见：指导教师签名：日20年月九、教研室审核意见：教研室主任签名：20年月日附件： 物理模型教学案例“探究平抛运动规律”教学案例1 教学目标知识目标：1）了解平抛运动概念；2 ）掌握平抛运动规律，并能进行有关的计算；能力目标：1）理解理想化的方法建立物理模型；3 ）学会用近似处理方法来解决物理问题；4 ）培养学生的观察实验能力、思维能力；情感目标： 1）通过实验验证教学，激发学生学习严谨的作风，以此渗透刻苦学习、勤奋工作精神的美德教育；2 ） 培养交流合作精神， 自己与他人交流中养成既坚持原则又尊重他人的品德；2 教学用具多媒体、平抛竖落仪、平抛水平分解仪、数码摄像机、视频处理 等软件。3 教学过程：（ 1）提出问题先用生动活泼的语言描述生活中平抛运动现象，