科学探究物理模型创建途径

1、科学探究物理模型创建途径康孟孟 在20世纪初，美国人杜威（JDewey）指出，对于科学，学生要掌握的不只是知识，还应包括过程或方法，现在，研究性课程已成为中国基础教育改革的重点和突破口，而创建出实际问题的理想模型的过程和方法的训练。应该是研究学习中学生创新精神和实践能力培养的切入点之一。由于实际问题中到处充满着不能由单一线性关系代替的复杂的非线性关系。因此，要在实际问题中，找出简单的理想模型来，往往是艰难的。实际上，物理学中的实验定律，在一定程度上都是近似规律。例如，教科书一直说滑动摩擦力的大小跟压力成正比，与接触面积无关，我们通过“研究影响摩擦力的因素”这个课题的探究活动发现。实际情况与这种

2、说有较大偏差，从原子尺度上的电磁相互作用看，不是“物体表面越光滑，摩擦力越小”。尽管如此，但这并不意味着在实际问题中找不到理想模型来，本文试图从研究复杂系统怎样向简单有序跃迁的有关观察实验、现代神经生理学和生理心理学关于人脑思维过程猜想的成就等方面探究物理模型的创建途径，以同大家商榷。弱化条件使系统向有序跃迁显现模型用心研究物理学本身的许多实际系统的跃迁实验，我们发现，一般情况下，把系统跃迁的条件弱化到一程度，系统显现的模型是简单有序的；若条件强到超过某一极限，系统的变化出现混沌行为。混沌学认为混沌现象不全是混乱的无序，含有高级的有序。因此，学生在研究性学习的初级阶段，要设法控制实验条件并且适

3、当弱化，在系统初期有序变化的现象中找规律建模型。例如，在水的相变实验中，要找到有沸腾现象出现的简单模型，只有在不太高的温度和较低的压强下才能实现，若温度和压强高到一定程度，沸腾现象就不存在了。同样有，在气体状态变化的实验中，高温高压下，不会得出理想气体这个简单模型。又如，在单摆的周期振动实验中，只有在摆角小于5这样的弱条件下，单摆的振动才是简谐振动模型，若把它变为受迫振动且策动力的强度和频率增大到一定程度，振动的规律就难以预测。再如，电磁波的传播规律，在弱的电磁场中，存在相互叠加互不干扰独立传播的叠加的模型，但在强场中，如太阳黑子活动高峰期，电磁波传播会趋于混沌能使通信中断。显然，为了能让实际

4、系统的变化显现简单的有序，我们弱化的是系统的外界条件，这些条件对决定系统的本身的性质来说是次要的，是应该舍掉的。例如，在单摆简谐振动的周期公式中就没有摆角、摆球的质量等次要因子。所以，钱学森说“模型就是通过我们对问题的分解，利用我们考察来的机理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素创造出来的一幅图画”。由前面物理模型的显现过程可知，人为控制条件的实验在建模过程中起着决定性作用。猜想实验在前，创建模型在后。事实上，以往所有“自然规律”都是通过人们的思维，根据实验或实践所得的资料或经验，简化成的各种模型。下面我们探究我们是如何用大脑进行分段思维从物理现象中提炼出物理模型最后活用模型解决问题的。得表

5、象舍实验得模型舍表象创建模型现代神经生理学和生理心理学关于人类思维基础的研究提供了人脑思维为什么能从实验现象跃迁到模型这一过程的大量信息，探究分析这些信息发现，这一过程也是将反映条件或手段弱化的过程，即所谓“善学者，得鱼忘筌，不善学者，刻舟求剑”。割裂脑的研究表明，大脑由左右两半球组成，左右两半球对语言信息和非语言信息的处理能力是不同的。一般来说，左侧大脑对语言信息的处理能力较强，而右侧大脑对非语言信息的处理能力较强，而在日常生活中我们的一切活动是如此地协调一致，这是因为两侧大脑半球之间有着丰富的神经纤维联系，彼此保持着相互密切的信息交换，抽象思维和形象思维在这里交叉互补，相互激发。要有效地获

6、得模型，形成理论，需要两个半球通过中央连合体的协同工作。令人遗憾的是，这种合作活动往往不是能同时一步实现的。精神分析学在脑解剖学发现的基础上对裂脑人的奇异现象作了深入分析后得知，人类通过进化成熟了的语言逻辑思维压制着人类原始具有的直觉认识功能。由此可见，人类的大脑有固执于事物的表面形态、拘泥于言和存心于象的顽固习惯。因此，创建模型的过程是分步迂回进行的。第一步是系统表象的获得阶段。为了突出表象，实验手段在大脑国弱化退位，这时要尽量让学生用多种感管感受悟对象，大脑的这种形为是“忘却语言”的活动；第二步是从表象认识中总结规律创建模型的阶段，这时期要用人类的深层次意识直觉体悟表象的内存本质联系，当表

7、象条件弱化退位，茅塞顿开便是模型创生之日。对我们多数渐悟者来说，这一阶段往往需要一段较长的时间。例如，对牛顿第二定律F=ma模型的理解，丁肇中在中学时代就想了数周之久。通过重重障碍获得的物理模型在不用时，在大脑中一般是静态的。要用物理模型解决动态问题,还需要训练学生怎么样利用想象力将静态的模型动起来形成物理过程。用力分析画状态活用模型想过程利用物理模型进行动态分析时，首先要根据实际问题中研究对象的受力情况进行准确分析，接着用牛顿运动定律确定研究对象的运动性质，得到实际问题的简化物理模型后，再启动想象力大胆推猜此问题的模型中各物理量的动态变化过程，这一过程跟前面建模过程相反，是一个将题设中各动态条件巧妙添加的过程。为了能用数学语言准确描述这一动态问题中各物理量间的定量关系，用草图将这一动态过程中的典型状态构画出来，动态过程中各物理量的几何关系就会跃然纸上，实际问题中的动态物理情景就会自然想象，