重视“建模”训练 培养学生创新能力

陈从先

创新是人类社会前进的动力，是人类智慧中最绚丽的花朵。然而在我国，由于受传统文化和应试教育影响，压抑创新意识，创新精神的教育现象依然存在，创新能力的培养相当薄弱。面对知识经济和科学技术的迅猛发展以及新一轮课程改革的不断深入，培养学生创新能力越显得更加迫切，并将越来越受重视和加强。物理学从牛顿力学到现在已有300多年的发展历史，它在自然科学中一直占主导地位。是整个自然科学的基础。物理学几百年来不仅积累了丰富的科学技术成果，也积累了丰富的思想文化以及创造性思维方法成果。因此在物理学科中培养学生的创新能力具有得天独厚的优势。

一、通过抽象类比，构建物理模型，培养创新能力

类比联想思维是一种创造性思维方法，它根据两个对象具有部分相似的属性，类推出它们在其它方面可能具有相同属性，从而设想出具有一定根据的精神客体的思维方法。例如，在1904年汤姆生把原子模型与葡萄干布丁类比，提出枣糕式原子模型；1911年卢瑟福把原子结构与太阳系结构相类比，提出原子核式结构模型。

例、(上海2000年高考物理题)图1为人手臂骨骼与肌肉的生理结构示意图，手上托着重力为G的物体，(1)在方框中画出前臂受力示意图(手、手腕、尺骨和挠骨看成一个整体，所受重力不计。图中O点看作固定转动轴，O点受力可以不画)。(2)根据图中标尺估算出二头肌此时的收缩力约为________。

该题首先需通过抽象类比简化为理想化模型。一个有固定转动轴的杠杆，根据受力情况标出受力的示意图，如图2所示，然后根据力矩平衡条件。近似估测力臂的大小。算出二头肌收缩力约为8G。

二、通过科学想象、构建物理模型，培养创新能力

想象力是创造力诸要素中最重要的因素之一，牛顿曾说：“没有大胆的猜测就作不出伟大的发现”。

(99年上海高考题)天文学观测表明，几乎所有远处的恒星(或星系)都以各自的速度背离我们而运动，离我们越远的星体。背离我们运动的速度(称为退行速度)越大，也就是说，宇宙在膨胀，不同星体的运行速度v跟它们离我们的距离成正比，即v=Hr，式中H为一常数，称为哈勃常数，已由天文观测者测定。为解释上述现象。有人提出一种理论，认为宇宙是从一个爆炸的火球开始形成的，假设大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动。并设想我们就位于其中心，则速度越大的物体离我们越远，这一结果与上述天文观测一致。由上述理论和天文观测结果，可估算出宇宙的年龄。

分析与解：这是一道联系高科技的信息题。由题目中介绍的宇宙膨胀理论知识，所有恒星都背离我们运动，这种现象在现实生活中很少见到，学生很难理解，这时老师要引导学生想象，如果在小气球上画许多小星星，然后给气球充气，在充气的过程中，各小星星之间的距离一定相互远离。通过宇宙膨胀与现实生活中的模型类比想象，使难以理解的理论形象化，简化。在解此题时，根据题意各星球以不同的速度作匀速直线运动，把各恒星看作质点，那么：

T=r/v，又v=Hr，所以T=1/H，T=1/H=10¹⁰年。

想象是物理学中最活跃、最富传奇色彩的成份。为了增强学生的想象力，教学过程应重视物理过程分析。结合物理模型的构建。启发引导学生通过形象思维和想象，培养建立物质空间位置关系的能力，形成构建物理图景和物理模型的能力，促进创新能力的培养。

三、通过理想化思维，培养创新能力

理想化思维方法是思维主体运用非逻辑思维和逻辑思维相结合的科学思维方法。塑造理想化实验过程是从事科学创造活动的一种思维方法。例如，理想实验、思想实验等，是在真实的科学实验基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，对客观对象的实际过程进行更深一级本质的探究过程。理想化思维方法有三个特点：客观性、逻辑性、创造性。从伽利略、牛顿、爱因斯坦到霍金都是理想化思维的卓越大师。理想化思维方法有助于建立理想模型，形成科学预见。伽利略乃近代物理学之父。也是近代理想实验的创始人，作为力学基础的惯性定律不是从实验中得出的，而是从理想实验中得出的。牛顿的炮弹思想实验奠定了人造卫星的思想基础。爱因斯坦的“追光”思想实验使他登上了狭义相对论的科学宝座。今天物理学的研究，无论在微观还是宏观越来越多地进入了不能完全直接靠实验证实或证伪的领域。比如：我们不可能在实验室里让物体坍缩并看到它变成黑洞，因为引力坍塌要求物体的质量大于太阳的质量，在这种情况下，做想象实验。是我们所能做的最好事情。想象实验也曾有助于传奇的英国物理学家史蒂芬·翟金。理想模型是理想化思维的另一形式，例如质点、点电荷、理想气体、简谐振动等等。

四、注意物理模型的适用条件

任何一个理想模型的使用，都必须遵守其成立的条件，如果不顾条件滥用，必会导致错误结论。如：点电荷的场强公式E=kq/r，当r→0时，场强为多少?有人会答：无穷大。很显然然这是违背客观事实的，错在哪里?就错在丧失了点电荷成立的条件，却仍使用点电荷的公式。因为此时源点到场点的距离大小比起电荷来说为小，电荷不能视为点电荷了。再比如我们孤立系统内部所发生的过程，总是沿着无序性增大(熵增)方向进行，有人藉此预言整个世界温度将趋于恒温，这当然是荒谬的。物体作高速(可与光速比拟)运动时，用传统的经典力学描述就显得无能为力了，这时就应采用相对论力学。显然，方法理论是高层次的“模型”。

(责任编辑：陈光明)