利用物理模型培养学生的创新能力

王彦平

物理学所分析、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。物理模型的建立,是人们认识和把握自然的一个典范。物理模型的建立是一个创造性过程,对物理模型的认识和理解也是一个创造性的过程,一个培养创新能力的过程。可见,引导学生真正认识和理解甚至建立物理模型,显然是培养学生创造性思维和创新能力的不可多得的途径。

1 中学物理学中的模型类别

物理模型就是采用理想化方法,通过对原型客体在一定条件下,经过“去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里”,抽象出同类原形客体的共同特性而建立的一种理想模型。它又主要分为以下几种类型:物理对象模型(如质点、点电荷、薄透镜、点光源等)、物理过程模型(如简谐运动、匀速直线运动、匀速圆周运动、平抛运动、气体的等压、等容、等温变化等)、物理条件模型(如单摆的运动,忽略单摆摆线的形变,将轨迹以曲代直;研究机械能转化守恒时,忽略阻力作用;研究地球公转时,忽略地球大小和自转等条件理想化处理)、理想实验模型(如伽利略在发现惯性定律时所设想的在纯粹理想状态下的斜槽实验)。

2 物理模型在教学中的运用

2.1 建立模型概念,理解概念实质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。如质点、刚体、理想气体、点电荷等,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。

2.2 认清条件模型,突出主要矛盾条件模型就是将已知的物理条件模型化,舍去条件中的次要因素,抓住条件中的主要因素,为问题的讨论和求解起到搭桥铺路、化难为易的作用。

2.3 构造过程模型,建立物理图景过程模型就是将物理过程模型化,将一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。过程模型的建立,不但可以使问题得到简化,还可以加深学生对有关概念、规律的理解,有利于培养学生思维的灵活性。

2.4 转换物理模型,深入理解模型通过对理想化模型的研究,可以完全避开各种因素的干扰,在思维中直接与研究对象的本质接触,能既快又准确地了解事物的性质和规律。例如建立起“单摆”这一理想化模型后,理解单摆的周期公式,可以解决类似于单摆的一系列问题:在竖直的光滑圆弧轨道内作小幅度滚动的小球的周期问题;在竖直的加速系统内摆动的小球的周期问题;在光滑斜面上摆动的小球的周期问题。

3 物理模型教学的一般过程

以高中物理“单摆”一节的教学为例,予以说明。

3.1 组织典型的演示实验,初步建立单摆模型单摆就一理想化模型,在实际生活中,摆球的质量远大于摆线的质量,摆线的形变很小可以忽略,摆线的长度远大于摆球的直径,就可视为单摆。单摆在摆角小于5°时其振动周期与摆球的质量无关,与摆球大小无关。这一组演示实验可以激发学生的学习兴趣,形成对单摆这一理想化模型的初步认识。

3.2 进行理论分析,深入理解模型单摆振动的等时性,对单摆的摆线、摆角的要求是一种表现特征,这可以通过上面的演示实验观察到。然而,要理解单摆运动的内在机理就非通过细致的理论分析不可。理论分析指出,摆球振动的回复力是摆球重力沿圆弧的切向分力,摆角很小时,F=-kx;其中k=mg/l,摆球作简谐振动。由此得出单摆振动周期公式。这一分析过程,可由教师指导学生自己完成。单摆的内外特征是统一的,对摆线、摆角的要求是满足单摆模型的内部特征的外部条件。

3.3 运用模型解决问题运用模型解决问题,是深入理解、巩固模型的需要,也是学习物理模型的目的。课堂上运用模型解决问题的方式往往是做练习题,包括选择题、判断题、问答题、计算题以及观察实验题等。

4 使用模型应注意的问题

首先,建立物理模型,可使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。现实世界中,有许多事物与这种“理想模型”十分接近,在一定场合、一定条件下可以把实际事物当作“理想模型”来处理,但也要具体问题具体分析。其次,物理模型是在不断完善发展的。随着社会的不断进步,人类对事物的本质的认识也是不断深入和提高的,物理模型也相应地由初级向高级发展并不断完善。

综上所述,“模型”的教学与应用贯穿整个物理教学的始终,教师在教学中应充分给予重视,通过教让学生更能理解、消化、掌握新知识。物理模型是培养学生创造性的很好素材,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,以达到“教是为了不教”的目的,培养学生终身学习的综合实践能力,使他们成为21世纪所需要的复合型人才。

(作者单位:银川育才中学)