建立中学物理模型应注意的问题

2012-08-15田维林

重庆高教研究 2012年4期

田维林

(重庆市巴南区土桥中学，重庆巴南 400054)

如何建立物理模型是物理学中的一个重要问题．许多中学物理教科书都对具体问题建立了各自的物理模型，杠杆、斜面、轮轴、连通器、薄透镜、光线、磁感线、质点、点电荷、刚体、理想气体等，就是典型的物理模型．目前，已有许多文献对物理模型的作用、特点、类型以及如何建立物理模型作了论述［1-5］，但对建立模型应该注意哪些问题，特别是如何针对中学生的特点和现代科技发展新形势来建立物理模型以及如何通过建立模型来启发学生思维等这些问题论述较少．本文结合自己多年的教学实践，对这些问题进行探讨．

1 物理模型的特点

1．1 直观形象

物理模型是抽象性和形象性的统一．物理模型的建立是舍弃次要因素，把握主要因素，化复杂为简单，完成由现象到本质、由具体到抽象的过程，而模型的本身又具有直观形象的特点．

1．2 科学性和假定性的辩证统一

物理模型不仅再现了过去已经感知过的直观形象，而且要以先前获得的科学知识为依据，经过判断、推理等一系列逻辑上的严格论证，所以具有深刻的理论基础，即具有一定的科学性．理想模型来源于现实，又高于现实，是抽象思维的结果，所以又具有一定的假定性，只有经过实验证实了以后才被认可，才有可能发展为理论．

2 建立物理模型应注意的问题

2．1 建立物理模型应结合中学生的特点

中学生的特点包括如下一些方面：

(1)中学生的物理感知

物理学的学习是建立在观察和实验之上的，而观察和实验又离不开学生的感觉和知觉．在感觉阶段，学生对直接作用于感觉器官的刺激物的个别属性进行反映，其成效取决于学生的感受性．但是，学生还需要从整体上把握和理解客观事物，即要对客体进行知觉．中学生在对物理现象和客体感受时，由于缺乏学前专门的训练，其感受性较差．这表现在常常因为物理现象和客体涉及因素太多而感受不到某一物理属性的细微变化．例如，中学生在观察水的沸腾时，很少能观察到沸腾前后水中气泡上升过程中体积大小变化的差异;在进行零刻度校正和测读物理量时往往误差很大．同时，因为缺乏相应的物理知识、经验和物理知觉方法(观察方法)，中学生对物理现象和客体知觉的理解性和整体性亦较差．研究表明，感受性可通过练习来提高，知觉的理解性和整体性可以通过感知方法学习得到培养．因此，教师应该有目的地通过增加观察机会来训练学生对物理客体的感受性，从方法上指导学生感知物理客体，提高学生物理感知的理解性和整体性．

(2)中学生的物理表象

让学生在物理感知的基础上形成正确的物理表象，对他们学习物理十分重要．一方面，学生在应用物理知识解决问题时，总要利用头脑中已经形成物理形象特别是动态的物理形象来进行思维和推理．另一方面，大量的物理概念和规律都因为条件的限制而不可能搬进教室，中学生常常要根据教材的描述或物理教师的言语叙述，在头脑中形成全新的物理形象，从而构造出物理图景、表象．因此，物理教师必须帮助中学生形成正确的物理表象，培养他们在充分直接感知(观察)或间接感知(接受描述)的基础上概括物理表象的能力．中学生再造物理表象过程中，一方面，学生在学习物理之前已由于其它科目的学习和生活的经历形成了大量所谓“物理表象”，而这些“物理表象”大多数是片面或不准确的．例如，中学生在学习“摩擦力”时往往认为物体所受摩擦力的方向总是与该物体的运动方向相反．另一方面，学生虽然通过积极的感知收集了大量具体信息，却难以形成清晰、动态的物理表象．因此，物理教师应尽可能采用形象化的图表、模型、实验和生动的描述来丰富学生的物理表象，帮助学生在充分感知的基础上顺利完成再造想象;应尽可能正视而不是回避学生的前科学“物理表象”，在比较科学的物理表象和前科学“物理表象”的差异的基础上，纠正学生的错误“物理表象”．

(3)中学生的物理思维

物理思维的主要特点是：概括性、间接性、逻辑性和精确性．中学生在学习物理过程中首先应完成物理抽象，即对研究对象进行合理简化，舍去无关或次要因素，从而形成反映事物本质特征的抽象物理模型或理想物理过程．其次，学生应完成物理概括，即概括出系统化、条理化的物理概念和规律．第三，学生应学会物理判断与推理，应逐步会运用推理判断方法和数学方法去解决物理问题．第四，学生应学会运用物理表象进行形象思维．

中学生物理思维的核心问题是形成科学的物理概念和正确的物理图景或物理表象．中学生往往不能对研究对象进行合理简化和物理抽象．中学生在理解物理模型时常常感到困难的原因在于许多物理教师代替了学生完成了物理抽象，然后把物理模型“灌”给学生．中学生在把知识与经验进行系统化、条理化方面也表现出弱点．为了帮助中学生形成正确的物理思维品质，教师必须让学生经历物理抽象、概括过程，让他们自己把知识与经验系统化、条理化．

我们的教学实践表明，学生的思维定势和生活观念对概念的形成有非常大的影响，而这种影响又多表现为负面影响．例如，水应加热到100℃ 时才能沸腾，这一概念在学生脑子里常被错误地“转换”成“水加热”到100℃时必然沸腾．又例如，中学生对“棉花重还是铁重”、“冬天室温下木头‘冷’还是铁块‘冷’”这样的问题常会争论不休．这表现出中学生受思维定势和生活观念的影响，其“物理思维”缺乏逻辑性、概括性、精确性和严密性．因此，克服学生思维定势和生活观念的影响是培养学生物理思维能力的关键．

2．2 建立物理模型应密切联系现代科学技术发展

在高新科技迅速发展的21世纪，中学生对高新科技的新成果非常感兴趣．如何结合中学生的知识水平和接受能力，用简单易懂的物理模型来阐明涉及近代科学技术中的新理论、新发现、新成果，是一个重要问题．

四川汶川5·12特大地震，也波及到重庆地区．这本身涉及到地球物理的高深理论和近代物理的科学知识，要用这些高深理论和知识把学生讲懂是不可能的．这时，我们按照1987年Be K提出的理论，将地震形成和发生用“沙堆模型”来解释，并演示给学生看，通过讲解和演示，学生恍然大悟，原来地震发生如同沙粒堆积形成沙堆意义，是地球板块的不断运动，在岩壳演示中产生巨大应大，使地壳岩石产生变形(弯曲、压缩、拉伸等)，不断积累能量，当能量超过岩石的强度极限时，就发生断裂，积聚的能量以地震波形式急剧释放而形成地震．至于何时发生，如同沙堆何时垮塌，只能作一些可能性的预测，而不能肯定．采取这种沙堆模型，较形象和通俗地回答了涉及高深的近代物理知识的问题．

2．3 建立物理模型应尽可能联系日常生活事例

日常生活中许多现象都可以用简单的物理模型来解释．例如，在四川和重庆地区流传着“上坡两腿软，下坡筑脚杆”的俗语．它所描述的是人们在经历长距离爬山之后，第二天会感到两腿酸软(大腿和小腿);如果经历的是长距离的下山，第二天就会感到关节(膝关节和踝关节)活动不便，并且有些酸痛．如何建立物理模型来说明这一现象呢?首先对这一现象进行分析：两腿酸软的原因是肌肉里有乳酸没有被吸收，而乳酸的产生是因为肌肉做功过程中无氧呼吸造成的，上山时人体能量的来源主要是两腿，长距离爬山两腿做功很多，肌肉里聚集乳酸较多，要很长时间才会被吸收;下山时其他作用的情况下，人体的重力势能会转化为动能，要保持一定的速率下山，关节随时要产生冲击力将增加的动量减下来，因此长距离下山关节受到冲击很大，会遭受一定损伤，要经过较长时间才能恢复．在现象分析基础上，找出主要因素，进而就可建立模型．本题上山时主要因素是，上山乳酸的产生在于做功，上山时人体消耗体能通过两腿转化为重力势能;下山时主要因素是关节作用缓冲，关节产生冲量，以抵消因为重力势能减少而增加的动量．

2．4 建立物理模型更有利于启发学生思维，提高学生的创新能力

科学家构建出理想化的物理模型，是一种创新思维，学生在物理学习过程中培养起来的5种能力(理解能力、思维能力、判断能力、综合推理分析能力、用数学运算解决物理问题的能力)，往往通过解答物理问题体现出来．我们分析不同学生对同一物理问题的解答就会发现，他们一般不会按照同一模式进行思考．实际上，即便按照同一模式进行思考，将实际问题转化成物理模型本身也是一种创新过程．不可否认，中学物理教学要顺应时代的要求和社会的需要，除了培养学生基本能力外，也还要有一些功利思想(提高学生的解题能力以提高考试分数)才行，至少我们不应该拒绝高分．缺乏创新思维能力的中学生很难将实际问题转化成物理模型．所以，要培养学生的物理建模能力，首先就需要培养和提高学生的创新思维能力，要让学生能够看见大家都看见的东西，也需要让学生看得出别人看不出的东西，采用不同角度讨论问题．按照心理学的理论，发散式思维是一种从多角度、多方位探索问题、得到答案的种种非常规、反常规的思考方式．学习和掌握这种思考方式对于增进创造性思维非常有益［6］．

我们在研究真空能否传声的时候，将一只小电铃放在密闭的玻璃瓶内，接通电路，可清晰地听到铃声，用抽气机逐渐抽去玻璃瓶中的空气，听到铃声越来越弱．这说明空气越稀薄，空气的传声能力越弱．实验中无法达到绝对的真空，但可以通过铃声的变化趋势推测出真空不能传声．这与牛顿第一定律的建立过程是非常相似的．这属于用理想化模型代替客观原型的研究方法．如果教师在教学中注意很好地渗透这一方法，有利于启发学生思维，提高学生的创新能力．