浅谈物理模型的作用.pdf

浅谈物理模型的作用【摘 要】本文前一部分主要讲述了物理模型及其思维的基本内容，后一部 分讲述了物理模型及其思维对学生掌握知识、发展思维、 培养创造力的作用， 兼 谈自己在教学过程中的做法和体会 【关键词】 物理教学；物理模型；学习能力 物理教学的目标是为了使学生能够很好地掌握物理知识，具有活跃的物理思维， 并能把所学的物理知识、 物理思想用于解决新颖的物理问题， 使学生具有创造性 物理学所研究的对象是极其复杂的，对于每一个研究对象来说， 它涉及的因素是 相当多的， 因此，为了方便研究物理问题和易于探究物理事物的本质，把从复杂 的物理现象或物理过程中抽象出研究对象的简化描述或模拟即物理模型，把与物 理模型有关的学习和研究物理现象和物理规律的思维称为物理模型思维物理模 型和物理模型思维是很好地进行素质教育和创新教育的载体下面论述物理模型 及其思维的基本内容， 并以贯穿整个高中物理教学内容的相互作用系统的教学为 例，谈物理模型及其思维的教学在培养创造力方面的作用 一、关于物理模型和物理模型思维的基本内容 1、什么是物理模型 从广义上讲，物理学中的各种物理概念，如物质、长度、时间等都可称为物 理模型，物理学上的研究对象、 对象的状态、 状态的变化过程等均可称为物理模 型；从狭隘上说，反映特定的物理现象、物理问题的理想化实体、理想化过程、 理想化状态、理想化结构等，叫物理模型。

2、物理模型的类型 在物理学习和研究中，进行物理思维的关键是要明确三个方面的问题：学习 研究的对象是什么， 学习和研究的对象处于什么状态，学习和研究的对象和状态 如何变化对应于此，物理的模型有三种类型：实体物理模型、状态物理模型、 过程物理模型现把这三种类型的物理模型分述如下： (1) 实体物理模型：把复杂的物理研究对象通处理得到的理想的研究对象 如质点、点电荷、点光源等物质模型；如碰撞系统、热力学系等系统模型如分 子环流、原子结构等结构模型 (2) 状态物理模型：物理学中研究对象的状态用物理状态参量描述，如一定 质量的理想气体的状态用三个状态参量p、V、T 来表征，某一运动系统的运动状 态用位置、速度、加速度来描述这些状态量所表达的就是状态物理模型 (3) 过程物理模型：实际的物理现象的变化过程是错综复杂的，为了突出事 物变化过程的主要因素， 就要把物理过程理想化， 建立过程物理模型 如匀变速 直线运动、自由落体运动、理想气体的等温变化等 3、物理模型的作用 对物理学而言，物理模型有以下作用：(1) 物理模型是形成物理概念、建立 物理规律的基础 (2) 物理模型可以简化和纯化研究对象及其所处的状态和状态 发展变化的过程， 是研究物理问题的重要手段。

(3) 物理模型是研究物理问题时， “先理想后实际”的研究方法的体现许多物理问题，都是先研究其物理模型， 得出结论，然后用实验来检验模型研究获得的结论并加以适当的修正，再用修正 的结论来应用于实际的物理问题对学习物理的个体而言，物理模型有如下作用：(1) 有助于使抽象的知识具 体化：(2) 有助于使抽象的思维具体化： (3) 有助于使抽象的创新能力的培养具体 化 二、物理模型思维教学在掌握知识、发展思维、培养创造力方面的作用 学生学习的内容主要有三点：一是学习前人积累起来的间接经验，学生不必 经历独自的探索和发现， 因而可以避免走前人走过的曲折道路二是学习前人研 究和探索的思维过程， 了解前人碰到新颖问题时， 为什么会这样想 三是学习和 研究前人在解决新颖问题时， 是如何实现其思维的内容， 即前人用什么方法表达 他的思维内容和思维结果的简单地说， 学生的学习， 主要是掌握知识、 发展思 维、培养创造力而物理模型思维教学恰好能同时有效实现掌握知识、发展思维、 培养创造力的目标 (一)物理模型对学生掌握知识的作用：抽象知识具体化 物理知识是关于物理对象的属性及其相互关联的认识，这种认识用物理概念 和物理规律来表征， 物理知识具有陈述性， 它回答关于物理对象 “是什么”和 “为 什么”的问题。

物理知识的掌握分三个阶段进行：第一阶段为知识的领会， 该过 程是具体事物抽象化的过程；第二阶段为知识的记忆；第三阶段为知识的运用， 是抽象知识具体化的过程 因此，在物理教学过程中必须把握形象性原则，在讲 授物理知识时需要列举较多的典型实例，用以在学生头脑中形成对抽象知识的感 性认识，每一个物理知识、 物理现象、物理规律都有一个或多个具体的物理模型 存在学生的大脑中， 便于学生理解物理知识， 并有利于学生把学过的知识编辑到 学生已有的知识结构中， 这种结构化的知识记忆， 记忆速度快， 记忆时间长， 提 取知识明确、 快捷对学生的学科能力的培养， 就是培养学生的这种知识编辑能 力在教师把具体事物抽象化得到知识、把知识具体化为物理模型后，学生必须 在教师的指导下进行知识编辑这样，学生不仅能够注意到所学知识在本学科内 与其他知识的联系， 还能注意到所学知识与相关学科的关联，使学生体会到各知 识之间的协调与联系 以贯穿整个高中物理教学内容的相互作用系统的教学为例来说明物理模型 对掌握知识的作用 在力学的教学内容中， 相互作用系统涉及到的知识内容很多， 在教学时，用一系列实际的典型例子，帮学生建立两大系列的物理模型( 这里的 相互作用系统是指合外力为零的系统) ：一是碰撞系统， 该系统的动能不会增加。

在一维碰撞系统中，又根据系统动能的变化，分别以两个滑块(其中一个固定有 一根轻质弹簧 ) 为模型实例、以子弹打木块且子弹穿出木块为模型实例、以子弹 打木块且子弹不穿出木块为模型实例，建立了弹性正碰、 非弹性正碰、 完全非弹 性正碰等三种碰撞模型 二是反冲系统， 其系统的动能不减少 在一维反冲系统 中，系统是否有初动量， 分为人船模型和火箭模型等 通过这样的物理模型 训练，相互作用系统的知识已经很有条理地存放在学生的头脑中，学生对相互作 用系统的认识， 就不是停留在抽象的文字概念上，而是形成在理解基础上的具体 的物理模型上 (二)物理模型对学生发展思维的作用：抽象的思维和方法具体化 人们运用思维方法解决问题的效率和速率取决于人的思维技能思维是人在 执行智慧活动时头脑中所进行的一系列活动，人脑对这些活动的取向和顺序的协 调能力就是人的思维能力这种思维能力是在掌握了物理知识的基础上进行的， 物理知识解决了“是什么”和“为什么”的问题，而物理思维则是解决物理对象的“怎么做”的问题要使学生掌握“怎么做”，就要使学生在掌握知识、使抽 象知识转化为具体的物理模型的基础上，让学生多练习，对学生进行思维的训练。

教师用物理模型对学生进行思维训练的一般顺序是：1、教师先分析某物理 思维和物理方法的特点和适用条件；2、选择经典的例题，先由老师分析这个物 理问题的特点和条件， 与所要采用的物理思维和物理方法相吻合，再由教师演示 运用该物理思维和物理方法解决问题的步骤；3、出题让学生练习，教师在旁边 ，及时给予肯定和矫正；4、出题让学生边讲解边解答，或者写出解题的整 个思考过程和思考结果， 使学生由模仿的层次上升到应用的层次，这种做法的多 次训练使学生完全掌握了这种物理思维和方法；5、出新的物理情景， 如从自然、 生产、科技中的实际问题中提出问题，让学生进行分析，去掉次要因素，再根据 问题的主要因素， 建立一个或几个理想化的物理模型，用这个理想化的的模型去 分析、解决这些实际的物理问题这一过程由学生边口头分析，边用文字表达， 让学生达到真正的思维训练，而不是停留在简单的模仿上 高中物理中相互作用系统的这一思维训练要分两个步骤进行第一步是在力 学的知识基础上进行的 ( 从时间上讲， 是在高一阶段 )，在经过一定的物理题目的 训练后，就进行新物理情景问题的思维训练，如分析在不光滑的水平面上的两物 体碰撞、打网球时球离网的最大速度与击球速度的关系，宇航员在太空中的行 走,, 等实际问题。

让学生在对物理问题较明确的基础上，去掉次要因素， 建立 理想化的物理模型 第二步是在学了热、 电知识之后进行的 用相互作用系统的 知识来研究热学或电学中的相互作用问题，如热学中的气缸——活塞相互作用问 题、电学中的电荷相互作用问题、光学中光子与电子相互作用问题、原子物理中 入射电子与氢原子相互作用问题、原子核的衰变反冲问题等 (三)物理建模过程对学生创新能力的培养：抽象的创造力培养具体化 物理模型对学生的知识获取、思维发展，都有巨大的作用，建立物理模型的 过程对培养学生分析、解决新颖问题的能力即创造力更是有巨大的作用因为， 物理模型不是凭空产生的， 它是思维的产物， 是一种创造性的大脑活动过程，是 一个从发现新颖物理问题到用已有知识和方法分析物理问题，直至建立物理模 型、解决新颖物理问题的思维过程从物理学的发展来看， 物理学的发展实际上 就是物理模型不断产生与发展的历史如，在研究原子的结构中， 汤姆生根据他 所掌握的知识和物理现象， 提出了原子的枣糕模型； 而卢瑟福根据他的a 粒子散 射实验，否定了枣糕模型， 提出了原子的核式结构； 玻尔为了能解决原子的核式 结构与经典的电磁理论之间的矛盾，结合他的量子化的思想， 提出了玻尔的原子 理论,, 学生掌握了建立物理模型的方法，也就是掌握了研究物理、 发展物理的 最根本的方法，掌握了解决物理未知的方法。

创造能力的基础是扎实的知识和敏捷的思维，因此，用物理模型获得物理知 识、发展物理思维是很重要的， 它是一个人创造力的载体同时，在物理的逻辑 性思维的培养过程中， 还应进行直觉思维的培养， 直觉思维不同于清晰严密的逻 辑思维，它着眼于物理对象的整体， 具有形象性、 模糊性， 事情的结果不是推导 出来的，而是“看出来”的，在“看出”结果后，再用物理模型进行逻辑上的推 导或实验上的证明 在日常的教学中，在学生掌握知识、发展思维的训练后，就要对他们进行创 造能力的培养 首先，让学生对同一物理问题按不同侧面和不同层面的理解，建 立不同的理想模型， 如在两个滑块之间固定一个弹簧并放在光滑的水平面上这样 的系统，给这个系统沿弹簧方向的初始能量后，系统的运动分析， 可以理解为弹性正碰和完全非弹性正碰两个模型，也可以理解为动量守恒+能量守恒的模型 其次，可以指导学生对出现过的物理问题进行条件改变、条件增减或已知与所求 互换等方式 ( 即所谓的一题多解或一解多题)，来训练学生的发散思维、 逆向思维 和直觉思维再次，可以让学生充分观察生活、观察社会、观察自然，从中找出 它们所应用的物理知识和物理规律，通过去掉次要因素，对主要因素进行分析， 编成与所学的知识水平相当的物理问题。

(四)我的教学流程 在我的教学过程中，物理模型教学的进行大体上分三个阶段：第一，掌握知 识阶段用物理模型使抽象的知识具体化，使学生对知识的理解很丰富、饱满， 记忆条理清楚，应用时快速、准确第二，发展思维阶段给出新物理情景，让 学生分析、判断，建立理想化的物理模型，使物理问题得到解决第三，培养创 造力阶段， 在这一阶段， 要求学生对面临的问题先进行直觉思维，看出物理问题 的结果或看出物理问题的规律，然后用物理模型进行分析、 验证：要求学生对每 个面临的问题要多角度、 多层次的分析， 进行发散思维的训练； 让学生进行从果 到因的逆向思维的训练 ,, 通过这样的训练， 培养出的学生既有较扎实的知识 基础，又有灵活的思维能力，使学生具备创造的素质 三、结束语 现代教育对教学提出了较高的要求：重在培养学生的探究精神和创新能力 这是很正确的， 就我国当前的教育现状而言，也是很迫切的 但探究精神和创新 能力并不是教得会的， 更不可能一蹴而就， 而是学生要在长期的教与学的活动中， 在老师治学的影响和主动引导下，在掌握了足够的知识的基础上，在掌握了科学 的学习、研究方法的基础上逐步形成的因此，学生创新能力的培养不是靠孤立 的教学行为， 而是融在平时的教学活动中，而平时的教。