构建物理模型发展学生思维.doc
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1、构建物理模型 发展学生思维杭州市学军中学 吴春先关键词:建构主义、物理模型、抽象思维、形象思维、创造性思维论文概述:本文概述了物理模型的定义和它的理论基础,详细介绍了物理模型的构建对物理学发展和物理思维训练起的作用,及其如何在高中物理课堂教学中构建物理模型,最终达到培养学生物理创造性思维的目的。一、 物理模型的概述物理学是自然科学中的一门基础科学,它不仅有一定的知识内容,而且这些内容之间存在着必然的内在联系。高中物理不同于初中物理,前者在后者的基础上是引导学生由形象思维向抽象思维发展,从而使学生的思维产生了一个质的飞跃。所以在高中课程的教学过程中大多數研究的对象是一些物理模型。物理模型是理论知
2、识的一种初级形式,就是将我们研究的物理对象或物理过程、情境通过抽象、理想化、简化、和类比等方法,进行“去次取主”、“化繁为简”的处理,把反应研究对象的本质特征抽象出来,构成一个概念或实物的体系,就形成物理模型。物理模型既源于实践,而又高于实践,在我们的生活、生产、科技领域中带有普遍的共性特征,具有一定的抽象概括性。物理模型的构建是一种重要的科学思维方法,通过对物理现象或过程,从而寻找出反映物理现象或物理过程的内在本质及内在规律达到认识问题的目的。物理模型的构建是建立在建构主义的基石上的。建构主义认为,所谓人们认知的“实在”只是知者的心中之物,是知者构造了实在,或者说是按他自己的经验解释了实在。
3、所以学习是学习者在与环境的交互作用中自行建构的,而不是灌输的,这一建构过程不仅包括结构性的知识,也包括大量的非结构性的经验背景。强调学生在学习过程中主动建构知识的意义,并力图在更接近、更符合实际情况的情境里学习,以个人原有的经验、心理结构和信念为基础来建构新知识,赋予新知识以个人理解的意义。建构主义对学习的解释主要有以下几点:、学习是一种建构的过程。知识来之于人们与环境的交互过程中。学习者在学习新的知识单元时,不是通过教师的传授而获得知识,而是通过个体对知识单元的经验解释从而将知识变成了自己的内部表述。因此,教学的目标是使学生形成对知识的深刻理解,即为理解而学习。、学习是一种活动的过程。学习过
4、程并非是一种机械的接受过程,在知识的传递过程中,学习者是一个极活跃的因素。教学的过程就是引导学生的高级思维活动来解决问题的过程,即通过问题解决来学习。这就要求教学要引导学生不断思考,不断地对各种信息和观念进行加工和转换,通过新、旧知识经验的相互作用完成对知识的建构。、学习必须处于真实的情境中。学习发生的最佳情境不应该是简单抽象的,相反,只有在真实世界的情境中才能使学习变得更为有效。学习的目的不仅仅是要让学生懂得某些知识,而且要让学生能真正运用所学知识去解决现实世界中的实际问题。笔者认为,物理教师在完成教学任务的过程中,一定要重视对学生建模意识的培养,只有这样,才能使学生在解决物理问題时能清晰地
5、构建出相应情景条件下的物理模型,迅速找到解决问题的方法,从而达到培养学生创造性思维的目的。二、构建物理模型的作用1、 物理模型是物理规律和理论赖以建立的基础。物理学的目的是探索自然界广泛存在的各种最基本的运动形态、物质的结构及其相互作用,为自然界物质的运动、结构及相互作用提供一幅绚丽多彩、结构严谨的图画,以便人们认识世界和改造世界。要达到这样的目的,必须得出反映物理现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律,揭示物理事物本质属性之间的联系,此即物理规律,并要求在此基础上形成系统的、自洽的、严密的物理理论。而由于自然界物质的复杂性和多样性,完全按照物理客体的本来面目进行研究,问题将变得
6、很复杂,很难得出定量的物理规律和系统的物理理论,这就要求我们对其进行抽象,得出反映物理客体本质属性的物理模型。纵观物理学发展史,许多重大的发现与结论,都是由于科学家们经过大胆的猜想构思,创建出科学的理想化的物理模型,并通过实验检验或实践验证,模型与事实基础很好吻合的前堤下获得的。法拉第在1852年,对带电体、磁体周围空间存在的物质,设想出电场线、磁场线一类力线的模型,并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线分布形状,从而建立了场的概念,对当前的传统观念是一个重大的突破。1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发,大胆地建立了光子模型,并提出著名的爱因斯坦光电效应方程,圆满地解释了光电效应现象。卢瑟福以特有
7、的洞察力和直觉,抓住粒子轰击金箔有大角度偏转这一反常现象,从原子内存在强电场的思想出发,于1911年构思出原子的核式结构模型。“哈勃定律”所反映的大爆炸宇宙模型,指出了我们周围的宇宙并不是静态的、恒定的、而是动态的、膨胀的。从而冲破了传统观念的束缚,为研究宇宙的起源和演化扫清了道路。2、 利用物理模型可解释物理现象和实验定律。利用物理模型,可得出一些是实验事实相符合的理论结果,从而解释物理现象和实验定律。例如爱因斯坦建立光的波粒二象性模型来解释光电效应实验事实。光电效应是当光照射到金属上时,有电子从金属中逸出。这种电子称为光电子。实验证明,只有当光的频率大于一定值时,才有光电子发射出来;如果光
8、的频率低于这个值,则不论光的强度多大,照射时间多长,都没有光电子产生;光电子能量只与光的频率有关,而与光的强度无关,光的频率越高,光电子的能量就越大;光的强度只影响光电子的数目,强度增大,光电子的数目就增多。按照爱因斯坦光的波、粒二象性模型,当光照射到金属表面时,能量为的光子被电子吸收。电子把这个能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力做功(逸出功),另一部分就是电子离开金属表面后的动能。这个能量关系可写为。式中是电子的质量,是电子逸出金属表面后的速度,是电子逸出金属表面所需要做的功,称为逸出功。如果电子所吸收的光子的能量小于,则电子不能逸出金属表面,因而没有光电子产生。光的频率决定光子的能量
9、,频率越高,能量越大,光的强度只决定光子的数目,光子多,产生的光电子也多。这样就利用爱因斯坦光的波粒二象性对光电效应的实验结果作出了完美的解释。、利用物理模型可作出科学的预言。作为对物理事物简化描述的物理模型,不仅能够解释物理现象和实验定律,而且也常常能够作出科学的预言,指明进一步研究的方向。比如海王星的发现就是对物理模型的研究而作出科学预言的实例。法国学者布瓦尔得通过不断地对天王星观测后发现,根据不同时间的资料计算出的天王星运行轨道互不相同。德国数学家贝塞尔为解释这一实验事实,利用开普勒行星轨道模型和牛顿引力理论,大胆预言存在一颗新的行星。1946年9月23日,德国天文学家伽勒观测到了这颗行
10、星,即海王星,从而证实了贝塞尔预言的正确性。4、教学中物理模型的构建实质上就是培养物理的创造性思维。所谓物理创造性思维,就是物理思维结果具有新奇性、独创性、目的性和价值性的物理思维活动。首先,思维的产品必须是新奇的和有独创的,其次,思维的产品必须符合物理思维的目的和具有一定的价值。物理思维的独创性是在思维深刻性的基础上引申出来的一个思维品质,主要表现为善于提出新的物理问题,善于不依赖现成的解决问题的方法及别人的思想和暗示,善于采用新的思路和方法解决问题,善于采用新的实验方法,设计新的实验方案,善于对物理事实和规律提出新的解释和理解,允许不寻常的思维自由驰骋。因此,物理创造性思维包括两方面内容:
11、一是重新安排、组合已有的物理知识,创造出新的知识和形象;二是突破已有的物理知识,提出崭新的见解、设想、思路和观点等。当然,实际上,物理创造性思维不是一种基本的思维形式,而是物理抽象思维、形象思维和直觉思维的综合。物理模型有两个主要特征。一是抽象性和形象性的统一。一般情况下,物理模型的建立过程是一个抽象思维和形象思维相结合的过程,而建立的物理模型本身又是抽象性与形象性的统一体。例如,卢瑟福的原子核核式模型。卢瑟福从实验事实(粒子散射实验)出发,分析粒子偏转的三种现象,推翻汤姆生的葡萄干布丁模型,再建立起原子核的核式结构。在这一过程中,既利用了分析、比较、抽象、概括等抽象思维的方法,也利用了形象类
12、比等形象思维的方法,是抽象思维和形象思维共同作用的过程。又如质点模型的建立主要利用了抽象的方法(当然也需要形象思维的参与,需要一定的形象作为依托),而质点模型是用一个没有大小、形状,只具有质量的几何点(具有抽象性)来代替实际的物体(具有形象性),是抽象性与形象性的统一体。二是科学性与假定性的统一。物理模型不仅反映了原型的直观形象,反映了原型的主要特征,抓住了影响问题的主要因素,而且要以科学知识和实验事实为依据,经过分析、综合、比较、抽象、概括、推理等一系列严格的逻辑论证,从而建立起相应的物理模型,所以,具有一定的科学性。另一方面,物理模型来源于现实,又高于客观现实,是物理思维的结果,在形成模型
13、的过程中,除要利用分析、综合、抽象等一系列严格的逻辑论证外,还要利用形象思维和直觉思维的方法,发挥创造性的想像力,而任何物理模型都只是对客观实际的一种近似反映,所以,又具有一定的假定性,其正确性要靠实验来检验。由此看来,在教学中重视学生的建模意识、培养建模能力实质上是培养学生的创造思维能力,建模活动本身就是一项创造性的思维活动。它可以培养学生的想象能力,直觉思维能力,猜测、转换、构造等能力,这些能力正是创造性思维所具有的最基本的特征。在物理建模的过程中,一方面按照抽象思维的活动规律不断进行分析、综合、归纳、演绎,另一方面运用形象思维进行多层次地思考(多向思考、侧向思考、立体思考、逆向思考等),
14、在此基础上对抽象思维的结论进行取舍,建立具体的物理模型,一旦达到统一就进入了创造性思维集中活动的阶段。因此,可以说物理建模的过程就是物理创造性思维的过程。三、 在高中物理教学中如何建模?在研究物理问题当中,将物理对象、物理过程或物理情境处理成简单的模型后进行分析与计算十分常见。例如宏观现象中的“日心说”、微观现象中的“原子核式结构模型”等;又如物理概念的建模有:质点、点电荷 、单摆、弹簧振子、电场线等;物理过程的建模有:匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐运动、简谐波等;物理情境的建模有:碰撞模型、子弹打木块模型、带电粒子在电场中运动模型等;物理实验的建模有
15、:伽利略的理想实验模型、卢瑟福的粒子散射实验等。、对物理概念建模。物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映,是物理事物的抽象,是观察、实验和物理思维的产物。任何物理概念的形成都离不开物理思维。例如,虽然人们经常能观察到天体的运动、人的行走、动物的奔跑、车辆的前进、机器的运转等现象,但如果不通过分析、比较、抽象、概括等物理思维过程,找出它们共同的、本质的属性和特征,即一个物体相对于另一个物体位置的变化,就不可能建立机械运动的概念。而我们在建立物理概念的时候,又必须忽略所研究物理原型的一些次要因素,抓住影响物理事物的主要因素来反映所研究的物理事物的本质属性,这样就建立理想化的物
16、理模型,如质点、理想气体、点电荷、纯电阻、刚体、理想流体、绝对黑体等等。我们在研究地球绕太阳公转时,可忽略地球的大小、形状,把地球简化为一个有质量的点质点来考虑,并可得出许多与观测数据基本相符的结论。这是由于地球与太阳的平均距离(约为)远大于地球的半径(约为),地球上各点相对于太阳的运动可以看成是相同的,质点正确地反映了地球绕太阳公转这一过程中地球的特征。但当研究地球自转时,地球的大小和形状就与影响这一运动的主要因素,不能忽略,质点不能反映这一运动中地球的本来面目。又如点电荷模型,观察实验表明:两个静止的带电体之间的作用力(静电力)除与电量及相对位置有关外,还依赖于带电体的大小、形状及电荷的分
17、布情况。要用实验直接确立所有这些因素对静电力的影响是困难的。但是,如果带电体的线度比带电体之间的距离小得多,那么,静电力就基本上只取决于它们的电量及其之间的距离,这时,我们就忽略带电体的大小、形状及电荷分布等次要因素,抽出带电体的电量及它们之间的距离这些主要因素,将带电体视为只带有电量的一个几何点,此即点电荷。它是库仑定律赖以建立的基础,但要注意,一个带电体能否被看作点电荷,不仅取决于它本身的大小,而且取决于它们之间的距离以及讨论问题时所要求的精确程度。、对物理过程建模。自然界是由物质组成的,物质的运动是绝对的,但运动的形式是多种多样的,我们为了研究物质各种复杂的运动形式,得出定量的运动规律,
18、必须根据研究问题的内容和性质,在一定条件下对具体的运动过程及限制这些过程的条件进行抽象,形成理想化的过程。例如,对于在地面附近的速度不太大的抛体运动的研究,就是先对实际运动进行抽象,形成理想化的过程,再得出这种情况下的规律,最后考虑到其他次要因素的影响,得出逼近真实情况的结论。实际的抛体不但有一定的质量,而且有一定的大小和形状;它不但受地球引力的作用,而且受空气阻力的影响;空气阻力不但与抛体的形状、大小和飞行速度有关,而且与当时当地的空气密度、温度、风力、风向等许多因素有关;另外,抛体不但有平动,而且有转动;地球的引力也要受到当地的纬度、抛体的高度等许多因素的影响。如果想一下子把握所有这些情况



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