利用物理模型培養學生的創新能力

王彥平

物理學所分析、研究的實際問題往往很復雜,為了便于著手分析與研究,物理學中常常采用“簡化”的方法,對實際問題進行科學抽象的處理,用一種能反映原物本質特性的理想物質或假想結構,去描述實際的事物過程。這種理想物質過程或假想結構稱之為物理模型。物理模型的建立,是人們認識和把握自然的一個典范。物理模型的建立是一個創造性過程,對物理模型的認識和理解也是一個創造性的過程,一個培養創新能力的過程。可見,引導學生真正認識和理解甚至建立物理模型,顯然是培養學生創造性思維和創新能力的不可多得的途徑。

1 中學物理學中的模型類別

物理模型就是采用理想化方法,通過對原型客體在一定條件下,經過“去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里”,抽象出同類原形客體的共同特性而建立的一種理想模型。它又主要分為以下幾種類型:物理對象模型(如質點、點電荷、薄透鏡、點光源等)、物理過程模型(如簡諧運動、勻速直線運動、勻速圓周運動、平拋運動、氣體的等壓、等容、等溫變化等)、物理條件模型(如單擺的運動,忽略單擺擺線的形變,將軌跡以曲代直;研究機械能轉化守恒時,忽略阻力作用;研究地球公轉時,忽略地球大小和自轉等條件理想化處理)、理想實驗模型(如伽利略在發現慣性定律時所設想的在純粹理想狀態下的斜槽實驗)。

2 物理模型在教學中的運用

2.1 建立模型概念,理解概念實質物理模型大都是以理想化模型為對象建立起來的。建立概念模型實際上是撇開與當前考察無關的因素以及對當前考察影響很小的次要因素,抓住主要因素,認清事物的本質,利用理想化的概念模型解決實際問題。如質點、剛體、理想氣體、點電荷等,學生在理解這些概念時,很難把握其實質,而建立概念模型則是一種有效的思維方式。

2.2 認清條件模型,突出主要矛盾條件模型就是將已知的物理條件模型化,舍去條件中的次要因素,抓住條件中的主要因素,為問題的討論和求解起到搭橋鋪路、化難為易的作用。

2.3 構造過程模型,建立物理圖景過程模型就是將物理過程模型化,將一些復雜的物理過程經過分解、簡化、抽象為簡單的、易于理解的物理過程。過程模型的建立,不但可以使問題得到簡化,還可以加深學生對有關概念、規律的理解,有利于培養學生思維的靈活性。

2.4 轉換物理模型,深入理解模型通過對理想化模型的研究,可以完全避開各種因素的干擾,在思維中直接與研究對象的本質接觸,能既快又準確地了解事物的性質和規律。例如建立起“單擺”這一理想化模型后,理解單擺的周期公式,可以解決類似于單擺的一系列問題:在豎直的光滑圓弧軌道內作小幅度滾動的小球的周期問題;在豎直的加速系統內擺動的小球的周期問題;在光滑斜面上擺動的小球的周期問題。

3 物理模型教學的一般過程

以高中物理“單擺”一節的教學為例,予以說明。

3.1 組織典型的演示實驗,初步建立單擺模型單擺就一理想化模型,在實際生活中,擺球的質量遠大于擺線的質量,擺線的形變很小可以忽略,擺線的長度遠大于擺球的直徑,就可視為單擺。單擺在擺角小于5°時其振動周期與擺球的質量無關,與擺球大小無關。這一組演示實驗可以激發學生的學習興趣,形成對單擺這一理想化模型的初步認識。

3.2 進行理論分析,深入理解模型單擺振動的等時性,對單擺的擺線、擺角的要求是一種表現特征,這可以通過上面的演示實驗觀察到。然而,要理解單擺運動的內在機理就非通過細致的理論分析不可。理論分析指出,擺球振動的回復力是擺球重力沿圓弧的切向分力,擺角很小時,F=-kx;其中k=mg/l,擺球作簡諧振動。由此得出單擺振動周期公式。這一分析過程,可由教師指導學生自己完成。單擺的內外特征是統一的,對擺線、擺角的要求是滿足單擺模型的內部特征的外部條件。

3.3 運用模型解決問題運用模型解決問題,是深入理解、鞏固模型的需要,也是學習物理模型的目的。課堂上運用模型解決問題的方式往往是做練習題,包括選擇題、判斷題、問答題、計算題以及觀察實驗題等。

4 使用模型應注意的問題

首先,建立物理模型,可使問題的處理大為簡化而又不會發生大的偏差。現實世界中,有許多事物與這種“理想模型”十分接近,在一定場合、一定條件下可以把實際事物當作“理想模型”來處理,但也要具體問題具體分析。其次,物理模型是在不斷完善發展的。隨著社會的不斷進步,人類對事物的本質的認識也是不斷深入和提高的,物理模型也相應地由初級向高級發展并不斷完善。

綜上所述,“模型”的教學與應用貫穿整個物理教學的始終,教師在教學中應充分給予重視,通過教讓學生更能理解、消化、掌握新知識。物理模型是培養學生創造性的很好素材,充分科學地用足用活物理模型,給學生營造一個寬松的充分體現以“學生為主”的課堂環境,以達到“教是為了不教”的目的,培養學生終身學習的綜合實踐能力,使他們成為21世紀所需要的復合型人才。

(作者單位:銀川育才中學)