理想化方法在物理學中的應用

呼和滿都拉 王艷華 胡曉穎

摘 要：物理學中的研究方法有許多種，理想化方法即為其中十分重要的一種，在物理學建構大廈的建設中起著舉足輕重的地位。理想化實驗是人們在思想中塑造的一種理想實驗，是邏輯推理的一種十分特殊的形式，理想化實驗并沒有脫離生活實際隨心所欲的假想，而是以實際生活的實踐經(jīng)驗作為想象的基礎點，在已經(jīng)存在的科學實驗的基礎之上建立的、模擬的。理想化方法抓主排次對實際的情況進行的科學抽象，最后深入本質得到真相。

關鍵詞：理想化方法；理想化模型；理想化實驗

物理學術語理想化方法，就是一種理論思維的方法，是人們在認識事物、探索事物內(nèi)在本質和規(guī)律的過程中形成的。物理建構大廈的組成，包含了形形色色的理想化方法。理想化方法包括：理想化模型和理想化實驗兩個部分。

1.研究的內(nèi)容

1.1理想化模型

將現(xiàn)實生活中復雜難辨的各種因素影響下的物理過程，提取出來其受影響的主要因素，進行抽象化的過程。舉個例子，在學習電學時，我們研究電荷間的相互作用時，研究電荷作用力的大小受什么因素影響的時候，可以知道受到帶電體的形狀、大小、所帶電荷量的多少、電荷的分布、電荷之間的相對位置，以及介質等多種因素的影響。這么多的因素夾雜在一起如果我們眉毛胡子一把抓，不分主次地考慮各種因素，就會感覺無從下手，也根本得不到最終我們想要的結果。在物理研究歷史以來，大量的實驗表明：起決定作用的就是電荷的電量，以及介質的介電常數(shù)。這才是最重要的因素。我們不能眉毛胡子一把抓，要分清主次。建立“理想模型”，行之有效，化繁為簡。

物理學研究中，理論與實踐是相輔相成、互相促進，缺一不可的，物理學是一門建立在實驗基礎上的學科，實驗事實需要理論知識的總結概括和描述，另一方面，理論知識也需要由實驗來驗證。這就是理論聯(lián)系實際的理念。

1.2理想化實驗

理想化實驗（是一種假想的實驗），是人們在思維進程中塑造的一種理想化的過程，（它是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法），理想化實驗并沒有脫離生活實際隨心所欲的假想，而是以實際生活的實踐經(jīng)驗作為想象的基礎點，在已經(jīng)存在的科學實驗的基礎之上建立的、模擬的，理想化實驗是對實際的情況進行的科學抽象，最后深入本質得到真相。偉大的物理學家愛因斯坦就十分重視理想實驗的研究。眾所周知愛因斯坦對于相對論的研究使得人類科學發(fā)生了翻天覆地的變化。愛因斯坦通過設想的閃電理想實驗，提出了同時性的相對性概念。這就是理想化思想在物理學中重要的運用之一。因為運用了理想化的思維方式，偉大的物理學家愛因斯坦，為人類物理科學的發(fā)展翻開了嶄新的一頁，譜出了震撼宇宙的一首華麗的樂章。

2.研究的方法

2.1對象模型

理想化模型中的對象是用來代替研究對象實體的理想化模型，比如質點、彈簧振子都屬于對象模型，是對實物的一種理想的簡化，有助于問題的解決。

2.2條件模型

條件模型就更多了，比如很光滑的水平面，平直無摩擦的軌道等，就如一個神話故事需要為之作為背景的天宮。

2.3過程模型

我們知道在現(xiàn)實生活中的許多物理過程都是在很多因素的共同作用下發(fā)生的，這個時候，我們應該分清主次，要忽略次要因素的作用和影響，只考慮主要因素引起的變化，這樣的過程叫過程模型，其實是對干擾因素的一種簡化，排除干擾。例如，在平拋的過程中，在高度較小時，空氣的作用忽略不計時，可抽象為豎直方向上的自由落體運動和水平方向上的勻速直線運動，但是空氣在物理過程發(fā)生的進程中也確實起到了影響，由于其影響力較小，屬于次要因素，故而將其忽略，這就是化繁為簡的理想化方法。

3.實踐調查

在為期半月的實習過程中，我通過實習過程中對學生以及指導教師的問卷調查，發(fā)現(xiàn)了一些問題，現(xiàn)在陳述如下：

3.1對學生的調查

3.1.1問題一

解決問題中缺乏模型意識，對基本知識概念不理解。表現(xiàn)在：思維障礙缺乏模型意識，對概念和規(guī)律掌握不夠深刻通透。通過對學生的調查，發(fā)現(xiàn)學生在概念、規(guī)律的學習中，對模型是什么樣的形象認識不清晰，猶如瞎子摸象，知其一面而不知其全貌。通過此次調查發(fā)現(xiàn)學生只知道物理學習中有“質點”，但是怎樣的情況物體可以被視為質點并不清楚。

3.1.2問題二

不清楚建立理想化模型的方法和要求。學生在學習過程中突出的表現(xiàn)出了一個嚴重的知識弊端，那就是對于理想化方法中的模型化知識屬于蜻蜓點水一般，認識只是在極其表面的程度。以質點為例：絕大部分同學知道質點是理想化模型，但其中只有一半學生知道為什么要建立？是如何建立的。同樣質點的應用過程中也反映出來這個問題。這就是知識儲備完全不夠的表現(xiàn)。

3.1.3問題三

思維定式的影響。表現(xiàn)為：經(jīng)驗模型造成了我們所熟知的思維定式。造成了思維方向偏離解決問題的正確方向，使得思維發(fā)散受到束縛。潛在性假設，思維自閉封鎖兩種表現(xiàn)潛在性假設即為：過去經(jīng)驗對解決當前問題的一種影響。課本上或參考資料上的習題，經(jīng)常是直接給出簡化后的物理模型圖景，學生自然而然地直接忽略了建模的思想過程，使得學習解決問題變成了因成績而必須要做的無謂的事情。這就像我們沒有科學的世界觀和方法論，不知道學習的目的到底是什么，到底該為誰服務。就像文章《等待戈多》中，兩個流浪漢都在等待戈多，卻不知道戈多到底是什么，到底是人還是物。這樣長此以往怎么會有創(chuàng)新意識？思維身陷囹圄，甚至瀕臨窒息。

3.1.4問題四

沒有掌握相應的建模方法和技能。具體表現(xiàn)在：在處理問題的過程中，完全不知道該如何建模。

3.2對教師的調查

在實習過程中我除了對學生進行調查以外，還對部分指導教師進行了問卷調查。有一部分教師本身對物理模型概念的理解不是很深刻，認為物理模型就是書上所提到的質點、點電荷和單擺是理想化模型；還有一部分教師認為學生功底太差，應該好好學習掌握基礎知識，而不是進行什么建模思想的訓練。這些教師把物理模型建立的責任推到科學家的身上，忽略了每一個孩子都可能成為科學家的可能。要知道人的潛力是有諸多可能性的。為了自己教學的簡易，避重就輕，不開發(fā)學生積極思考的智力。這就猶如將科學知識直接灌入學生的胃中，卻不給學生咀嚼消化的時間，試問這怎么可能不會營養(yǎng)不良呢？另外，有些教師認識到了物理模型的重要性，但不知應如何在日常教學中，系統(tǒng)有效地開展物理模型的教學。就像我們明知道前方就是伊甸園，卻不知哪條道路是真的通向那里的。

3.3調查總結

3.3.1結論一

通過實習過程中對學生以及指導教師的問卷調查，發(fā)現(xiàn)一些問題，現(xiàn)在陳述如下。發(fā)現(xiàn)九成以上的學生的解題模式為：拿到習題先進行審題，然后頭腦風暴所學過的公式，直接套用然后求解：然而專家的解題模式大為不同除了跟學生一樣先進行審題以外，要選取研究對象，建立物理模型，進而分析物理過程和狀態(tài)，運用適當?shù)母拍詈鸵?guī)律求解，作答后還要進行必要的檢查。學生所形成這樣的解題模式是由于長期以來的知識和實踐經(jīng)驗的固有化模式所造就的。

3.3.2結論二

3.3.3調查結束語

通過此次調查問卷，學生學習的問題只是暴露出了冰山一角。教學是一個雙向的過程。我們首先應該弄清楚學生為什么不能很好地理解我們所傳授的知識，通過現(xiàn)象要看到問題的本質。所謂的因材施教，對癥下藥，不外乎就是這個道理。同時，我們應該注重教育者本身的作用，不能單方面的、片面的做教學評價，重要的是全方位地理解學生，選定教學方法，激起學生的好奇心和求知欲。這是重中之重。作為新世紀的物理教師，我們不能拿傳統(tǒng)的傳道授業(yè)解惑的簡單單一性原則來要求我們自己，必須得適應時代變革，與時俱進，開拓創(chuàng)新。

參考文獻：

劉遠全.物理學中的理性化方法[N].科技咨詢導報，2007-11-01：19.

基金項目：本文系內(nèi)蒙古自治區(qū)高等教育科學“十二五”規(guī)劃課題項目基金（NGJGH2013048）。

作者簡介：呼和滿都拉，男，1982年2月出生，碩士，就職于內(nèi)蒙古烏蘭察布市集寧師范學院物理系，研究方向：大學物理課程建設。

王艷華，女，1982年1月出生，碩士，就職于內(nèi)蒙古烏蘭察布市集寧師范學院物理系，研究方向：大學物理課程建設。

胡曉穎，女，1979年6月出生，碩士，就職于內(nèi)蒙古烏蘭察布市集寧師范學院物理系，研究方向：大學物理課程建設。