论物理模型在中学物理教学中的运用

陶应楷

任何物理模型都是采用理想化方法,通过对原型客体(具体事物)在一定条件下的合理近似而抽象出同类原型客体的共同性而建立的。它是一个主观抽象和客观具体的辩证统一体,具有理想性和客观性、抽象性和可变性。由此决定了建立和应用物理模型的心理机构是想象和迁移,并需要较高层次的抽象思维、逻辑推演和类比联想能力与之对应。中学生的物理思维尚未达到高级和定型阶段,抽象思维正处在比较低的阶段。需要和现实间的落差决定了物理模型教学是物理教学难关之一,物理模型知识的分化和多样性也在客观上造成了模型教学的困难。物理学是一门研究物质最普遍、最基本的运动形式的自然科学。而所有的自然现象都不是孤立的。这种事物之间复杂的相互联系反映了必然联系的规律性,同时又存在着许多偶然性,给我们的研究增加了复杂性。为了使研究变为可能和简化,我们常采取先忽略某些次要因素,把问题理想化的方法,如引入匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动和简谐运动等理想化的运动。这就是先建立物理模型,然后在一定条件下,用于处理某些实际问题。可见,物理模型是指:物理学所分析的、研究的实际问题往往很复杂,为了便于着手分析与研究,物理学中常常采用“简化”的方法,对实际问题进行科学抽象的处理,用一种能反映原物本质特性的理想物质(过程)或假想结构,去描述实际的事物(过程)。这种理想物质(过程)或假想结构称之为“物理模型”。下面笔者结合高中物理教学,就此谈些体会和看法。

一、物理模型在中学物理教学中的作用

教师建立和正确使用物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力。例如,笔者在运动学教学中建立了“质点”模型,学生对这一模型有了充分的认识和足够的理解,为以后学习质点的运动、万有引力定律、物体的平动和转动,以及电学中的“点电荷”模型、光学中的“点光源”模型等奠定了良好的基础。

教师建立和正确使用物理模型有利于学生将复杂问题简单化、明了化,使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明,突出事物间的主要矛盾。

教师建立和正确使用物理模型对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用,可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易,起到事半功倍的效果。

二、物理教学中利用物理模型实施创新教育

教师首先要转变教育观念。教师应该认识到,教育不应该仅仅是训练和灌输的工具,而应该是发展认知的手段。素质教育的实施,将彻底改变以往的封闭式教学,教师和学生的积极性都将得到极大的尊重。由于学生的积极参与,每个学生的创造性都受到重视,指令性和专断的师生关系将难以维系。教师的权威将不再建立在学生的被动与无知的基础上,而是建立在教师借助学生的积极参与以促进其充分发展的能力之上。一个有创造性的教师应能帮助学生在自学的道路上迅速前进,教会学生怎样“对付”大量的信息,他更多的是一个向导和顾问,而不是机械传递知识的简单工具。在创新教育体系中,师生关系将进一步朝着“教学相长”的方向转变和深化。要培养学生的创新能力,教师还要明白“教”的真正意义。“教”不同于“训练”,教师如果把“教”混同于“训练”,就会强迫学生去全盘接受所教的内容,就会自觉不自觉地使学生按照别人的模式、计划和步骤去达到他人设计的目标,这就剥夺了本属于学生自己的自由发展和思考的权利。

其次,教师要理解“创新能力只能培养,不能教”。创新能力是培养出来的,它需要的只是一种友好的、和谐的生长环境,教育工作者只不过是去创造这样一种适合培养学生创新能力的环境而已。

中学物理教学是营造这种适合培养学生创造能力环境的良好途径,是培养学生创造性的一门好的学科。中学物理的教学有许多自身的特点,“物理模型”教学就是其中之一。

三、物理模型在中学物理教学中的运用

1.建立模型概念,理解概念实质。概念是客观事物的本质在人脑中的反映,客观事物的本质属性是抽象的、理性的。教师要想使客观事物在学生脑中有深刻的反映,必须将它与学生脑中已有的事物联系起来,使之形象化、具体化。物理模型大都是以理想化模型为对象建立起来的。建立概念模型实际上是撇开与当前考查无关的因素和对当前考查影响很小的次要因素,抓住主要因素,认清事物的本质,利用理想化的概念模型解决实际问题。

2.认清条件模型,突出主要矛盾。条件模型就是将已知的物理条件模型化,舍去条件中的次要因素,抓住条件中的主要因素,为问题的讨论和求解起到搭桥铺路、化难为易的作用。

3.构造过程模型,建立物理图景。过程模型就是将物理过程模型化,将一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。例如,为了研究平抛物体的运动规律,我们先将问题简化为下列两个过程:第一,质点在水平方向不受外力,做匀速直线运动;第二,质点在竖直方向仅受重力作用,做自由落体运动。

四、中学物理教师使用模型应注意的问题

1.模型是在一定条件下适用的。建立物理模型,可使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。现实世界中,有许多事物与这种“理想模型”十分接近,在一定场合、一定条件下,作为一种近似,我们可以把实际事物当作“理想模型”来处理,但要具体问题具体分析。

2.物理模型是在不断完善发展的,由初级向高级发展并不断完善。例如,原子模型的提出就是一个不断完善的过程。起初,人们认为原子是不可分的,其英文名称atom的原义即“不可分割”的意思。直到1897年汤姆生通过阴极射线实验发现电子,揭开了原子结构的序幕,汤姆生认为,原子是一个球体,正电荷均匀分布在球内,电子像枣糕里的枣子那样镶嵌在原子里,这就是汤姆生的“枣糕式”原子模型。此模型能说明原子是中性的,并能说明辐射电磁波形成原子光谱,但解释不了α粒子散射现象。卢瑟福进行了α粒子散射实验,他认为,在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转,这就是卢瑟福的“原子核式结构”模型。此模型可以解释α粒子散射实验,还可以估算出原子核的大小,但与经典电磁理论产生了两个矛盾。

总之,物理模型是培养学生创造性的很好素材,只要充分科学地用足用活物理模型,给学生营造一个宽松的充分体现“以学生为主”的课堂环境,我们就一定能培养出一代具有创新能力的适合现代化建设的人材。

参考文献:

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