物理建模在物理教学中的作用

肖 思,邢若晨

(1.中南大学 物理与电子学院,长沙 410083;2.中南大学 先进材料超微结构和超快过程研究所,长沙 410083)

1 提高物理教学的实用性和趣味性势在必行

物理这门学科,从初中开始接触,高中继续学习并作为高考考试科目受到重视[1].即使进入了高等学府,高校物理作为一门基础课程,也成为了大多数专业的必修课.初步估计,截止到2012年底,全国每年需要接受物理教学的普通高校学生多达一千五百万人.因此,必须要重视高校物理的教学工作和实际效果[2].

因为在进入高校之前,学生已经进行了五到六年的物理学习,一般性的物理知识已经具备,对基于高等数学基础上的高等物理学习普遍提不起兴趣.根据笔者的第一手调查结果显示,某大学电信专业 2013年下半学期《普通物理》的到课率在51%到80%之间;2013年上半学期《普通物理》的及格率仅在75%左右,排名为诸多公共基础课之尾[2].学生对物理学习缺乏兴趣以至于教学质量不高,已成为了高校物理教学的普遍问题.

针对学生的匿名调查显示,学生对物理学习缺乏兴趣的原因主要有三:一是基本物理概念已经在初中、高中学过,感觉高校物理只是在难度上有所增加,没有新意;二是感觉物理学好后,没有实际运用价值;三是物理课后习题和考试只是众多公式的套用,只需要临时死记硬背就可及格,无需认真学习(这种想法很明显是错误的,只有75%的及格率已经证明了这一点).

针对学生的态度,高校的物理教学确实需要改进,提高物理教学的实用性和趣味性势在必行.

2 物理教学改革的重点在于改变成规

高校物理教学改革的突破口应在物理习题的选择上.因为教学方式因人而异,并无规定套路,也无法做到对授课老师的全面培训,一时难以突破.而高校物理教材已经有各种完善的高校专用版本,不可能做到一刀切,修改难度太大.因此,最有可能的突破是在课后习题上.

每个任课老师都能自主布置课后习题,无需严格按照物理教材进行,拥有极大的自主性,不会遇到任何改革障碍;课后习题无需正式编著成书,老师可以选择用电子版发给学生完成,学生也可使用电子版或纸版形式完成,花费最小,没有任何经费问题.

但物理习题的改革应该遵循以下原则:物理习题应该有新意,突出高等院校大学物理与初高中物理的不同;物理习题应能激发学生的兴趣,让其愿意主动完成,而不是被动完成;物理习题应能对学生走向社会后的工作有所裨益,让其愿意精益求精地完成,而不是敷衍了事;物理习题成绩能作为综合成绩的有益补充,答案能够体现灵活性和公平性,杜绝抄袭等恶劣现象.

综上所述特点,物理建模习题可作为物理课后习题的重要改革目标.

3 物理建模应用的具体实例和优势分析

类似于已经成熟的数学建模,物理建模就是用物理知识来解决实际问题.物理建模习题和普通物理习题不同的是,它只给出了一个问题,不提供解决问题必须的任何条件和提示.学生需要将这个问题进行抽象化,建立物理模型,并自主搜寻解决问题需要的条件,并要求在计算过程中做出近似才能得到最终结果,而且要求学生进一步分析其意义所在[3].

笔者已经多次在执教的物理课上布置物理建模习题,收到了良好的反应.以下就是笔者在上完电磁学后布置的相关物理建模习题:“需要给月球充上多少正(负)静电荷,才能抵消地球的南北极磁场？”可以看到,这道习题和通常的课后习题不同,只给出了一个问题,没有任何计算条件和具体数值.因此也无需授课老师进行事先准备,没有任何额外的精力或经费花费.

但这道题能对学生的能力进行充足的锻炼和考察.首先,这个问题锻炼了学生将具体问题抽象化,建立物理模型的能力,有助于其以后在工作中的实际问题处理.解决思路如下:月球绕着地球旋转,轨道为椭圆.如果月球带上静电荷,等效于带电离子做近似圆周运动,会产生相应的磁场.这个问题实际上考察的是做椭圆运动的粒子需要带多少静电荷,才能对椭圆轨道的某个焦点产生特定的磁场强度.具体问题抽象化,也就是建模练习,是高校物理和初高中物理的一个重要不同.学生面对的不是设计好的抽象问题,而是需要自行将具体问题化为抽象问题,是一种崭新的挑战,能够给予学生新鲜感,激发学习兴趣.

其次,如果要解决这个问题,还需要很多参考条件:如地球南北极磁场的强度,月球和地球的质心距离,月球移动的速度等.这些数据全部可以在网上或相关资料上检索得知,因此可以锻炼学生搜索资料,调研文献的能力,而且提供了一个进行扩展知识学习的机会.这也是高校学生和初高中学生的一个重要不同:高校学生需要自主学习和自主知识扩展.

当参数收集齐后,可以利用刚学的安培定律进行解答.这是高校物理中才讲授的定律,有助于提高学生的新鲜感,也对课堂上学到的知识进行了巩固加深.解答过程中,学生还可以锻炼出另一种工作或研究常用的能力——如何近似.用安培法则解答,需要将带电粒子运行轨道为圆形.但实际月球轨道是椭圆,地月距离不断变化,采用何等标准选择合适的半径进行计算？月球绕地球旋转的平面不同于大部分行星的天然卫星,是接近黄道平面,而非地球的赤道平面.这个问题如何取舍？地球的地磁场并不和地理南北极重合,磁轴与地球自转轴大约成 11.3°的倾斜,这个事实对实际解答又有什么影响？学生需要对众多实际问题近似简化,进行取舍后才能得到自己的结果,充分体现了自主性.一方面,极大的自主性能激发学生的研究兴趣;另一方面,自主性又能让不同能力程度的学生选择不同的难度——知识掌握程度低的学生可以选择比较容易的强近似;知识掌握程度高的学生可以选择更加复杂的弱近似条件进行解答.通过这种方式,非常容易就能达到习题难易程度的区分对待,有很好的灵活性.另外,不同近似导致的最终结果的偏差,也可以让学生了解和掌握近似对误差范围的影响.

当解答出最终答案后,可以让学生思考其现实意义,并让感兴趣的学生进行扩展研究.如提问“所需的电荷相当于多少7号电池容量？如何将这些静电荷转移到月球上？所需最小做功多少？”如此一来,就可以进行滚动式的研究讨论,形成一个长效的机制.

另外,针对物理学某一特定学科领域,设定物理建模习题也非常容易.如笔者在学生中颇受好评的物理建模习题还有“月球上为什么没有大气层”.这道题适合刚学完热力学的学生进行,需要考虑月球的第一宇宙速度和不同温度下的空气分子热运动速度.后续的扩展问题可以为“如何让月球保持大气层”或“如何将空气有效率地转移到月球上”.老师可以针对学生的学习内容自主设定和提出,无需花费大量精力.

在物理建模习题推广中,笔者尝试两到三人合作进行一个建模习题的研究,这种做法能有效地提高解答效率,并培养重要的分工协作能力.所得到的结果,在各个小组之间进行横向对比,这样提供了学生进行互相交流的机会.此外,因为解答中需要用到大量的近似,所以不可能存在一模一样的答案,杜绝了抄袭和作弊,从而兼顾了灵活性和公平性.

综上所述,物理建模习题具有新意,突出了高等院校物理与初高中物理的不同;能激发学生兴趣和主动性;锻炼的能力对学生今后的工作有所裨益;并兼顾了灵活性和公平性;改革花费小,可作为物理教学的重要改革目标.

4 物理建模习题需要注意事项

物理建模习题具有诸多优势,但布置和实行时仍有需要注意的事项:

其一,必须注重时效性.2010年中国青年出版社出版的《趣味物理学问答》[4],作者为俄罗斯著名科普作家别莱利曼.此书能帮助测验出善于思考的读者实际掌握物理基础知识的程度,其中很多问题都可以直接用于物理建模练习.但要注意的是,此书原文出版于 1916年,书中部分问题已经有了最新的科研成果.因此,物理建模练习的参考书一定要注意时效性,尽量采用最新出版的书籍(外文翻译书要注意原文第一版日期).

其二,物理建模问题解答一定要数据化.如下例问题:“下雪后世界很安静是为什么？”尽管答案是因为刚下的雪很蓬松,表面的微孔能吸收声音,具有一定的物理意义.但因为无法进行数据计划,而不能让学生得到很好的锻炼.

其三,物理建模问题一定要建立在高等院校物理知识上,避免用初高中知识就能解答的情况.

其四,物理建模习题更加适合高等院校学生:因为他们有一定的知识基础,能进行抽象思维;有一定的空闲时间,能上网查询资料和数据;需要面对参加工作的压力,有动力锻炼自己的能力;能够互相讨论,有一定的写作能力.

总之,高等学校的物理是一门涉及范围广泛的重要课程,急需增加其实用性和趣味性来提高教学质量,让学生满意.在教学中增加物理建模练习并在成绩中体现,改革阻力小,花费成本小,改革效果显著,能有效锻炼学生的具体事物抽象化、信息收集和数据近似处理等能力,有助于提高学生的协作能力和学习兴趣,值得推广.但要注意建模练习题的时效性、数据化、知识面范围和针对对象.

[1] 刘喜斌.中学物理“目标教学”再探——竞赛达标教学法[J].云梦学刊,1993,(03):78～80

[2] 周友文.谈物理课堂教学与学生能力的培养[J].云梦学刊,2008,(S1):141～142

[3] 王佳眉,唐 南,杨德智.论考试成绩与本科教学质量提高[J].重庆大学学报(社会科学版),2006,(12):134～138

[4] 雅科夫·伊西达洛维奇·别莱利曼.趣味物理学(续编)[M].谷 羽,赵秋长,译.武汉:湖北少年儿童出版社,2009