理想化方法在物理学中的应用

呼和满都拉 王艳华 胡晓颖

摘 要：物理学中的研究方法有许多种，理想化方法即为其中十分重要的一种，在物理学建构大厦的建设中起着举足轻重的地位。理想化实验是人们在思想中塑造的一种理想实验，是逻辑推理的一种十分特殊的形式，理想化实验并没有脱离生活实际随心所欲的假想，而是以实际生活的实践经验作为想象的基础点，在已经存在的科学实验的基础之上建立的、模拟的。理想化方法抓主排次对实际的情况进行的科学抽象，最后深入本质得到真相。

关键词：理想化方法；理想化模型；理想化实验

物理学术语理想化方法，就是一种理论思维的方法，是人们在认识事物、探索事物内在本质和规律的过程中形成的。物理建构大厦的组成，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实验两个部分。

1.研究的内容

1.1理想化模型

将现实生活中复杂难辨的各种因素影响下的物理过程，提取出来其受影响的主要因素，进行抽象化的过程。举个例子，在学习电学时，我们研究电荷间的相互作用时，研究电荷作用力的大小受什么因素影响的时候，可以知道受到带电体的形状、大小、所带电荷量的多少、电荷的分布、电荷之间的相对位置，以及介质等多种因素的影响。这么多的因素夹杂在一起如果我们眉毛胡子一把抓，不分主次地考虑各种因素，就会感觉无从下手，也根本得不到最终我们想要的结果。在物理研究历史以来，大量的实验表明：起决定作用的就是电荷的电量，以及介质的介电常数。这才是最重要的因素。我们不能眉毛胡子一把抓，要分清主次。建立“理想模型”，行之有效，化繁为简。

物理学研究中，理论与实践是相辅相成、互相促进，缺一不可的，物理学是一门建立在实验基础上的学科，实验事实需要理论知识的总结概括和描述，另一方面，理论知识也需要由实验来验证。这就是理论联系实际的理念。

1.2理想化实验

理想化实验（是一种假想的实验），是人们在思维进程中塑造的一种理想化的过程，（它是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法），理想化实验并没有脱离生活实际随心所欲的假想，而是以实际生活的实践经验作为想象的基础点，在已经存在的科学实验的基础之上建立的、模拟的，理想化实验是对实际的情况进行的科学抽象，最后深入本质得到真相。伟大的物理学家爱因斯坦就十分重视理想实验的研究。众所周知爱因斯坦对于相对论的研究使得人类科学发生了翻天覆地的变化。爱因斯坦通过设想的闪电理想实验，提出了同时性的相对性概念。这就是理想化思想在物理学中重要的运用之一。因为运用了理想化的思维方式，伟大的物理学家爱因斯坦，为人类物理科学的发展翻开了崭新的一页，谱出了震撼宇宙的一首华丽的乐章。

2.研究的方法

2.1对象模型

理想化模型中的对象是用来代替研究对象实体的理想化模型，比如质点、弹簧振子都属于对象模型，是对实物的一种理想的简化，有助于问题的解决。

2.2条件模型

条件模型就更多了，比如很光滑的水平面，平直无摩擦的轨道等，就如一个神话故事需要为之作为背景的天宫。

2.3过程模型

我们知道在现实生活中的许多物理过程都是在很多因素的共同作用下发生的，这个时候，我们应该分清主次，要忽略次要因素的作用和影响，只考虑主要因素引起的变化，这样的过程叫过程模型，其实是对干扰因素的一种简化，排除干扰。例如，在平抛的过程中，在高度较小时，空气的作用忽略不计时，可抽象为竖直方向上的自由落体运动和水平方向上的匀速直线运动，但是空气在物理过程发生的进程中也确实起到了影响，由于其影响力较小，属于次要因素，故而将其忽略，这就是化繁为简的理想化方法。

3.实践调查

在为期半月的实习过程中，我通过实习过程中对学生以及指导教师的问卷调查，发现了一些问题，现在陈述如下：

3.1对学生的调查

3.1.1问题一

解决问题中缺乏模型意识，对基本知识概念不理解。表现在：思维障碍缺乏模型意识，对概念和规律掌握不够深刻通透。通过对学生的调查，发现学生在概念、规律的学习中，对模型是什么样的形象认识不清晰，犹如瞎子摸象，知其一面而不知其全貌。通过此次调查发现学生只知道物理学习中有“质点”，但是怎样的情况物体可以被视为质点并不清楚。

3.1.2问题二

不清楚建立理想化模型的方法和要求。学生在学习过程中突出的表现出了一个严重的知识弊端，那就是对于理想化方法中的模型化知识属于蜻蜓点水一般，认识只是在极其表面的程度。以质点为例：绝大部分同学知道质点是理想化模型，但其中只有一半学生知道为什么要建立？是如何建立的。同样质点的应用过程中也反映出来这个问题。这就是知识储备完全不够的表现。

3.1.3问题三

思维定式的影响。表现为：经验模型造成了我们所熟知的思维定式。造成了思维方向偏离解决问题的正确方向，使得思维发散受到束缚。潜在性假设，思维自闭封锁两种表现潜在性假设即为：过去经验对解决当前问题的一种影响。课本上或参考资料上的习题，经常是直接给出简化后的物理模型图景，学生自然而然地直接忽略了建模的思想过程，使得学习解决问题变成了因成绩而必须要做的无谓的事情。这就像我们没有科学的世界观和方法论，不知道学习的目的到底是什么，到底该为谁服务。就像文章《等待戈多》中，两个流浪汉都在等待戈多，却不知道戈多到底是什么，到底是人还是物。这样长此以往怎么会有创新意识？思维身陷囹圄，甚至濒临窒息。

3.1.4问题四

没有掌握相应的建模方法和技能。具体表现在：在处理问题的过程中，完全不知道该如何建模。

3.2对教师的调查

在实习过程中我除了对学生进行调查以外，还对部分指导教师进行了问卷调查。有一部分教师本身对物理模型概念的理解不是很深刻，认为物理模型就是书上所提到的质点、点电荷和单摆是理想化模型；还有一部分教师认为学生功底太差，应该好好学习掌握基础知识，而不是进行什么建模思想的训练。这些教师把物理模型建立的责任推到科学家的身上，忽略了每一个孩子都可能成为科学家的可能。要知道人的潜力是有诸多可能性的。为了自己教学的简易，避重就轻，不开发学生积极思考的智力。这就犹如将科学知识直接灌入学生的胃中，却不给学生咀嚼消化的时间，试问这怎么可能不会营养不良呢？另外，有些教师认识到了物理模型的重要性，但不知应如何在日常教学中，系统有效地开展物理模型的教学。就像我们明知道前方就是伊甸园，却不知哪条道路是真的通向那里的。

3.3调查总结

3.3.1结论一

通过实习过程中对学生以及指导教师的问卷调查，发现一些问题，现在陈述如下。发现九成以上的学生的解题模式为：拿到习题先进行审题，然后头脑风暴所学过的公式，直接套用然后求解：然而专家的解题模式大为不同除了跟学生一样先进行审题以外，要选取研究对象，建立物理模型，进而分析物理过程和状态，运用适当的概念和规律求解，作答后还要进行必要的检查。学生所形成这样的解题模式是由于长期以来的知识和实践经验的固有化模式所造就的。

3.3.2结论二

3.3.3调查结束语

通过此次调查问卷，学生学习的问题只是暴露出了冰山一角。教学是一个双向的过程。我们首先应该弄清楚学生为什么不能很好地理解我们所传授的知识，通过现象要看到问题的本质。所谓的因材施教，对症下药，不外乎就是这个道理。同时，我们应该注重教育者本身的作用，不能单方面的、片面的做教学评价，重要的是全方位地理解学生，选定教学方法，激起学生的好奇心和求知欲。这是重中之重。作为新世纪的物理教师，我们不能拿传统的传道授业解惑的简单单一性原则来要求我们自己，必须得适应时代变革，与时俱进，开拓创新。

参考文献：

刘远全.物理学中的理性化方法[N].科技咨询导报，2007-11-01：19.

基金项目：本文系内蒙古自治区高等教育科学“十二五”规划课题项目基金（NGJGH2013048）。

作者简介：呼和满都拉，男，1982年2月出生，硕士，就职于内蒙古乌兰察布市集宁师范学院物理系，研究方向：大学物理课程建设。

王艳华，女，1982年1月出生，硕士，就职于内蒙古乌兰察布市集宁师范学院物理系，研究方向：大学物理课程建设。

胡晓颖，女，1979年6月出生，硕士，就职于内蒙古乌兰察布市集宁师范学院物理系，研究方向：大学物理课程建设。