高中物理论文：新课程理念下学生物理建模能力的培养

高中物理论文：新课程理念下学生物理建模能力的培养 高中物理论文 新课程理念下学生物理建模能力的培养 摘 要:本文了高中物理模型教学和学生物理建模能力培养的重要性,结合新课改背景对物理模型的应用、学生建模能力的培养进行了分析和探索,并从教学理论和实践上提出了一些建议。 关键词: 物理模型 建模能力 新课程 一、背景 随着新的《物理课程标准》的逐步实施，新的教学思想、教育理念都应随之形成和发展，其目的就是为了全面实施素质教育，以提高全体公民的素质，适应时代发展的要求。在这样的新形势下，教师必须将素质教育的教育思想贯穿在教学过程中。 物理新课程标准中关于教学目标提出了知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三维目标，三维目标是新课程理念的一个重要特色，是体现新课改精神的一个重要方面，也是指导教师在教学实践中体现新课改精神的具体要求和指针。如何在教与学的过程中落实新课程的三维目标，提高教学实效，培养高素质人才，就成为一线教师应该探索和孜孜不倦追求的主题。物理新课程理念中要求教师能精心的设计教学过程，力求使知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三维目标融合，使学生在亲身经历的过程中实现知识与能力乃至生命的同步发展。而学生各种能力的发展，是和他们在学习中的相关行为联系在一起的，要发展某种能力，就必须经历相关的学习过程。新课程改革要求给予学生活动的空间，思维的空间，慢嚼细咽的教学不再适合课改要求。让学生主动参与，培养能力是落实课改的措施。 在多年的物理教学工作中，我发现重视学生物理建模能力的培养，养成良好的解题习惯，对于提高学生的解题能力及提高解题速度有很大的帮助。在物理教学中，不管从促进学生主体性发展角度而言，还是从培养学生的创新意识、创新能力而言，都应提高学生的物理建模能力。而抓物理模型的教学就是以物理知识为基础，以科学方法为中介，相互和谐和融合，在教与学的过程中实现新课程的三维目标的很好途径。 二、物理模型教学的意义 二十一世纪的教育改革，向我们教师提出了新的更高的要求。以往那种“深挖洞”寻难题，为应付高考而大量集训的做法，培养的只是一个个解题的机器人，创新意识、开放思维已经变得麻木，这样的教育肯定不适应时代的需要。而培养学生综合应用所学知识的能力，收集和处理信息的能力，以及培养学生独立思考，激发创新意识和“重在参与”的意识，是我们每位教师在教学活动中努力的方向。所以教师们原有头脑中存在的那种陈旧的教育思想和教学观念必须彻底更换。在向学生传授知识的同时，要重视宣扬科学家们那种大胆联想，勇于构建物理模型的创新思维，让他们体验到科学家们为人类、为科学寻求真理的进取精神和科学态度，唤起学生们对建模意识重要性的认识，激发他们的兴趣，逐步提高他们构建物理模型的能力。 三、物理模型特点和分类 1、物理模型的特点 (1) 抽象性和形象性的统一。物理模型的建立过程是一个抽象思维和形象思维相结合的过程，而建立的物理模型本身又是抽象性与形象性的统一体。例如，质点模型，在许多实际问题中，并不需要考虑物体的大小和形状特征，如电场线对电场的描述;磁感线对磁场的描述;光子模型对光的粒子性的理解等。因此说物理模型是形象性和抽象性的统一体。 (2)物理模型是科学性和假定性的辩证统一，物理模型不仅再现了过去已经感知过的直观形象，而且要以先前获得的科学知识为依据，经过判断、推理等一系列逻辑上的严格论证，所以，具有深刻的理论基础，即具有一定的科学性。理想模型来源于现实，又高于现实，是抽象思维的结果。所以又具有一定的假定性，只有经过实验证实了以后才被认可，才有可能发展为理论。 2、物理模型的分类 类型 物理模型 物理对象模型化 质点，点电荷、弹簧振子、单摆、理想电流表、理想电压表等 过程理想模型 匀速直线运动、简谐振动、弹性碰撞、平抛运动等 条件理想模型 力学中的光滑面;电学中的匀强电场、匀强磁场等等 物理状态和物理力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞;电学中过程的模型化 的稳恒电流、等幅振荡 假设理想模型 太阳系结构的日心说，玻尔原子模型的玻尔假设，分子电流假设等等 以上五种模型的分类并不能相互割裂，但理想模型的建立皆为科学抽象的结果，是一种感性认识到理性认识的上升，它更有利于揭示并掌握物理现象及物理运动的内在规律。 四、物理建模能力的培养 1、重视物理学史的教育意义，培养学生的建模能力 早在20世纪30年代著名的物理学家朗之万就指出:“在科学教学中，加入历史的观点是有百利而无一弊的。而在新课程改革的今天如何更好的实现三维目标物理学史就是一个很好的载体。通过物理学史教育不但能更好地进行情感态度与价值观的教育，也让学生置身其中，体会前人构建物理模型的过程与方法。 例如:伽里略让小球从弯曲的斜槽上自由下落，当斜槽充分光滑时，小球可沿另端斜槽上升到初始高度，如果另端斜槽末端越接近水平，小球为达到初始高度,将运动很远。如果末端完全水平，小球将一直运动下去，永不停止。正因为伽里略构建了光滑这一理想化的模型，才有惯性定律的重大发现。 法拉第在1852年，对带电体、磁体周围空间存在的物质，设想出电场线、磁场线一类力线的模型，并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线分布形状，从而建立了场的概念，对当前的传统观念是一个重大的突破。1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，大胆地建立了光子模型，并提出著名的爱因斯坦光电效应方程，圆满地解释了光电效应现象。卢瑟福以特有的洞察力和直觉，抓住α粒子轰击金箔有大角度偏转这一反常现象，从原子内存在强电场的思想出发，于1911年构思出原子的核式结构模型。 新课程教材中有很多相关的阅读材料，教师应该充分的发挥其教育教学意义，提高学生的物理“建模”能力，告诉学生物理学家对这类问题的处理方法，对学生的学习往往能够起到“正迁移”的作用。 2、通过实验，培养学生的建模能力 演示实验不能可有可无，它是培养学生创新能力的一个重要方面，是培养学生实验能力的先导。教师在演示过程中要讲明实验目的、原理、方法、使用器材、设计思想，分析可能出现的问题;用严谨的科学作风与熟练操作技能给学生作出示范，使之对学生产生潜移默化的影响。更重要的是培养学生的观察能力和思维能力，从而促进学生建模能力的提 高。 例如:在进行“自由落体”教学时，可用实验活动引导学生进入未知世界进行探索。 实验1(演示):让金属块和一张展开的纸从同一高度，同时下落。让学生观察现象，暗示学生:你看到什么,你获得什么信息,由此得出“重物比轻物落得快”的结论。教师强调指出这个结论与某些生活经验相符。 实验2(演示):让金属块和团紧的纸团从同一高度同时释放。让学生观察现象，暗示学生:你看到什么,你获得什么信息,从而得出结论:同时落地。 这两个实验，激发了学生的好奇心。这时教师引导学生从受力分析入手，使他们很快想到物体下落快慢的原因是由于空气阻力的缘故，但心里并没有对这一现象给予确认，此时还需及时进行实验调控。 实验3(演示):抽去“钱羽管”中的空气，观察无空气阻力时物重不同的物体下落情况。“钱币”和“羽毛”同时下落，这时学生才深信:物体下落的快慢不是由物重决定的。这个实验现象和生活经验相违，此时学生的情绪反映强烈，思维活动被引到了高峰。 这样，通过演示实验促使学生在观察中和观察后进行深入细致的思维活动，引导学生的思维向深度和广度发展。经过分析、比较和抽象，找出事物的本质属性，理解自由落体模型的实质，这正是培养学生思维能力好时机。 3、通过情景再现，构造物理模型 “情境”教学是建构主义当然也是物理教学中特别提倡的，让学生在情境中学，能给枯燥的学习生活带来活力，尤其是从学生喜闻乐见的生活实际出发，以图画、情境、过程展现出来，使学生亲身体验物理就在生活当中，物理就在我们身边，给学生提供充分动手操作，自主探索和交流的机会，让学生主动研究充满物理规律的实际问题，思维能力，情感态度等方面都得到进步。 平常所说解题时应“明确物理过程、在头脑中建立一幅清晰的物理图景”，其实指的就是要正确地还原和构建物理模型。解决物理问题的一般方法可归纳为以下几个环节: 审视物理情景 构建物理模型 转化为数学问题 还原为物理结论 在这几个环节中，根据问题的情景构建出物理模型是最关键的、也是较困难的环节。由问题情景转化出来的所谓“物理模型”，实际上就是由理想的对象参与的理想的过程。 例:(全国高考卷)一跳水运动员从离水面10m高的平台上向上跃起,举双臂直体离开台面，此时其重心位于从手到脚全长的中点，跃起后重心升高0.45m达到最高点，落水时身体竖直，手先入水(在此过程中运动员水平方 向的运动忽略不计)从离开跳台到手触水面，他可用于完成空中动作 的时间是______s。(计算时，可以把运动员看作全部质量集中在重心2的一个质点，g取10m/s，结果保留二位数) 分析:运动员的跳水过程是一个很复杂的过程，主要是竖直方向 的上下运动，但也有水平方向的运动，更有运动员做的各种动作。构 建运动模型，应抓主要因素。现在要讨论的是运动员在空中的运动时 间，这个时间从根本上讲与运动员所作的各种动作以及水平运动无 关，应由竖直运动决定，因此忽略运动员的动作，把运动员当成一个 质点，同时忽略他的水平运动。当然，这两点题目都作了说明，所以 一定程度上“建模”的要求已经有所降低，但我们应该理解这样处理 的原因。这样，我们把问题提炼成了质点作竖直上抛运动的物理模型。 在定性地把握住物理模型之后，应把这个模型细化，使之更清晰。可画出如图1所示的示意图。由图可知，运动员作竖直上抛运动，上升高度h，即题中的0.45m;从最高点下 降到手触到水面，下降的高度为H，由图中H、h、10m三者的关系可知H=10.45m。(详解略) 概言之通过情景再现，构造物理模型的过程要注意 (1)结合题目描述的现象、给出的条件，确定问题的性质;同时抓住现象的特征寻找因果关系。这样能为物理模型的构建打下基础。 (2)理想化方法是构建物理模型的重要方法，理想化方法的本质是抓住主要矛盾，近似的处理实际问题。因此在分析问题时要养成比较、取舍的习惯，而且要养成化示意图的习惯。 4、以物理模型为核心，通过变式和归纳，深入理解模型内涵 接触一个题目(模型)，首先要明确它是针对什么问题提出来的，研究的是什么问题，要突出哪些重要因素，可以忽略哪些次要因素，要尽量挖掘出模型的隐含条件。通过对理想化模型的研究，可以完全避开各种因素的干扰，认识实际问题的本质特征，同化物理模型，在思维中直接与研究对象的本质接触，能既快又准确地了解事物的性质和规律。 例如“如图所示为磁流体发电机的原理示意图。M、N为平行板电极，极板之间存在匀强磁场。使等离子体从左向右高速射入，就可以在极板之间建立电动势。分析说明其发电原理;确定稳定状态下极板之间的电势差由什么决定, 分析:等离子体以垂直于磁场的速度v进入磁场中后，由于洛仑兹 力的作用，正离子将向M板偏转，负离子将向N板偏转。于是在M板上 积累正电荷，在N板上积累负电荷。这样在两极板之间就产生了电势差， 形成了电场，场强方向从M指向N。 当带电粒子所受的电场力与磁场力大小相等为止。此后带电粒子进入极板之间不再偏转，极板上也就不再积累电荷，极板之间形成了稳定的电动势，解略。 我们可以在课本上的问题的基础上，做了一定展开讨论。 (变式1)电磁流量计，如图所示。用非磁性材料作成的圆管道，外加一匀强磁场。当管中导电液体流过此区域时，测得管壁上a、b两点之间的电势差U，就可以知道管中液体 3的流量Q，即单位时间内流过管道截面的液体的体积(m/s)。已经测得管道的直径为D，磁感应强度为B，则Q与U之间的关系为__________. 分析:虽然本题设计新的仪器，研究对象为导电液体，但是这里建立电势差的原理与 磁流体发电完全相同，它们属于同样物理模型。 B d I (变式2)如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板，放在垂直于A h 它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板 A’ 的上侧面A和下侧面A’之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。 证明:电势差U电流I和B的关系为U=kIB/d 以上三例分析可以看出解题的关键是认清模型的实质，表面看形式不同，但是所研究的问题本质上相同，属于同样的物理模型，原理和研究问题的方法完全相同。通过变式，更好的培养学生物理建模能力和模型迁移应用能力，实际上速度速度选择器、导体棒切割 磁感线而建立电动势的原理，也与以上问题属于相似的物理模型。 总之，物理模型是物理教学中的重要内容，是分析研究综合问题的主要手段。繁杂多变的物理现象和物理情景最终都要归结成学生熟悉的物理原理和物理模型，用熟知的原理、规律分析解决。物理模型是同类问题的本质体现和核心归整，是同类问题的升华。无论试题情景多么新颖多变，物理过程多么复杂曲折，它与日常生产生活联系多么密切融合，其最终的落脚点和解决问题的出发点大都是物理模型的直接展现。