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摘 要 本文通过对普通高中学生实施的两种导杆滑轨模型建立的教学流程的比较分析,总结出模型教学活动中要遵循学生的认知规律,改变单纯的传授式课堂教学为发现、探究、合作甚至开放式的教学模式;应让学生成为学习的主体,使学生通过自主、合作探究,获得建立物理模型的方法;应在重视培养学生学习习惯的基础上,不断加强解决实际问题的思维程序训练;要指导学生将模型的本质特征用简洁的方式表述出来,形成模型并学会用模型解决实际问题的方法。只有这样才能使学生真正全面深刻理解模型的本质特征,从而建立准确的物理模型。
关键词 中学物理教学 物理模型
“高中物理难”是高中学生十分普遍的观点。究其原因,其中一个重要的原因就是许多的高中物理定律和规律都是把实际的研究对象或物理过程抽象为理想化的物理模型,然后研究物理模型所涉及的物理量及其相互关系。这里面用到一个重要的思维方法——模型思维法:即对研究对象突出主要因素,忽略次要因素加以简化和抽象为物理模型。中学物理中研究的基本问题都是理想模型问题,许多复杂的物理试题也是根据物理模型加以组合编拟出来的,所以解题时必须首先正确还原“物理模型”,全面清晰地认识物理模型的本质特征,根据这些特征就能快捷的解决物理问题。模型思维方法是科学家们进行科学研究得出物理规律的重要手段,也是新课标对物理教学提出的新要求,这正是高考试卷中加强对学生理解和应用物理模型能力考察的原因所在。
然而模型思维能力不是学生能直观感受或者机械记忆可以获得的,也不是一朝一夕就能有所成效的,它需要师生间密切协作,要经过长时间的训练和观察培养,在应用中不断地总结,才会在模型思维能力等方面逐步提高。学生们常感觉物理题上课听得懂,下课不会做,很大一部分原因就是学生建立物理模型的思维能力较差,没有准确理解模型的基本特征,无法还原出物理模型,很难举一反三,融会贯通,学好物理。为解决这一问题,众多专家学者也充分认识到培养建模能力的重要性并对此进行了大量探索,提出了许多行之有效的解决途径。笔者也在实际教学中进行了长期的摸索,有了一些实际的体验,由于物理模型很多,现仅就高考热点模型——建立电磁感应中的导杆滑轨模型的实际教学阐述几点实际经验,与大家共勉。
导体杆在磁场中运动切割磁感线产生电磁感应现象,其研究对象可分成四个组成部分:金属滑杆、滑轨、磁场和外部电路(如右图)。这类问题综合性强,解答这类问题,要涉及到法拉第电磁感应定律、磁场对电流的作用、金属杆的受力平衡、闭合电路欧姆定律、电路中的能量转化等物理知识。它要求学生能根据物体的受力情况,对物体的运动性质、运动速度和加速度的变化情况作出准确的判断,对电路中能量转化情况作出分析。其次,各个组成部分具有复杂多变的特点。如:滑杆可由一根变为两根,形状可由直线形变为曲折形,其受力、运动状态复杂多变;滑轨可以是平行直轨,也可以是三角形、圆形等形状;磁场可以是匀强磁场,也可以是按一定规律变化的磁场;外部电路可简可繁,可以是纯电阻,可以带电容,还可以带电源。是历年来高考的热点问题。那么如此复杂多变的物理问题有哪些基本特征呢?怎么样帮助学生掌握这些特征并能利用这些特征去解决具体问题呢?带着这两个问题,结合我校是普通高中,且所教两个班级学生基础不同的实际情况,对导杆滑轨模型的实际教学,采用了两种不同的教学流程分别进行了尝试,简述如下:
例题 (1986年高考题)图1中abcd是一个固定的U形金属框架,ab和cd边都很长,bc边长为L,框架的电阻可不计,ef是放置在框架上与bc平行的导体杆,它可在框架上自由滑动(摩擦可忽略),它的电阻为R。现沿垂直于框架平面的方向加一恒定的匀强磁场,磁感应强度为B,方向垂直于纸面向里。已知当以恒力F向右拉导体杆ef时,导体杆最后匀速滑动,求匀速滑动时的速度。
教学流程一、(对成绩稍好的班级,用了2课时)
教学准备:课件
1.讨论求解:当导体杆向右滑动时,通过回路ebcf的磁通量将发生变化,从而在回路中产生感应电动势ε,设导体杆做匀速运动时的速度为v,根据法拉第电磁感应定律和欧姆定律可知 E=BLv……(1) I=E/R……(2) 据安培定则可知,磁场对导体杆的作用力为 f=BIL……(3) f方向向左,即与外力F的方向相反,当导体杆匀速运动时,由平衡条件可知F-f=0……(4)
由以上各式解得: v=FR/B2L2
2.思路小结:(1)求感应电动势E瞬时或E平均;(2)求感应电流I(流过R的电量、电流的功率P等);(3)求安培力f;(4)对杆受力分析,根据运动状态列出平衡方程或牛顿第二定律方程可求解最大速度和瞬时加速度;(5)列出能量守恒方程可求解焦耳热等问题。(6)列出动量定理方程可求解安培力冲量。
3.变式训练(课件)
(1)、问题拓展:A、求ef杆以速度v0匀速运动时的E、I、f。B、求杆从静止开始到匀速运动过程中通过杆的电量、感应电流做的功W电、电功率P、安培力做的功W安、电路中产生的焦耳热Q。A和B两个问题的区别和联系
(2)变杆:A、若ef杆为异形,上述问题如何求解?有何异同?B、若杆不受力,有初速度v0,分析干的运动状态变化。求解上述量。C、若bc变成同ef一样的杆,上述问题如何求解?
(3)变轨道:A、若轨道中间弯折呢?变成三角形呢、圆形呢、正弦曲线形呢?变成宽度不同的两部分呢?B、若轨道有摩擦呢?C、若轨道变成倾斜呢?竖直呢?
(4)变磁场:A、若杆不动,磁场按右图曲线变化呢?B、若杆有初速度v0,磁场按曲线变化呢?
(5)变外电路:A、bc接电阻2R呢?B、bc接电电源E0呢?并分析运动状态变化。C、Bc接电容C呢?
教学流程二、对普通班1课时,并连续2周变式训练,每日一题
教学准备:U型金属框架、金属杆、动态演示课件,每日一题试卷
1、听写磁场对电流的作用、电磁感应等知识并讲评(略)。
2、出示金属杆,请说说它有哪些特征?(学生答:有质量、金属光泽、导热性强、导电能力强电阻R、有摩擦、圆柱形长L、切割运动会产生感应电动势E,……)哪些因素对杆的运动有影响?对影响不大的因素怎么处理?
3、把它放在处于匀强磁场中的U型金属框架上(课件演示场景图),会怎样?(学生答:有感应电流I;受安培力和摩擦力、重力、支持力;会发热;最终会停下(匀速运动)……)
4、出示例题,学生尝试求解(抽2个学生板演解法),并组织学生点评。
5、思考:(1)若轨道变成竖直方向呢?若轨道倾斜(与水平方向夹角为θ)呢?
(2)变式训练:A、求ef杆以速度v0匀速运动时的E、I、f。B、求杆从静止开始到匀速运动过程中通过杆的电量、感应电流做的功W电、电功率P、安培力做的功W安、电路中产生的焦耳热Q。A和B两个问题的区别和联系
6、作业、每日一题(将轨道、杆、磁场、外电路加以变化设计而成)
7、两周后进行思路小结(图2是根据某一学生总结的思维导视图完善而成的思路小结)
通过变式训练和月考成绩对比,发现普通班就本模型试题得分率竟比较好班还高,通过对比分析,我认为在模型建立的教学活动中应该把握以下几个关键:
一、模型建立的教学过程应该遵循学生的认知规律
普通高中学生智力差距并不大,但是由于学习目标不明确、态度不端正、贪玩好耍等造成基础知识缺陷较多,知识积累缺乏且不系统,模型思维能力不强,以致知识迁移能力差,因此,像第一种教法那样直接把模型特征给出再加以迁移训练,学生对模型建立过程理解不深刻,造成学生在课后独立练习中仍然思路不清,不能灵活迁移模型知识解决问题。而第二种,通过实物和动画演示结合生活实际,创设开放性的教学氛围,引领学生观察、发现和尝试,让学生体验“发现——试验——总结——应用”式的学习方法,充分合作、交流,可帮助学生对模型基本特征的全面深刻领悟,然后通过问题拓展引导学生从力和运动、能量、动量不同思维角度通过去探索各种因素对杆的运动的影响,再利用每日一题较长时间的变式训练不断重复相同的思维过程去体验应用已掌握的思维方法独立解决滑竿在不同的物理场景中的应用问题,获得成功体验,以培养学生独立分析,举一反三的创新推理能力。最后引导学生学会忽略次要因素,突出主要因素,简化研究对象,比较不同类型问题的异同,概括出他们共同的特征,形成理想化的滑杆模型。这一过程从实物和动画出发帮助学生建立直观印象,起点低,教学过程更贴切学生认知规律,教学效果更好。可见,学生学习过程实质上是感知、领悟、积累、运用、形成的过程,模型建立的教学过程应该遵循学生的认知规律,从学生的认知规律和学科特点中去寻求科学的教学流程。只有改变单纯的传授式课堂教学为发现、探究、合作甚至开放式的教学模式,才能使学生真正全面深刻理解模型的本质特征,从而建立准确的物理模型。
二、教师应让学生成为学习的主体,使学生通过自主、合作探究掌握建立物理模型的方法
正如第一种教学方法那样,许多教师在建立模型的教学中往往更关注模型的特征教学,让学生记住物理模型知识,再利用物理模型解题,很少进行深层次的引导和分析。这种教学方法只把知识灌输给学生,学生在这一过程中能得到锻炼的只有记忆能力,解决实际问题时,只会生搬硬套,由于实际问题的千差万别,往往会张冠李戴,而遇到较为新颖的物理情景时就会感到无从下手。因此,学生的分析问题和解决问题的能力并没有得到提高。要真正提高学生分析问题和解决问题的能力,教师必须遵从教学规律,以学生为主体,设计符合学生认知规律的模型教学流程,使教学活动更切实、更高效,让学生成为学习的主体,通过在教师引导下进行自主、合作探究的过程,体验如何从实际问题出发,通过观察、发现、抽象、等效、假设、类比等基本建模方法的反复训练,从材料中提取有用信息,然后转换成熟悉的物理图象、物理过程,建立起物理模型,从中寻找出解题规律,形成解题思路,获得分析问题和解决问题的方法。
三、教师应在重视培养学生学习习惯的基础上,不断加强解决实际问题的思维程序训练
很多学生尤其是普通高中学生在解题过程中常表现为思维混乱,缺乏思维的程序化,因此,在教学中更要重视模型思维程序的训练。首先,选择一个比较基础的贴近学生知识结构的例题,让学生体检模型建立的基本思维过程和方法。这点很重要,如果例题选择不当,很难让这些学生接受知识并准确理解。其次,在基础例题的基础上通过反复变式训练让学生养成发散思维的习惯。发散思维即求异思维,是一种多向思维方式。形象地说,就是从一点出发向知识网络空间发出的一束射线,使之与两个或多个知识点之间形成联系。由基础例题开始,要假设若知道其他不同的条件可以得出什么样的不同结论,如已知杆所受外力F及相应条件,可求最大速度;若知速度,可求外力F、加速度a、E、I、杆产生的焦耳热等不同情况。然后变换条件采取同样的思考过程反复训练。最后,要对所训练的各种变式进行对比分析,概括出他们的共同特征,并简化成理想化的模型表述。实践证明,这样的教学方法,通过问题的巧妙转换,让学生进行联想和迁移,有助于培养思维的灵活性和敏捷性,就算是成绩稍差的学生,也能够建立起正确的模型,并能应用模型解决实际问题。通过条件和问题的不断变化,不断把新知识、新经验纳入旧知体系中,从而丰富和发展学生已有的认知结构,拓展思维的深广度,最后达到思维品质的提高。通过对同一思维程式的反复训练有助于学生强化记忆,加深理解,实现由繁到简、由直观到抽象的思维转化,提高学生模型思维能力。
四、要指导学生将模型的本质特征用简洁的方式表述出来,形成模型
模型的表述有以下要求:(1)普适性,即所得出的结论应该是各种类型问题的共同特征,并能普遍用来解决各种类型的问题。(2)简洁性。模型特征应是忽略次要因素,突出主要因素并经过抽象、简化、理想化的本质特征,具有简洁性,便于学生掌握和记忆。有的老师将导杆滑轨模型按不同标准进行分类,分别进行讨论,笔者认为虽然具有可行性,但是还是比较繁杂,不便于学生记忆,尤其是普通学生,极易混杂甚至忘记。实际上不同类型滑竿类型具有共同的特征(如思维程式),通过类比进行高度概括形成更简洁的表述,更能帮助学生理解掌握和记忆模型特征,更易于灵活运用。(3)可操作性。模型的表述应该可以直接应用在实际问题中,并能直接运用解决问题。
笔者将滑竿两个具有代表性的,由学生通过高度概括后形成的导杆滑轨模型特征表述概括如下:模型表述1:
(1)、组成:金属杆、滑轨、磁场、外部电路
(2)理想化:忽略摩擦等因数对运动的影响、温度等对电阻的影响及其他次要因数,突出电磁感应这一主要因数对滑竿运动的影响。
(3)需要解决的问题分为两类:A、瞬时值:如最大速度,最大感应电动势E、感应电流I等。B、平均值。一段时间内的平均电动势、电流、通过电路的电量、电流做的功和功率、焦耳热等
(4)电学特征:A、电路总电动势E。(影响滑竿运动的主要因数)分三种情况:只有切割运动电动势则E=BLv。(常用于求杆切割运动的瞬时电动势)只有磁场变化引起的电动势E=nΔφ/Δt(也可用于求平均电动势)同时有切割运动和磁场变化引起的电动势E=E动+E感如电路中有电源则总电动势E=E电+E动。B、电路中的感应电流:I=E/(R+r)。C、电路中的外电阻的电压U=IR。D、外电阻的电功率P=I2R、t时间内电流做的功W=I2Rt
(5)力学特征:滑竿所受安培力:F安=BIL,根据平衡条件或者牛顿第二定律可求各力之间的关系即F合=0或者F合=ma。
(6)运动特征:在安培力作用下的滑杆通常做变加速运动,终态是匀速运动或静止。
(7)能量特征:安培力做的功与电流做功和焦耳热之间的关系、对杆适用动能定理。
(8)动量特征:双杆系统无外力作用时动量守恒。安培力的冲量I=F安t=BLq
(9)模型解题思路:A、正确选取研究对象,进行电路分析、受力分析,将这类问题分解为电学问题和力学问题。B、电学问题用法拉第电磁感应定律、全电路欧姆定律、楞次定律、左(右)手定则求解。C、力学问题依据物体的受力分析,灵活运用安培力的计算、牛顿第二定律、动能定理、动量定理、动量守恒定律以及能量转化和守恒定律列方程求解求解。D、注意:模型基本特征是磁通量变化产生感应电动势E,杆、滑轨、外电路和磁场的变化直接引起E的变化。联系电学问题和力学问题的“桥梁”是安培力。
模型表述2:思维导视图
由此可以看出,两种表述各有优点,表述1叙述全面准确,利于后期复习对模型的理解,表述2更简洁,便于记忆和运用。他们都具有普适性、简洁性和可操作性的特点。但要特别注意在对具体的研究对象进行理想化、简化过程中,要具体情况具体分析,切忌一刀切或者无科学依据地胡乱简化。如杆与滑轨间摩擦力不能忽略时,就必须考虑摩擦力的影响。
在运用模型解决具体问题时,一定要认真审题,仔细分析研究对象的基本特征,注意与相关模型的属性、特征、规律等进行全面的比较和考证,从而还原物理模型,才能准确运用模型的基本方法解决实际问题。防止机械盲目地类化和移植,其结果往往适得其反,大相径庭。
学生物理模型的建立和应用能力的培养是一项长期的、系统的工程,需要师生密切协作,经过长时间的训练和观察培养,在应用中不断地总结,才会在学科思维能力等方面逐步提高。我们在进行模型建立的教学过程中,一定要认真分析学生情况,合理设计适合学生特点的科学的教学流程,引导学生自主、合作探究掌握建立物理模型的方法,并学会正确运用模型方法解决实际问题。只有这样,物理学才不再枯燥难学,而物理学丰富的内涵和独特的思维方法在物理模型的建立与应用的过程中必将被学生所接受和喜爱。
参考文献:
[1]《中学物理教学中学生建模能力培养的实践研究》王硕林 上师大附中
[2]《建立“物理模型” 开拓解题思路》钭方健.上海市曹杨中学
[3]《构建物理模型 培养创新意识》杨威廉
[4]《在总复习中注重物理模型的归类整理》林达彬 石狮市石光中学
关键词 中学物理教学 物理模型
“高中物理难”是高中学生十分普遍的观点。究其原因,其中一个重要的原因就是许多的高中物理定律和规律都是把实际的研究对象或物理过程抽象为理想化的物理模型,然后研究物理模型所涉及的物理量及其相互关系。这里面用到一个重要的思维方法——模型思维法:即对研究对象突出主要因素,忽略次要因素加以简化和抽象为物理模型。中学物理中研究的基本问题都是理想模型问题,许多复杂的物理试题也是根据物理模型加以组合编拟出来的,所以解题时必须首先正确还原“物理模型”,全面清晰地认识物理模型的本质特征,根据这些特征就能快捷的解决物理问题。模型思维方法是科学家们进行科学研究得出物理规律的重要手段,也是新课标对物理教学提出的新要求,这正是高考试卷中加强对学生理解和应用物理模型能力考察的原因所在。
然而模型思维能力不是学生能直观感受或者机械记忆可以获得的,也不是一朝一夕就能有所成效的,它需要师生间密切协作,要经过长时间的训练和观察培养,在应用中不断地总结,才会在模型思维能力等方面逐步提高。学生们常感觉物理题上课听得懂,下课不会做,很大一部分原因就是学生建立物理模型的思维能力较差,没有准确理解模型的基本特征,无法还原出物理模型,很难举一反三,融会贯通,学好物理。为解决这一问题,众多专家学者也充分认识到培养建模能力的重要性并对此进行了大量探索,提出了许多行之有效的解决途径。笔者也在实际教学中进行了长期的摸索,有了一些实际的体验,由于物理模型很多,现仅就高考热点模型——建立电磁感应中的导杆滑轨模型的实际教学阐述几点实际经验,与大家共勉。
导体杆在磁场中运动切割磁感线产生电磁感应现象,其研究对象可分成四个组成部分:金属滑杆、滑轨、磁场和外部电路(如右图)。这类问题综合性强,解答这类问题,要涉及到法拉第电磁感应定律、磁场对电流的作用、金属杆的受力平衡、闭合电路欧姆定律、电路中的能量转化等物理知识。它要求学生能根据物体的受力情况,对物体的运动性质、运动速度和加速度的变化情况作出准确的判断,对电路中能量转化情况作出分析。其次,各个组成部分具有复杂多变的特点。如:滑杆可由一根变为两根,形状可由直线形变为曲折形,其受力、运动状态复杂多变;滑轨可以是平行直轨,也可以是三角形、圆形等形状;磁场可以是匀强磁场,也可以是按一定规律变化的磁场;外部电路可简可繁,可以是纯电阻,可以带电容,还可以带电源。是历年来高考的热点问题。那么如此复杂多变的物理问题有哪些基本特征呢?怎么样帮助学生掌握这些特征并能利用这些特征去解决具体问题呢?带着这两个问题,结合我校是普通高中,且所教两个班级学生基础不同的实际情况,对导杆滑轨模型的实际教学,采用了两种不同的教学流程分别进行了尝试,简述如下:
例题 (1986年高考题)图1中abcd是一个固定的U形金属框架,ab和cd边都很长,bc边长为L,框架的电阻可不计,ef是放置在框架上与bc平行的导体杆,它可在框架上自由滑动(摩擦可忽略),它的电阻为R。现沿垂直于框架平面的方向加一恒定的匀强磁场,磁感应强度为B,方向垂直于纸面向里。已知当以恒力F向右拉导体杆ef时,导体杆最后匀速滑动,求匀速滑动时的速度。
教学流程一、(对成绩稍好的班级,用了2课时)
教学准备:课件
1.讨论求解:当导体杆向右滑动时,通过回路ebcf的磁通量将发生变化,从而在回路中产生感应电动势ε,设导体杆做匀速运动时的速度为v,根据法拉第电磁感应定律和欧姆定律可知 E=BLv……(1) I=E/R……(2) 据安培定则可知,磁场对导体杆的作用力为 f=BIL……(3) f方向向左,即与外力F的方向相反,当导体杆匀速运动时,由平衡条件可知F-f=0……(4)
由以上各式解得: v=FR/B2L2
2.思路小结:(1)求感应电动势E瞬时或E平均;(2)求感应电流I(流过R的电量、电流的功率P等);(3)求安培力f;(4)对杆受力分析,根据运动状态列出平衡方程或牛顿第二定律方程可求解最大速度和瞬时加速度;(5)列出能量守恒方程可求解焦耳热等问题。(6)列出动量定理方程可求解安培力冲量。
3.变式训练(课件)
(1)、问题拓展:A、求ef杆以速度v0匀速运动时的E、I、f。B、求杆从静止开始到匀速运动过程中通过杆的电量、感应电流做的功W电、电功率P、安培力做的功W安、电路中产生的焦耳热Q。A和B两个问题的区别和联系
(2)变杆:A、若ef杆为异形,上述问题如何求解?有何异同?B、若杆不受力,有初速度v0,分析干的运动状态变化。求解上述量。C、若bc变成同ef一样的杆,上述问题如何求解?
(3)变轨道:A、若轨道中间弯折呢?变成三角形呢、圆形呢、正弦曲线形呢?变成宽度不同的两部分呢?B、若轨道有摩擦呢?C、若轨道变成倾斜呢?竖直呢?
(4)变磁场:A、若杆不动,磁场按右图曲线变化呢?B、若杆有初速度v0,磁场按曲线变化呢?
(5)变外电路:A、bc接电阻2R呢?B、bc接电电源E0呢?并分析运动状态变化。C、Bc接电容C呢?
教学流程二、对普通班1课时,并连续2周变式训练,每日一题
教学准备:U型金属框架、金属杆、动态演示课件,每日一题试卷
1、听写磁场对电流的作用、电磁感应等知识并讲评(略)。
2、出示金属杆,请说说它有哪些特征?(学生答:有质量、金属光泽、导热性强、导电能力强电阻R、有摩擦、圆柱形长L、切割运动会产生感应电动势E,……)哪些因素对杆的运动有影响?对影响不大的因素怎么处理?
3、把它放在处于匀强磁场中的U型金属框架上(课件演示场景图),会怎样?(学生答:有感应电流I;受安培力和摩擦力、重力、支持力;会发热;最终会停下(匀速运动)……)
4、出示例题,学生尝试求解(抽2个学生板演解法),并组织学生点评。
5、思考:(1)若轨道变成竖直方向呢?若轨道倾斜(与水平方向夹角为θ)呢?
(2)变式训练:A、求ef杆以速度v0匀速运动时的E、I、f。B、求杆从静止开始到匀速运动过程中通过杆的电量、感应电流做的功W电、电功率P、安培力做的功W安、电路中产生的焦耳热Q。A和B两个问题的区别和联系
6、作业、每日一题(将轨道、杆、磁场、外电路加以变化设计而成)
7、两周后进行思路小结(图2是根据某一学生总结的思维导视图完善而成的思路小结)
通过变式训练和月考成绩对比,发现普通班就本模型试题得分率竟比较好班还高,通过对比分析,我认为在模型建立的教学活动中应该把握以下几个关键:
一、模型建立的教学过程应该遵循学生的认知规律
普通高中学生智力差距并不大,但是由于学习目标不明确、态度不端正、贪玩好耍等造成基础知识缺陷较多,知识积累缺乏且不系统,模型思维能力不强,以致知识迁移能力差,因此,像第一种教法那样直接把模型特征给出再加以迁移训练,学生对模型建立过程理解不深刻,造成学生在课后独立练习中仍然思路不清,不能灵活迁移模型知识解决问题。而第二种,通过实物和动画演示结合生活实际,创设开放性的教学氛围,引领学生观察、发现和尝试,让学生体验“发现——试验——总结——应用”式的学习方法,充分合作、交流,可帮助学生对模型基本特征的全面深刻领悟,然后通过问题拓展引导学生从力和运动、能量、动量不同思维角度通过去探索各种因素对杆的运动的影响,再利用每日一题较长时间的变式训练不断重复相同的思维过程去体验应用已掌握的思维方法独立解决滑竿在不同的物理场景中的应用问题,获得成功体验,以培养学生独立分析,举一反三的创新推理能力。最后引导学生学会忽略次要因素,突出主要因素,简化研究对象,比较不同类型问题的异同,概括出他们共同的特征,形成理想化的滑杆模型。这一过程从实物和动画出发帮助学生建立直观印象,起点低,教学过程更贴切学生认知规律,教学效果更好。可见,学生学习过程实质上是感知、领悟、积累、运用、形成的过程,模型建立的教学过程应该遵循学生的认知规律,从学生的认知规律和学科特点中去寻求科学的教学流程。只有改变单纯的传授式课堂教学为发现、探究、合作甚至开放式的教学模式,才能使学生真正全面深刻理解模型的本质特征,从而建立准确的物理模型。
二、教师应让学生成为学习的主体,使学生通过自主、合作探究掌握建立物理模型的方法
正如第一种教学方法那样,许多教师在建立模型的教学中往往更关注模型的特征教学,让学生记住物理模型知识,再利用物理模型解题,很少进行深层次的引导和分析。这种教学方法只把知识灌输给学生,学生在这一过程中能得到锻炼的只有记忆能力,解决实际问题时,只会生搬硬套,由于实际问题的千差万别,往往会张冠李戴,而遇到较为新颖的物理情景时就会感到无从下手。因此,学生的分析问题和解决问题的能力并没有得到提高。要真正提高学生分析问题和解决问题的能力,教师必须遵从教学规律,以学生为主体,设计符合学生认知规律的模型教学流程,使教学活动更切实、更高效,让学生成为学习的主体,通过在教师引导下进行自主、合作探究的过程,体验如何从实际问题出发,通过观察、发现、抽象、等效、假设、类比等基本建模方法的反复训练,从材料中提取有用信息,然后转换成熟悉的物理图象、物理过程,建立起物理模型,从中寻找出解题规律,形成解题思路,获得分析问题和解决问题的方法。
三、教师应在重视培养学生学习习惯的基础上,不断加强解决实际问题的思维程序训练
很多学生尤其是普通高中学生在解题过程中常表现为思维混乱,缺乏思维的程序化,因此,在教学中更要重视模型思维程序的训练。首先,选择一个比较基础的贴近学生知识结构的例题,让学生体检模型建立的基本思维过程和方法。这点很重要,如果例题选择不当,很难让这些学生接受知识并准确理解。其次,在基础例题的基础上通过反复变式训练让学生养成发散思维的习惯。发散思维即求异思维,是一种多向思维方式。形象地说,就是从一点出发向知识网络空间发出的一束射线,使之与两个或多个知识点之间形成联系。由基础例题开始,要假设若知道其他不同的条件可以得出什么样的不同结论,如已知杆所受外力F及相应条件,可求最大速度;若知速度,可求外力F、加速度a、E、I、杆产生的焦耳热等不同情况。然后变换条件采取同样的思考过程反复训练。最后,要对所训练的各种变式进行对比分析,概括出他们的共同特征,并简化成理想化的模型表述。实践证明,这样的教学方法,通过问题的巧妙转换,让学生进行联想和迁移,有助于培养思维的灵活性和敏捷性,就算是成绩稍差的学生,也能够建立起正确的模型,并能应用模型解决实际问题。通过条件和问题的不断变化,不断把新知识、新经验纳入旧知体系中,从而丰富和发展学生已有的认知结构,拓展思维的深广度,最后达到思维品质的提高。通过对同一思维程式的反复训练有助于学生强化记忆,加深理解,实现由繁到简、由直观到抽象的思维转化,提高学生模型思维能力。
四、要指导学生将模型的本质特征用简洁的方式表述出来,形成模型
模型的表述有以下要求:(1)普适性,即所得出的结论应该是各种类型问题的共同特征,并能普遍用来解决各种类型的问题。(2)简洁性。模型特征应是忽略次要因素,突出主要因素并经过抽象、简化、理想化的本质特征,具有简洁性,便于学生掌握和记忆。有的老师将导杆滑轨模型按不同标准进行分类,分别进行讨论,笔者认为虽然具有可行性,但是还是比较繁杂,不便于学生记忆,尤其是普通学生,极易混杂甚至忘记。实际上不同类型滑竿类型具有共同的特征(如思维程式),通过类比进行高度概括形成更简洁的表述,更能帮助学生理解掌握和记忆模型特征,更易于灵活运用。(3)可操作性。模型的表述应该可以直接应用在实际问题中,并能直接运用解决问题。
笔者将滑竿两个具有代表性的,由学生通过高度概括后形成的导杆滑轨模型特征表述概括如下:模型表述1:
(1)、组成:金属杆、滑轨、磁场、外部电路
(2)理想化:忽略摩擦等因数对运动的影响、温度等对电阻的影响及其他次要因数,突出电磁感应这一主要因数对滑竿运动的影响。
(3)需要解决的问题分为两类:A、瞬时值:如最大速度,最大感应电动势E、感应电流I等。B、平均值。一段时间内的平均电动势、电流、通过电路的电量、电流做的功和功率、焦耳热等
(4)电学特征:A、电路总电动势E。(影响滑竿运动的主要因数)分三种情况:只有切割运动电动势则E=BLv。(常用于求杆切割运动的瞬时电动势)只有磁场变化引起的电动势E=nΔφ/Δt(也可用于求平均电动势)同时有切割运动和磁场变化引起的电动势E=E动+E感如电路中有电源则总电动势E=E电+E动。B、电路中的感应电流:I=E/(R+r)。C、电路中的外电阻的电压U=IR。D、外电阻的电功率P=I2R、t时间内电流做的功W=I2Rt
(5)力学特征:滑竿所受安培力:F安=BIL,根据平衡条件或者牛顿第二定律可求各力之间的关系即F合=0或者F合=ma。
(6)运动特征:在安培力作用下的滑杆通常做变加速运动,终态是匀速运动或静止。
(7)能量特征:安培力做的功与电流做功和焦耳热之间的关系、对杆适用动能定理。
(8)动量特征:双杆系统无外力作用时动量守恒。安培力的冲量I=F安t=BLq
(9)模型解题思路:A、正确选取研究对象,进行电路分析、受力分析,将这类问题分解为电学问题和力学问题。B、电学问题用法拉第电磁感应定律、全电路欧姆定律、楞次定律、左(右)手定则求解。C、力学问题依据物体的受力分析,灵活运用安培力的计算、牛顿第二定律、动能定理、动量定理、动量守恒定律以及能量转化和守恒定律列方程求解求解。D、注意:模型基本特征是磁通量变化产生感应电动势E,杆、滑轨、外电路和磁场的变化直接引起E的变化。联系电学问题和力学问题的“桥梁”是安培力。
模型表述2:思维导视图
由此可以看出,两种表述各有优点,表述1叙述全面准确,利于后期复习对模型的理解,表述2更简洁,便于记忆和运用。他们都具有普适性、简洁性和可操作性的特点。但要特别注意在对具体的研究对象进行理想化、简化过程中,要具体情况具体分析,切忌一刀切或者无科学依据地胡乱简化。如杆与滑轨间摩擦力不能忽略时,就必须考虑摩擦力的影响。
在运用模型解决具体问题时,一定要认真审题,仔细分析研究对象的基本特征,注意与相关模型的属性、特征、规律等进行全面的比较和考证,从而还原物理模型,才能准确运用模型的基本方法解决实际问题。防止机械盲目地类化和移植,其结果往往适得其反,大相径庭。
学生物理模型的建立和应用能力的培养是一项长期的、系统的工程,需要师生密切协作,经过长时间的训练和观察培养,在应用中不断地总结,才会在学科思维能力等方面逐步提高。我们在进行模型建立的教学过程中,一定要认真分析学生情况,合理设计适合学生特点的科学的教学流程,引导学生自主、合作探究掌握建立物理模型的方法,并学会正确运用模型方法解决实际问题。只有这样,物理学才不再枯燥难学,而物理学丰富的内涵和独特的思维方法在物理模型的建立与应用的过程中必将被学生所接受和喜爱。
参考文献:
[1]《中学物理教学中学生建模能力培养的实践研究》王硕林 上师大附中
[2]《建立“物理模型” 开拓解题思路》钭方健.上海市曹杨中学
[3]《构建物理模型 培养创新意识》杨威廉
[4]《在总复习中注重物理模型的归类整理》林达彬 石狮市石光中学