构建物理模型,培养创新能力

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  学生普遍感觉高中物理难学:听听还懂,解决实际问题就困难。问题的关键在于他们仍习惯于初中的那种形象思维方式,只会记概念、规律的静态结论,而不重视得出结论的过程。只会照葫芦画瓢,模仿性地解决一些简单的物理问题,而不善于通过观察分析,提炼出现实情景的物理模型,纳入到相关的知识体系中去加以处理。因此构建正确的物理模型是非常重要的。
  
  一、构建理想模型是科学理论的依据
  
  纵观物理学发展史,许多重大的发现与结论,都是经过科学家们大胆地猜想,创建出科学的理想化的物理模型,并通过实验检验或实践验证,模型与事实基础很好吻合的前提下获得的。
  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,小球可沿另一端斜槽上升到初始高度,另一端斜槽末端越接近水平,小球为达到初始高度,将会运动得越远。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,才有了惯性定律这一重大发现。
  正是引入了这些理想化的物理模型,才得以使我们面对许多复杂的现实问题,通过简化处理比较顺利地予以解决。
  
  二、要重视对学生建模意识的培养
  
  理想化的物理模型,是解决现实物理问题不可或缺的依据,其重要性不言而喻。所以,教师在传授知识的过程中,要根据实际课时的内容安排,及时向学生强调基本物理模型建立的过程和条件,要求学生牢固把握住这些基本的物理模型,并且在具体应用它们解决物理问题时,引导学生如何根据题设条件,从物理规律出发,通过分析、综合、类比等,突出对所要研究问题起主要作用的因素,略去非本质的次要因素,使思维从纷繁复杂的具体问题中抽象、构造出我们熟悉的物理模型,应用掌握的相关知识予以解决。当然,教师要循序渐进地启发引导学生,使学生逐步熟悉并掌握这种科学研究的思维方法,养成良好的思维品质,使构建物理模型的意识真正成为学生思考问题的方法与习惯。物理情境来源于实际问题;以生产、生活及新的科技成果、新的科学研究课题作为素材背景,在物理教学中就要注重模型思维的方法,培养学生的分析理解能力,提取信息并结合所学知识创造物理模型。抓住本质建立合理的物理模型,很多新情境、新问题就会成为熟悉的物理问题迎刃而解。
  
  三、培养学生构建物理模型的能力
  
  (一)高中教材中常见的物理模型
  1. 研究对象理想化的模型。例如:真空、质点、点电荷、薄透镜、理想气体、理想电源、理想变压器等。
  2. 运动变化过程理想化的模型。如:匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动、简谐运动、匀速圆周运动、平抛运动等等,这些都是把复杂的运动过程理想化了的物理模型。
  (二)物理模型的特点
  l. 物理模型是抽象性和形象性的统一。物理模型的建立是舍弃次要因素,把握主要因素,化复杂为简单,完成由现象到本质、由具体到抽象的过程,而模型的本身又具有直观形象的特点。
  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。
  从书本的理论知识到实际应用,关键在于从实际问题中抽象出物理模型。模型是连接理论和应用的桥梁,经验材料、实验事实和背景知识是构建物理模型的基础,而抽象、等效、假设、类比等则是构建物理模型的基本方法。
  由于新情境问题的综合性、复杂性和多样性特征,题中涉及的因素较多且相互交织在一起,问题的本质往往被表面现象所掩盖,给解题造成了一定的障碍。从学生解决问题时的表现来看,较为突出的问题是:容易受表象因素干扰,不善于抽象出问题的本质特征,导致建立模型困难,这反映出理论联系实际的教学确实是我们教学中的一个薄弱环节。怎样从错综复杂的实际问题中抽象出物理模型呢?这就需要对所给的信息进行提炼和加工,通过思维加工,采用恰当方法,找到新问题与熟悉的物理模型之间的联系,使新信息与原有知识之间的联系通道保持畅通无阻,从而使新问题顺利地实现模型化,构建起恰当的物理模型。
  如以带电粒子在复合场中的运动为背景,利用磁流体发电机的最新原理构建现代科技新情境,使学生从现代科技新情境中及时有效地进行信息获取和迁移,提高建构物理模型、学以致用的能力。磁流体发电机涉及知识点较多:二力平衡、电场力、洛仑磁力、匀强电场的场强公式、闭合电路的欧姆定律、闭合电路的路端电压等。要求学生具有较强综合应用知识的能力,能将通电气体在横向磁场中的流动等效为导体切割磁感线,从而产生感应电动势,同时对磁流体发电所涉及的物理问题进行准确地分析,把导体切割磁感线,回路中的电流、电离气体受力平衡、能量转化与守恒等联系起来,从不同角度进行综合分析,在实际问题的解决中,构建物理现象的场景,建立模型,应用理论规律,拓宽视野。
  复杂的综合题往往是由多个相关联的物理模型组成,只有准确还原设计题目时所依据的物理模型,才能在解题者头脑中形成清晰的物理图景,理清正确思路,顺利解题。
  中学生在学习活动中,解决每一个物理问题的过程,实际上也是正确选用物理模型,使用模型方法的过程。正确识别、建立物理模型,熟练使用模型方法正是中学生应该具备的基本物理素质。因此,为了培养学生的科学素养及创新能力,逐步掌握科学研究的基本方法,在平时的教学过程中,必须注意培养学生构造和应用物理模型的能力。
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