高中物理模型構(gòu)建及教學(xué)策略

1、高中物理模型構(gòu)建及教學(xué)策略 摘要：物理模型構(gòu)建是物理學(xué)發(fā)展的重要方向。高中物理模型雖然不同于科學(xué)研究中的物理模型，但兩者思維過程的本質(zhì)是一樣的。本文主要介紹高中物理模型的構(gòu)建、構(gòu)建模型的教學(xué)策略、使用模型應(yīng)注意的問題。 關(guān)鍵詞：物理模型；模型構(gòu)建；教學(xué)策略 物理學(xué)是一門研宄自然現(xiàn)象和事物的科學(xué)，而事物之間有復(fù)雜的聯(lián)系，這使得研宄產(chǎn)生了復(fù)雜性，這就要求我們對其進(jìn)行科學(xué)的抽象，建立起能反映物理客體本質(zhì)屬性的理想模型。任何一個(gè)物理模型，都表征著對一個(gè)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)描述，既標(biāo)志著對運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)深度，也標(biāo)志著對運(yùn)動(dòng)的概括能力，從這個(gè)意義上看，一個(gè)物理模型代表著一種物理思維。 一、高中物理模型的構(gòu)建 物理模型構(gòu)

2、建與科學(xué)研究中的物理模型構(gòu)建既有聯(lián)系又有區(qū)別。首先兩者構(gòu)建主體的知識(shí)背景不同，前者是僅有中學(xué)知識(shí)水平的學(xué)生，后者是擁有豐富物理學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)等知識(shí)功底的物理學(xué)家；其次兩者構(gòu)建的要求不同，前者是根據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)計(jì)的，后者是根據(jù)科學(xué)研宄的要求設(shè)計(jì)的；再次兩者構(gòu)建的目標(biāo)不同，前者是為了讓學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)物理基本知識(shí)和基本規(guī)律，后者是為了更深入的認(rèn)識(shí)一個(gè)物理事件的本質(zhì)。但從根本上說兩者思維過程是一致的，都通過探宄，使用歸納、演繹、類比等思維方法，將己有物理知識(shí)進(jìn)行假設(shè)、模擬，把復(fù)雜的事物進(jìn)行簡化、抽象構(gòu)建一個(gè)能反映原型物理本質(zhì)的模型，進(jìn)而通過對模型的研究獲取原型的信息，為形成理論建立基礎(chǔ)。

3、物理概念模型的構(gòu)建。物理概念不僅是物理基礎(chǔ)知識(shí)的重要組成部分，也是構(gòu)成物理規(guī)律、建立物理公式和完善物理理論的基礎(chǔ)與前提。物理概念是人類智慧的結(jié)晶，凝結(jié)著很高的智力價(jià)值，是培養(yǎng)學(xué)生思維品質(zhì)、提高能力的好材料。給抽象的或復(fù)雜的物理概念建立模型，能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)物理事物的本質(zhì)，如“電場強(qiáng)度”概念模型的構(gòu)建：通過觀察與分析可知，同一個(gè)檢驗(yàn)電荷在場源電荷形成的電場中的不同位置所受電場力大小、方向均不同。這個(gè)電場力是同一個(gè)電場對同一個(gè)檢驗(yàn)電荷的，所以，場源電荷周圍不同位置的電場有強(qiáng)弱之分和方向之別。因此，要引入物理量描述這種性質(zhì)一一電場強(qiáng)度。（）電場強(qiáng)度的方向同一檢驗(yàn)電荷在電場中不同的點(diǎn)所受電場力方向不同，

4、因此，場強(qiáng)不僅有大小，而且有方向，是矢量。用檢驗(yàn)電荷所受電場力的方向表征場強(qiáng)方向比較恰當(dāng)，但是正、負(fù)檢驗(yàn)電荷在電場中同一點(diǎn)所受電場力方向相反，怎樣定義場強(qiáng)方向呢？回顧初中磁場方向的定義，小磁針、極受力方向也是相反的，于是人為規(guī)定：小磁針極受力方向?yàn)榇艌龇较?，這是人們的一種習(xí)慣。電場強(qiáng)度方向的定義也是如此，規(guī)定帶正電的檢驗(yàn)電荷所受的電場力方向?yàn)閳鰪?qiáng)方向。（）電場強(qiáng)度的大小據(jù)庫侖定律知點(diǎn)電荷在場源電荷形成的電場中某點(diǎn)所受的電場力大小一定，不同位置所受的電場力大小不同，且都與點(diǎn)電荷的電荷量成正比（分析數(shù)據(jù)表略）。分析數(shù)據(jù)不難得出：放入電場中某點(diǎn)的試探電荷所受的電場力與試探電荷所帶電荷量的比值一定，電

5、場中不同點(diǎn)比值不同，此比值只與場源電荷有關(guān)、與電場中的位置有關(guān)，而與試探電荷？無關(guān)，該比值就是該點(diǎn)的電場強(qiáng)度。物理原理和規(guī)律模型的構(gòu)建。物理原理和規(guī)律主要包括物理事物的特征、成因及其發(fā)展變化和相互間的聯(lián)系，這種模型可以讓學(xué)生更深刻的認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象、運(yùn)動(dòng)和規(guī)律，如力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系模型的構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)探宄：取三個(gè)相同的鋼球，將其中兩個(gè)球分別包裹錫箔紙和棉膠帶，在斜面左側(cè)同一高度處靜止釋放，觀察三個(gè)小球到達(dá)右側(cè)最高點(diǎn)位置?，F(xiàn)象：三個(gè)小球到達(dá)右側(cè)最高點(diǎn)時(shí)高度比釋放時(shí)的高度低一些；普通鋼球接近釋放時(shí)的高度，包裹醫(yī)用棉膠帶的鋼球最低。學(xué)生猜想：球與軌道間有摩擦，且大小不同。學(xué)生體驗(yàn)：感受三個(gè)鋼球表面的粗糙程度，普通

6、鋼球最光滑、包裹棉膠帶的鋼球最粗糙。探宄結(jié)果：三個(gè)鋼球釋放后總是試圖達(dá)到原來釋放時(shí)的高度，但由于摩擦阻力的存在，它們總達(dá)不到釋放時(shí)的高度，摩擦阻力越小鋼球越接近釋放時(shí)的高度。探宄實(shí)驗(yàn)：普通鋼球從左側(cè)同一高度靜止釋放，減小右側(cè)斜面與水平面間的夾角?，F(xiàn)象：鋼球接近釋放時(shí)的高度，運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和距離會(huì)越來越長。推論：繼續(xù)減小右側(cè)斜面與水平面間的夾角直到右側(cè)斜面水平，再釋放鋼球，鋼球會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去，永遠(yuǎn)停不下來。學(xué)生認(rèn)識(shí)到不受力作用時(shí)物體將保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。在這樣一個(gè)探究過程中，提出問題、猜想與假設(shè)、分析論證等要素十分突出，實(shí)驗(yàn)所起的作用也十分明顯。物理知識(shí)系統(tǒng)模型的構(gòu)建。物理事物各要素之間是相互聯(lián)

7、系、相互作用、相互制約的，特別是復(fù)雜的物理事物影響因素很多，知識(shí)系統(tǒng)模型就是把這些影響因素進(jìn)行分類、歸納，并找到它們之間的相互聯(lián)系，從而進(jìn)行快速、有效地整理、分析，形成全面的物理知識(shí)系統(tǒng)。如靜電場性質(zhì)模型的構(gòu)建（如圖所示）。試探電荷在電場中某點(diǎn)所受電場力與電荷比值圖靜電場性質(zhì)模型的構(gòu)建形成穩(wěn)固的“知識(shí)鏈”有利于突出知識(shí)遞進(jìn)關(guān)系。知識(shí)間聯(lián)系越緊密，就越容易為教學(xué)提供一個(gè)比較清晰的知識(shí)線索，確保學(xué)生的學(xué)習(xí)循序漸近。高中物理理想模型能夠把一些復(fù)雜的物理過程經(jīng)過分解、簡化、抽象為簡單的、易于理解的物理過程。在構(gòu)建物理模型時(shí)，必須遵循以下原則：相似性：在允許的近似范圍內(nèi)，準(zhǔn)確地反映物理的客觀本質(zhì)；抽象性

8、：在充分認(rèn)識(shí)客體的前提下，總結(jié)出更深層次的理性表述；可控性：以物理模型所表示的物理情景，要能進(jìn)行控制下的運(yùn)行及模擬。讓學(xué)生更透徹的理解物理知識(shí)，有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)思維能力，使學(xué)生從前人的科學(xué)思維中獲得收益，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和刨造性，提高物理教學(xué)的有效性。 二、構(gòu)建高中物理模型的教學(xué)策略 構(gòu)建高中物理模型的教學(xué)中，應(yīng)根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生情況和教學(xué)資源合理配置。建立正確的概念，掌握基本物理和規(guī)律。概念、原理和規(guī)律是物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，也是構(gòu)建物理模型的基礎(chǔ)。熟練思維方法。在物理知識(shí)的學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)常會(huì)使用歸納、演繹、類比等思維方法，如果對這些思維方法不熟練，會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生對物理知識(shí)的學(xué)習(xí)

9、、理解和應(yīng)用，從而影響物理模型的構(gòu)建。因此，對這些思維方法的訓(xùn)練和指導(dǎo)是必須的。落實(shí)一定數(shù)量的物理模型構(gòu)建活動(dòng)。模型的教育意義需要通過“建構(gòu)”來實(shí)現(xiàn)。在模型建構(gòu)活動(dòng)中，往往需要進(jìn)行觀察或?qū)嶒?yàn)，需要進(jìn)行歸納和演繹，需要運(yùn)用己有知識(shí)進(jìn)行假設(shè)、模擬、將復(fù)雜的事物進(jìn)行簡化、抽象出其本質(zhì)屬性，需要將頭腦中抽象的概念具體化、形象化并身體力行。通過親身參與這樣的活動(dòng)，學(xué)生在探索思考中，可以體會(huì)到模型建構(gòu)的方法，獲得成功的喜悅，才可能將模型方法內(nèi)化為認(rèn)知圖式，獲得認(rèn)知水平上的提升?？梢哉f，模型方法的精髓體現(xiàn)在建立模型的探索與發(fā)現(xiàn)之中，不親身經(jīng)歷其中的困惑與發(fā)現(xiàn)，很難領(lǐng)悟模型方法的要領(lǐng)與關(guān)鍵。 三、使用模型應(yīng)注

10、意的問題 高中物理模型教學(xué)應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：物理模型有一定的適用條件?，F(xiàn)實(shí)世界中，有許多事物與這種“理想模型”十分接近，在一定場合、一定條件下，作為一種近似，可以把實(shí)際事物當(dāng)作“理想模型”來處理，但也要具體問題具體分析。譬如，在研宄地球繞太陽公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，地球上各點(diǎn)相對于太陽的運(yùn)動(dòng)可以看作是相同的，即地球的形狀、大小可以忽略不計(jì)，這樣就可以把地球當(dāng)作一個(gè)“質(zhì)點(diǎn)”來處理；但在研宄地球自轉(zhuǎn)時(shí)，地球上各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不同，地球的形狀、大小不可以忽略，不能把地球當(dāng)作一個(gè)“質(zhì)點(diǎn)”來處理。物理模型是在不斷完善發(fā)展的。同一事物在不同階段可用不同模型來描述，但其模型總是不斷地從初級(jí)向高級(jí)發(fā)展，不斷完善。譬如原子模型有代表性的就有湯姆生“棗糕式”原子模型、盧瑟?！霸雍耸浇Y(jié)構(gòu)”模型、玻爾“軌道量子化”原子模型，再如研究固體比熱時(shí)有三維諧振子模型、德拜模型等。在中學(xué)物理教學(xué)中，由于學(xué)生知識(shí)及能力的限制，對某些物理圖景只采用比較低級(jí)的模型，如研宄氣體性質(zhì)時(shí)，采用理想氣體模型，而在普通物理中就采用范氏氣體模型。理論聯(lián)系實(shí)際。構(gòu)建物理模型是為了更好的認(rèn)識(shí)物理事物，因此必須把物理模型應(yīng)用在實(shí)際生活中。如建立起單擺這一理想化模型后，理解了單擺的周期公式，可以解