中學物理教學中學生建模能力培養(yǎng)的實踐研究BW

1、論文摘要：“科學的基本活動就是探索和制定模型”，建模對物理學的發(fā)展起著推動前進的作用，建模能力是學生物理能力的核心能力之一。本文通過“抽象、等效”建模，“假設、類比”建模和“簡化、形象”建模的教學實踐，探討了中學物理教學中如何提高學生的物理建模能力，提出了若干建議。中學物理教學中學生建模能力培養(yǎng)的實踐研究隨著新課程標準的執(zhí)行，及上海二期課改的實施，在高中物理教學中，培養(yǎng)學生的探究精神和創(chuàng)新意識越發(fā)顯得尤為重要，而這一切又離不開物理建模能力的培養(yǎng)。我們知道物理學的研究對象遍及整個物理世界，大至天體，小至基本粒子，面對復雜具體的物體，研究它的形形色色的運動，是中學物理教學的重要內(nèi)容之一。如何幫助學

2、生理解各種形形色色的運動，建立起物理模型，并能運用到解決實際問題中去，是中學物理教學重點，也是難點。因此我們在進行二期課改物理教學時，一定要注重指導學生多關注社會、觀察自然現(xiàn)象、關心科技動態(tài)、聯(lián)系生活實際去拓寬視野，發(fā)揮想象和創(chuàng)新的潛能。聯(lián)系實際的對象包括自然現(xiàn)象以及科學實驗中、現(xiàn)代生活中的各種實際問題。解決這類問題的關鍵是要善于挖掘出實際問題的本質(zhì)內(nèi)涵，進行模型化處理，把不熟悉的問題轉化為熟悉的問題，再注意知識和方法的靈活應用，問題就迎刃而解。從物理學的角度來看，所謂“建模”，就是將我們研究的物理對象或物理過程通過抽象、理想化、簡化和類比等方法形成物理模型。它是一種重要的科學思維方法，能夠較

3、好培養(yǎng)學生抽象思維能力和創(chuàng)新意識。在高中物理教學中通過物理建模能力的培養(yǎng)，提高學生的抽象邏輯思維能力，是必須的也是必要的，同時物理學科對培養(yǎng)學生的建模能力也有著得天獨厚的條件和優(yōu)勢，因為從物理學的發(fā)展歷史來看，建模對物理學的發(fā)展起著推動前進的作用。如初期的托勒密的“地心說”和后來哥白尼的“日心說”，都是對天體運動的建模，是結構模型；早期的枷利略提出的勻變速運動是對運動過程的建模，是運動模型等等，“科學的基本活動就是探索和制定模型”，建模最能反映一個學生的抽象思維能力和素質(zhì)。所以這要求我們在進行高中物理教學時要" 授之以漁" ，切實加強對學生物理建模方法的指導。要使學生清楚地

4、認識到，解題的關鍵在于從問題中抽象出模型，模型是聯(lián)接理論知識和應用的橋梁，背景知識、實驗事實和經(jīng)驗材料是構建模型的基礎，而抽象、等效、假設、類比等則是構建模型的基本方法。下面僅就如何采用“抽象、等效、類比”等建立物理模型的方法，教給學生如何從材料中提取有用信息，然后轉換成熟悉的物理圖象、物理過程，建立起物理模型，從中尋找出解題規(guī)律，形成解題思路。一“抽象、等效”建模這種建模方法，就是采用忽略次要因數(shù)，突出主要因數(shù)，簡化研究對象，將它等效成一個簡單的幾何模型。例。傳說國外某餐店老板為了招攬顧客想制作一塊1m3的特大豆腐，結果因豆腐癱軟而失敗。其實即便是堅硬的巖石處在太高的山體底部也回癱軟。這是因

5、為山峰高度到一定程度后，巖石基部壓強過大，會發(fā)生熔化而開始流動的緣故。若每摩爾巖石熔化時吸收的熱量為m，巖石的摩爾質(zhì)量為。山體看做是均勻的圓柱體，當山高達極限高度H時繼續(xù)增高一點就熔化掉一點，即不能再增高了，試從能量轉化的角度寫出山的極限高度H的表達式。設巖石的主要成分是SiO2（Si相對原子質(zhì)量為28，O相對原子質(zhì)量為16），SiO2的摩爾熔解熱（即1mol的物質(zhì)溶解成同溫度的液體時所吸收的熱量）為m=854J/mol，求山的最大高度H的值。分析：本題是將抽象的問題，采取忽略次要因數(shù)，突出主要因數(shù)，將山等效成一個圓柱體，當山達到極限高度后，它所增加的重力勢能就轉化為內(nèi)能，由此就可得出解題思路

6、。解：（1）設山的橫截面積為s，巖石密度為，增加的質(zhì)量為m 則 （2）SiO2的摩爾質(zhì)量為u=（32+28）10-3=0.06kg/mol 所以 H=854/0.0610=1.45(km)教學建議：本題實際上是一個估算題，因此采用“抽象、等效”方法，建立“圓柱體”模型。再根據(jù)題干所給出隱含條件，理出解題思路。二. “假設、類比”建模 在運動和力的關系問題中，為了了解物體的運動性質(zhì)和運動過程，往往要采用假設、類比的方法，并結合各種圖象如：vt圖；st圖；構建物體的運動和力的關系模型，其中最常見的一種運動和力的關系模型是物體自靜止開始在變力作用下作速度不斷增大、加速度不斷減小的變加速運動，當加速度

7、為零時，速度達到最大，合外力等于零。 教學評議：運動和力的關系問題，是高中物理教學的難點，難點就在于對研究對象進行正確的受力分析和運動過程分析，因此利用圖象搞清物體的運動性質(zhì)，從而建立起運動模型，是比較有效的方法之一。三“簡化、形象”建模 對于來源于現(xiàn)實生活中的有關運動信息題,若物體的運動過程非常復雜，不是我們最常見的幾種形式的運動模型，則我們就必須注重對運動全過程的認識，以及對運動發(fā)展變化過程的分析理解，深刻理解題意，深挖隱含條件，利用圖象，將抽象的物體問題形象化，簡化物體的運動過程。更加真實、全面地再現(xiàn)和模擬現(xiàn)實,建立起物體的運動模型. 例.某電子元器件廠在設計新產(chǎn)品時，做了一個帶電粒子在

8、電場中運動的實驗，相距為d的平行板A、B上加有周期為T的電壓（如圖b）。AB板中心各有一相對小孔P、Q?，F(xiàn)從P孔連續(xù)不斷地沿PQ方向質(zhì)量為m，電量為q的粒子（重力不計），且粒子的初速度和相互之間作用力均可不計。從一個周期的開始時刻（即t=0時刻）計時，發(fā)現(xiàn)一個周期內(nèi)（即t=T的時間內(nèi)）到達Q點時速度為零的某粒子的進場時刻，恰好就是t=0時刻進場的粒子從Q中射出的時刻。（1）試確定AB板所加電壓U的大小。（2）從t=0時刻起，一個周期內(nèi)進入電場的粒子，形成有粒子射出電場的總時間，與電壓周期T的比值是多少。分析：本題的運動過程非常復雜，每個帶電粒子在電場中的運動情況都不完全一樣，因此要想建立理想的

9、運動模型，全面、真實的再現(xiàn)帶電粒子的運動情況，就必須深入挖掘隱含條件，提取有用的信息，所以關鍵是認真審題、深刻理解題意，根據(jù)題意：設第m顆粒子在t時刻進入電場，它在電場中先做初速度為零的勻加速直線運動后做末速度為零的勻減速直線運動，到Q點速度為零。而第一顆粒子t=0時刻進入電場，在電場中做初速度為零的勻加速直線運動，經(jīng)過t時間射出Q孔。全面了解了第一顆粒子和第m顆粒子的運動過程，就基本了解了所有粒子的運動情況，作出第一顆粒子和第m顆粒子vt圖象，建立起運動模型，就找到了解題規(guī)律。 解：（1）依題意，t=0時刻進場的首顆粒子在電場中作勻加速運動，運動了t時間（且tT/2）射出電場；t時刻進場的第

10、m顆粒子在電場中先做初速度為零的勻加速直線后做末速度為零的勻減速直線運動，因此其加速時間為，全程時間為由vt圖象可知由（2）到達Q點速度為零的粒子，是最后一顆粒子能射出的粒子，同時第一顆粒子t=0射入，經(jīng)過t時間射出，所以能射出粒子的總時間為2教學建議：本題粒子的運動過程抽象、復雜；利用圖象可以簡化粒子的運動過程，還可以將抽象的物理問題形象化，關于圖象的應用，在上海近幾年的高考物理試卷中越來越受到重視，因此，在平時的教學過程中，應注意對圖象應用能力的培養(yǎng)。物理建模的方法很多種，物理模型也有很多種，其中運動模型因為描述物體的運動過程和運動性質(zhì)，同時又闡述了運動和力的關系，是一種最重要的模型，掌握正確的建模方法，培養(yǎng)學生物理建模能力，是高中物理教學所必須重視的問題，因為物理模型是對基礎知識的高度概括。而且具有典型性、方法性等特點，它集基礎知識與基本規(guī)律于一體。物理模型不僅僅是知