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淺談物理教學(xué)中模型思維能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練
中學(xué)物理教材中無(wú)論哪一部分的內(nèi)容都是以物理模型為基礎(chǔ)向?qū)W生傳達(dá)物理知識(shí)的。物理模型是中學(xué)物理知識(shí)的載體，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析與講解，是學(xué)生獲得物理知識(shí)的一種基本方法，更是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造思維能力的重要途徑。
一、物理模型的類(lèi)型
1、對(duì)象物理模型 即把物理問(wèn)題的研究對(duì)象模型化。如物理教材中提到的：“質(zhì)點(diǎn)”、“點(diǎn)電荷 ”、“單擺”、“點(diǎn)光源”等都屬于這類(lèi)模型。
2、過(guò)程物理模型 即把研究的物理對(duì)象的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行近似處理，排除其在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一些次要因素的干擾，使之成為理想的典型過(guò)程。如物理教材中提到的，“勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)”、“等溫”過(guò)程、“簡(jiǎn)諧振動(dòng)”、兩物體的彈性碰撞過(guò)程等都屬于這一類(lèi)型。
3、條件物理模型 即排除物體所處外部條件的次要因素，突出主要方面。如中學(xué)學(xué)過(guò)的“接觸面光滑”、“絕熱”等。
二、模型思維能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練
1、讓學(xué)生了解正確物理模型是怎樣建立及有何意義
物理學(xué)所分析、研究實(shí)際問(wèn)題往往很復(fù)雜，有眾多的因素，為了便于著手分析與研究，物理學(xué)往往采用一種“簡(jiǎn)化”的方法，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)抽象化處理，保留主要因素，略去次要因素，得出一種能反映原物本質(zhì)特性的理想物質(zhì)（過(guò)程）或假想結(jié)構(gòu)，此種理想物質(zhì)（過(guò)程）或假想結(jié)構(gòu)就稱(chēng)之為物理模型。因此，物理模型是人們通過(guò)科學(xué)思維對(duì)物理世界中的原物的抽象描述；是按照物理學(xué)研究的特定目的，用物質(zhì)形式或思維形式對(duì)原型客體本質(zhì)關(guān)系的再現(xiàn)。人們通過(guò)對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)與研究，去獲得關(guān)于原型客體的知識(shí)及其在自然界中的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，它是一種物理科學(xué)研究的常用方法。
2、在教學(xué)中運(yùn)用形象化的物理模型，幫助學(xué)生理解和掌握知識(shí)，發(fā)展物理模型思維。
物理模型有助于將物理學(xué)中大量抽象的邏輯思維輔之以生動(dòng)的形象思維，物理模型給物理的教與學(xué)所帶來(lái)的好處是不言而喻的。例如電場(chǎng)線(xiàn)對(duì)電場(chǎng)的描述；原子核式結(jié)構(gòu)對(duì)α粒子散對(duì)現(xiàn)象的解釋?zhuān)还庾幽Ｐ蛯?duì)光的粒子性的理解。在具體教學(xué)中可通過(guò)下述方法幫助學(xué)生建立物理模型：第一，實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)。先做有關(guān)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在腦海中留下一個(gè)直觀的、具體形象的物理模型，在此基礎(chǔ)上作抽象引導(dǎo)，形成一種思維輪廓，變成具有思維特征的物理模型。然后再利用學(xué)生思維中已建立起來(lái)的物理模型去解決一些實(shí)際問(wèn)題。例如在講“電磁流量計(jì)”時(shí)，需要建立“液柱”模型，就可以采用此方法。第二，下定義。有些物理模型的建立，需要從模型本身的特點(diǎn)給予定義，然后在運(yùn)用中進(jìn)一步體會(huì)模型的內(nèi)涵。例如“理想氣體”模型的教學(xué)。第三，舉例。在學(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)舉例的方法，引導(dǎo)學(xué)生建立物理模型。例如“分子勢(shì)能”的教學(xué)，我們就教學(xué)生想象兩分子間有一個(gè)彈簧，分子勢(shì)能隨著分子間距離的變化就好象是彈簧的伸長(zhǎng)和壓縮一樣。總之，在教學(xué)中如果能充分運(yùn)用形象化的物理模型，既能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)，又能發(fā)展能力。
3、指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用物理模型分析和解答實(shí)際問(wèn)題，在解決問(wèn)題中培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生的物理模型思維。
每一個(gè)物理過(guò)程的處理，物理模型的建立，都離不開(kāi)對(duì)物理問(wèn)題的分析。教學(xué)中，通過(guò)對(duì)物理模型的設(shè)計(jì)思路及分析研究思路的教學(xué)，能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)較復(fù)雜物理問(wèn)題進(jìn)行具體分析，區(qū)分主要因素和次要因素，抓住問(wèn)題的本質(zhì)特征，正確運(yùn)用科學(xué)抽象思維的方法去處理物理問(wèn)題的能力。
例1： 質(zhì)量均為m的大小兩塊薄圓板a和b的中心用長(zhǎng)度為l的不可伸長(zhǎng)線(xiàn)連接。將它們拼攏， 中心對(duì)齊，置于如圖水平位置。在a下方相距l(xiāng)處有一固定水平板c，c上有圓孔，其中心與a、b兩板的中軸在同一豎直面上，圓孔只允許b自由通過(guò)。今將a、b連線(xiàn)繃直時(shí)，a有可能再次下落與c發(fā)生第二次碰撞，假定碰撞時(shí)間及能量損失不計(jì)，求a、c之間先后兩次碰撞的時(shí)間間隔。
許多學(xué)生面對(duì)這個(gè)題目，往往弄不清a、c是如何發(fā)生兩次碰撞的，感到解題無(wú)從下手。其實(shí)只要認(rèn)真審題，分解物理過(guò)程，建立與之相應(yīng)的物理模型，本題就可迎刃而解了。
關(guān)于a、b運(yùn)動(dòng)，應(yīng)建立如下的模型：
物理模型一：a、b一起做自由落體運(yùn)動(dòng)直至a與c碰撞。物理模型二：a與c碰撞時(shí)，由于沒(méi)有機(jī)械能損失，a以原速率反彈。物理模型三：a反彈后做豎直上拋運(yùn)動(dòng)，b繼續(xù)做自由落體運(yùn)動(dòng)，直至連接a、b的繩子拉直。物理模型四：繩子被拉直后，a、b通過(guò)繩子發(fā)生相互作用，彼此改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在極短時(shí)間內(nèi)，達(dá)到具有共同速度，由于相互作用時(shí)間極短，因此相互作用的拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了它們的重力，此過(guò)程可近似應(yīng)用動(dòng)量守恒定律求出共同速度。物理模型五：a、b以共同速度為初速度，做加速度為g的勻加速運(yùn)動(dòng)，直至a再次與c碰撞。
例2 2005年全國(guó)高考理科綜合試卷物理試題第24題（題目略），它集電磁感應(yīng)、直流電路等諸多知識(shí)點(diǎn)于一體，是一道綜合性較強(qiáng)的試題，試題取材于生產(chǎn)實(shí)際，立意新穎，重點(diǎn)考查了學(xué)生構(gòu)造和應(yīng)用物理模型的能力。解決該題應(yīng)建立三個(gè)物理模型：一是相當(dāng)長(zhǎng)度為c的金屬棒以速度v垂直切割磁感線(xiàn)；二是長(zhǎng)為c，截面積為ab的長(zhǎng)方形電阻模型；三是電磁流量計(jì)工作時(shí)就相當(dāng)于一個(gè)恒定直流電路。
從以上例題可以看出，復(fù)雜的綜合題往往是由多個(gè)相關(guān)聯(lián)的物理模型組成，只有準(zhǔn)確還原設(shè)計(jì)題目時(shí)所依據(jù)的物理模型，才能在解題者頭腦中形成清晰的物理圖景，理清正確思路，順利解題。
法國(guó)科學(xué)方法論學(xué)者阿雷指出：“科學(xué)的基本活動(dòng)就是探索和制定模型�！敝袑W(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中，解決每一個(gè)物理問(wèn)題的過(guò)程，實(shí)際上也是正確選用物理模型，使用模型方法的過(guò)程。正確識(shí)別、建立物理模型，熟練使用模型方法正是中學(xué)生應(yīng)該具備的基本物理素質(zhì)，也是高考選拔具有學(xué)習(xí)潛能的學(xué)生的重要內(nèi)容。因此，為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及創(chuàng)新能力，逐步掌握科學(xué)研究的基本方法，在平時(shí)的教學(xué)過(guò)程中，必須注意培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)造和應(yīng)用物理模型的能力。
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