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构建物理模型 培养思维能力(李松林)
发布者:柳水平发布时间:2021-05-14 14:44:04阅读(82) 评论(0) 举报
构建物理模型 培养思维能力
武汉市洪山中学 李松林 邮编430072 联系电话13627261975
摘 要 物理模型是心理构造物,基于心理表象。表象的建立是由感知到思维过渡的必要环节。实验目的在于形成物理概念和物理规律的表象基础,在学生脑海中形成一个个具体形象的物理模型。
关键词 表象 物理模型 概念模型 状态和过程模型 理想模型
物理学是一门研究物质最普遍、最基本的运动形式的自然科学,研究对象遍及整个物质世界。而所有的自然现象都不是孤立的,这种现象之间复杂的相互联系,一方面反映了必然联系的规律性,同时又存在着许多偶然性。面对纷繁复杂的物理世界,只有我们抓住了主要矛盾、忽略次要矛盾的科学思维方法,才能理出清晰的物理概念和物理规律,最终才能构建物理学理论的大厦。物理模型法是这种科学思维方法的具体运用。
一.构建物理模型的理论依据
物理模型事心理构造物、基于心理表象。表象是曾经作用于人的事物在头脑中留下的形象,表象的建立是由感知到思维过渡的必要环节。表象具有形象性和概括性的特征,可以分为单一表象和一般表象。作为物理模型基础的表象,不是个别事物的单一表象,而是反映事物一般物理关系本质的简化的一般表象,这种表象以视觉为主,不仅是主体的而是变化的,也就是说是四维的。在心理活动中可以被操作,学生可以在想象中对他们进行观察、测量和实验。
纵观物理学发展史,许多重大的发现与结论,都是由于科学家们经过大胆的猜想构思,创建出科学的理想化的物理模型,并通过实验检验或实践检验,模型与事实基础很好吻合的前提下获得的。所以物理模型是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,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。
二.物理模型在物理概念和物理规律教学中的运用
1.物理概念是物理知识结构核心,它的第一个特点是抽象,如果不建立物理模型,概念就很难建立。进入中学阶段学生对物理世界已形成了一定的认识,按照初中物理课程内容,学生已建立的表象可以分为三类,一类是成熟的、一类是不完善的、还有一类是贫乏的。
初中生学习物理困难大多来自不完善的表象,如误差、力、力的作用点、施力物体等有关表象,这些表象在学生心理上也已存在,但从物理学的观点看,这些表象是不完善的,甚至蕴涵有许多错误的成分,有的表象不清晰,如运动和力的关系,有的表象则是不深刻的,如压力常把压力与重力混淆。正是这些不清晰、不完善、不深刻的表象,使得有些知识的错误难以纠正。
表象贫乏,多涉及较高层次的概念和规律,如压强、液体压强的规律、大气压的变化、功等,学生生活中极少遇到有关的刺激或即使有刺激,也从未需要作出深刻和全面的感知。这些知识也是教学中的难点,这类难点与前一类难点有所不同,由于缺乏原表象,学生建立这些概念往往要借助于类似的有关表象,例如电阻,借用阻力的表象;磁场则借助于演示实验中看到的铁屑分布图,这种借用在降低知识接受难度的同时,也会隐伏相应的错误。
2.如何建立正确的物理概念和物理规律
1)物理是一门实验科学,观察和实验是研究物理的根本方法。实验是连接认识的主体和客体的纽带。实验目的首先在于形成物理概念和物理规律的表象基础,在学生脑海中形成一个个具体形象的物理模型,更为重要的是通过有目的的观察和实验,引导学生由抽象思维形成有思维特征的物理模型。
针对学生业已建立的三类不同表象,在通过观察和实验强化构建物理概念、规律时应有所侧重的处理。对于成熟的表象,相应的演示往往比较平淡,不容易引起新奇的刺激,这类教学重点不在于观察而在于思考,即概念或规律的归纳或验证性实验的构思。表象不完善的情形,实验教学应侧重于关键细节的观察或侧重于典型现象的研究或侧重于因果本质的思考。对于缺乏表象的情形,只要补充平常见不着的现象,通过实验学生易于得到新异刺激,如果是平时缺少相应的思考,如功则可以创设恰当的问题情境,让学生在对问题的考察和研究中建立有关的表象。
只有通过生动的实验,突出主要部分,才能使模糊的得以鲜明、错误的加以改正,形成清晰的物理模型。
2)物理模型的构建
物理模型的构建过程是学生形象思维向抽象思维发展的过程,建立和正确使用物理模型有利于将复杂的问题简单明了化,使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明,突出了事物间的主要矛盾,对学生的思维发展、解决问题能力的提高起着重要的作用。
中学物理模型大致可以分为以下几类:
①概念模型。中学物理模型的某些物理对象比较复杂,但在对某一概念或规律进行研究时,可不考虑大小因素,对实物简化,如对物体进行受力分析可以把物体看成一个质点。
②条件模型。如在研究液体压强时不考虑大气压强、在力学中的光滑面、简单机械中的轻质杠杆等,使问题得到简化,把物体所处的条件理想化了。
③物理状态和过程模型。如平抛运动可以将问题简化为两个过程,第一物体在水平方向上不受外力,做匀速直线运动,第二物体在竖直方向上仅受重力的作用,做自由落体运动,可见过程模型的建立不但可使问题简化,还可培养了学生思维的灵活性。
④理想模型。如伽利略的理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础,在实验基础上抓住主要矛盾,忽略次要矛盾。根据推理法,对过程进一步分析推理,找出其规律。
3)物理模型的整合
在教学过程中教师要积极引导学生对各物理模型进行分类、比较,形成完善的知识体系,例如电学学习中要引导学生总结串、并联电路的电流、电压、电阻、电功率、电压分配、电功率分配等特点,并比较串并联电路特点的异同点。
通过各物理模型的比较、总结可以使头脑中的各个物理模型更加清晰,形成比较完整的物理体系。
三.物理模型在习题中的运用
教学的最终目的是让学生学会自己解决问题,给学生正确的解题思路。由于物理学科的特点,大多数的物理题无非是在两个方面设置障碍,一是转换即转换物理条件,二是分析物理过程,简单的物理题一般只有一个物理过程,复杂的物理题往往包含2~3个物理过程,甚至更多。知己知彼百战百胜,理清命题者的意图后就可以着手解题了。
例如:如图所示,当开关S闭合后,滑动变阻器的滑片在b端时,电压表示数为9V,电流表示数为0.15A;滑片P在中点c时电压表的示数为6V。
求:(1)滑动变阻器R1的最大阻值;
(2)电源电压和R2的阻值。
本题包含两个物理过程:一是滑片在b时,滑动变阻器R1的阻值最大;二是滑片P在c点时。在两个物理过程中可以通过电路中电源电压不变、R2的阻值不变,列出两个等式建立物理方程求解电源电压和R2的阻值。
解:(1)滑片在b时,滑动变阻器R1的阻值最大。
(2)P在c点时的电流为
电源电压: ①
又因为P在b点时电源电压:
②
解①②可得:U=18V,R2=60Ω
解题一般应有如下思路:
1)审题。通过读题初步明确题意,把握隐含条件做好转换。
2)确定研究对象。进一步分析题意,弄清楚物理状态和物理过程即建立过程模型,并明确各物理状态和物理过程的关联。
3)建立物理方程。根据物理规律用文字和符号表示已知量和未知量的关系。
4)数学运算和讨论。结合物理意义得出最后的结果。
当然对于有些题目还有一些特殊的思路和方法,也必须要掌握,如解决力学连体问题时,常用隔离法;对不涉及系统内力,系统内各部分运动状态相同的物理问题用整体法比用隔离法合理。
物理学是一门应用科学,与实际生产、生活密切相关,在教学过程中我们一定要体现“从生活走进物理,从物理走向生活”的新课程理念。将实际问题与头脑中已有的物理模型建立联系,将实际问题转化为物理问题,通过改进课堂教学,提高学生思维能力水平。
参考书目:
陈永明 《现代认知心理学》 团结出版社 1989年
陈 琦 《当代教育心理学》 北京师范大学出版社 1997年