在物理建模教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的辨別技能

和清霖　王曉燕

摘要：在物理模型、辨別技能等理論的基礎(chǔ)上，提出了在物理建模教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生辨別技能的步驟和方法，并舉出相應(yīng)的教學(xué)案例。最后列出影響學(xué)生在物理建模學(xué)習(xí)中辨別技能的因素。

關(guān)鍵詞：物理模型方法；辨別技能；實(shí)施原則；因材施教

中圖分類號：G633．7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1002－0845(2006)10－0081－02

一、物理模型的概念

物理模型是物理學(xué)中的理想化方法之一。著名的法國物理學(xué)家拉普拉斯說：“普通的定律表現(xiàn)在特殊的現(xiàn)象里，而特殊的事例常摻雜許多外來的因素，只有用巧妙的心思才能將它們分開而發(fā)現(xiàn)定律。”縱觀物理學(xué)史，物理模型在物理學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展過程中發(fā)揮了重大的作用。物理學(xué)的發(fā)展，可以說是建立物理模型和用新的物理模型代替舊的物理模型的過程。物理模型的方法是物理學(xué)研究的一種重要方法，實(shí)際的物理現(xiàn)象或物理過程一般都是十分復(fù)雜的，涉及到眾多的因素。對實(shí)際問題進(jìn)行科學(xué)的抽象化處理，抓住其主要因素，忽略其次要因素，得出一種能反映原物體本質(zhì)特征的理想物質(zhì)(過程)或假設(shè)結(jié)構(gòu)，此種理想物質(zhì)(過程)或假設(shè)結(jié)構(gòu)就稱之為物理模型。

二、物理建模中辨別技能的概念

在建立物理模型的過程中學(xué)習(xí)者能覺察出事物(任務(wù))的重要成分，集中注意于某細(xì)節(jié)而避免其他因素的干擾，即突出事物的主要因素，忽略其他次要的、不必要的因素的影響的智力活動方式叫做物理建模中的辨別技能。

三、在物理建模教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生辨別技能的步驟

第一，使學(xué)生做好學(xué)習(xí)準(zhǔn)備。(1)建立學(xué)習(xí)建模的意向。首先使學(xué)生對某個物理知識點(diǎn)產(chǎn)生注意，并辨認(rèn)其特征。其次使學(xué)生致力于尋找把該物理知識點(diǎn)與其他相關(guān)物理知識點(diǎn)區(qū)分出來的特征，這種積極的尋找行為可以引導(dǎo)師生在高水平上進(jìn)行建模。(2)使學(xué)生意識到辨別在學(xué)習(xí)建模中的兩個目的。首先為防止在物理建模的學(xué)習(xí)中出現(xiàn)混淆和不必要的搜尋；其次使學(xué)生有可能主動與以往學(xué)過的物理知識建立聯(lián)系并進(jìn)行區(qū)別。(3)給學(xué)生提供有關(guān)所學(xué)物理模型之間的關(guān)系。

第二，準(zhǔn)備相關(guān)的有效的物理中心知識點(diǎn)和干擾知識點(diǎn)。

第三，幫助學(xué)生獲得辨認(rèn)中心知識點(diǎn)和干擾知識點(diǎn)的策略。獲得這種策略有兩個主要作用：一是正確識別中心知識點(diǎn)和干擾知識點(diǎn)；二是減少外部反饋的需要，甚至完全消除這種需要。

第四，幫助學(xué)生完全理解物理模型。

第五，幫助學(xué)生學(xué)會使用物理模型。學(xué)生已經(jīng)掌握的物理模型可用于理解概念、原理，理解物理分類和其他層次關(guān)系以及解決問題。

第六，提供及時(shí)的信息反饋。學(xué)生在建模學(xué)習(xí)中需要他們明確中心知識點(diǎn)信息和干擾知識點(diǎn)信息，明確究竟提供多少反饋給學(xué)生，掌握依賴于所學(xué)會的物理知識的實(shí)質(zhì)性的深度、廣度和檢驗(yàn)自己理解程度的策略。及時(shí)的反饋，可以使學(xué)生認(rèn)識到他們是否充分理解和掌握了物理模型。通常，在得到反饋之后，學(xué)生們會比以前學(xué)得更好。

第七，使學(xué)生掌握在物理建模教學(xué)中培養(yǎng)辨別技能的一般步驟：(1)分析問題；(2)運(yùn)用合適的建模方法；(3)建立模型；(4)求解并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停?5)對所運(yùn)用的物理辨別方法進(jìn)行回顧。

四、在物理建模教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理辨別技能的方法

一是擴(kuò)大差異法，即擴(kuò)大主要因素法或縮小次要因素法。

二是條件轉(zhuǎn)變法，即在進(jìn)行物理辨別時(shí)，如果面臨的條件比較復(fù)雜，可以將條件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即將其變換成同類的別的條件，看其對題中的結(jié)果有無影響，以減少辨別的負(fù)擔(dān)，增加辨別學(xué)習(xí)的成功率。

三是類比模擬法，類比是一種邏輯推理形式。該法是指應(yīng)用兩種物理現(xiàn)象和兩種物理規(guī)律之間的相似或相同來解決物理問題的方法。在物理建模學(xué)習(xí)中，要善于從自然界或者已有成果中，尋找與創(chuàng)造對象相類似的東西，加以模擬，迅速、正確地達(dá)到目的。從個體成長過程看，模仿是學(xué)習(xí)的先導(dǎo)之一，但我們追求的是在模仿中進(jìn)行辨別。學(xué)生在學(xué)習(xí)中，要培養(yǎng)自己動腦的能力，從類比模擬中求辨別。類比的方法很多，常用的有直接類比法、象證類比法、因果類比法、對稱類比法、綜合類比法等。

四是變異法，變換諸多物理因素中的干擾因素，而不變換進(jìn)行辨別的原因因素和辨別的結(jié)果，依次讓學(xué)生進(jìn)行物理建模辨別技能的學(xué)習(xí)。

五是直觀法，將學(xué)生面臨的物理問題諸因素以直觀的形式表示出來，如利用列舉、圖表、圖像等手段層次清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，為正確的物理建模辨別技能的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。五、案例

1997年8月在日本舉行的國際學(xué)術(shù)會上，一名美國宇航員作報(bào)告說他登上了距我們2．98億千米的星體（如圖１）。他站在這一星體表面上的某高處，沿水平方向拋出一個小球，經(jīng)過時(shí)間t，小球落到星球表面，測得拋出點(diǎn)與落地點(diǎn)之間的距離為L，若拋出時(shí)的初速度增大到2倍，則拋出點(diǎn)與落地點(diǎn)之間的距離為31/2L(如圖２)。已知兩落地點(diǎn)在同一水平上，該星球半徑為R。萬有引力常數(shù)為G。該星球的質(zhì)量為M。

第一步：剔除干擾因素(根據(jù)解決具體問題的需要)。此時(shí)可以用信息轉(zhuǎn)換剔除法。

剔除易辨別的干擾因素，如：事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)等多余信息。做題時(shí)可以用鉛筆將多余的部分劃去或者將必要的部分劃線保留，在本例題中年代的改變不改變問題的結(jié)果。剩余的部分為：

一名美國宇航員登上了距我們2．98×10³⁰千米的星體。他站在這一星體表面上的某高處，沿水平方向拋出一個小球，經(jīng)過時(shí)間t，小球落到星球表面，測得拋出點(diǎn)與落地點(diǎn)之間的距離為L，若拋出時(shí)的初速度增大到2倍，則拋出點(diǎn)與落地點(diǎn)之間的距離為3^1/2L。已知兩落地點(diǎn)在同一水平上，該星球的半徑為R。萬有引力常數(shù)為G。該星球的質(zhì)量為M。

剔除干擾較大、不易辨別的因素。在本例題中，距我們的距離值也不改變問題的結(jié)果。做題時(shí)可以用鉛筆再將多余的部分劃去或者將必要的部分劃線保留，剩余的部分為：

一名美國宇航員站在一星體表面上的某高處，沿水平方向拋出一個小球，經(jīng)過時(shí)間t，小球落到星球表面，測得拋出點(diǎn)與落地點(diǎn)之間的距離為L，若拋出時(shí)的初速度增大到2倍，則拋出點(diǎn)與落地點(diǎn)之間的距離為3^1/2L。已知兩落地點(diǎn)在同一水平上，該星球的半徑為R。萬有引力常數(shù)為G。該星球的質(zhì)量為M。

第二步：建立物理模型?？捎脭U(kuò)大差異法、類比模擬法。

本題中涉及兩個方面：（１）可以用擴(kuò)大差異法，拋出點(diǎn)與落地點(diǎn)之間的距離L相對于星體的大小很小，在建立模型時(shí)，將星體的表面相對于距離L可以看做直線，視小球?yàn)橐粋€質(zhì)點(diǎn)，便知小球的運(yùn)動為平拋運(yùn)動。即題目中的圖形就成為圖2。（２）可以用類比模擬法，類比于書上的題目(平拋運(yùn)動)。

解：首先虛擬物理模型：設(shè)該星球上的表面有一個質(zhì)量為m的物體，若星球表面的引力加速度為g，則由萬有引力定律可得GMm/R=mg，即為GM=R²g。上式稱為黃金代換式。若能求得g便可根據(jù)此式求得M，于是要對題設(shè)的平拋運(yùn)動加以研究。這就需要考生將在該星球平拋運(yùn)動與在地球表面上的平拋運(yùn)動進(jìn)行類比模擬，設(shè)拋出點(diǎn)的高度為h，第一、二次平拋的水平射程分別為x、2x，則有：x²+h²=L²，

(2x)²+h²=(3^1/2L)²，h=1／2gt²

由上述三式可得g=2L/3^1/2t²。綜合上述討論可得

M=2×3^1/2LR²/3Gt²。

六、影響學(xué)生在物理建模中形成辨別技能的因素

1．個人變量：個人變量既包括不大受時(shí)間影響的持久的屬性(如，學(xué)生在學(xué)習(xí)某些內(nèi)容后，能夠預(yù)測自己能辨別的項(xiàng)目的程度)，也包括暫時(shí)的屬性(學(xué)生能夠說出自己能否正確地辨別學(xué)習(xí)的內(nèi)容，學(xué)生對自己是否做好了辨別的準(zhǔn)備的監(jiān)控能力)。

2．任務(wù)變量：有些類型信息的辨別比其他信息更難些，即關(guān)于學(xué)習(xí)材料的性質(zhì)的方面。待解決問題的材料的呈現(xiàn)方式與問題的解決有很大的關(guān)系。

3．策略變量：學(xué)生通過經(jīng)驗(yàn)，會逐步形成有關(guān)物理辨別策略方面的知識，即關(guān)于有效策略的范圍與組合方式。提取信息的一種有效的技能，是要認(rèn)識到徹底搜尋所需信息的必要性，并知道如何去做。有的心理學(xué)家把檢索與監(jiān)控作為學(xué)生用來確保物理建模符合邏輯的策略。

4．各變量之間的相互作用；弗拉維爾強(qiáng)調(diào)指出，我們不能孤立地考慮個人變量、任務(wù)變量和策略變量，而應(yīng)把它們結(jié)合起來考慮，分析在特定情況下各種變量的綜合影響。

學(xué)生隨著年齡增長，對物理知識的了解逐漸增多，越來越善于使用適當(dāng)?shù)牟呗詠硖幚砦锢硇畔?。他們逐漸意識到各種個人變量、任務(wù)變量和策略變量，以及它們之間關(guān)系對解決物理問題的作用。中學(xué)生對教師告訴的策略有依賴性。作為教師，不僅要了解學(xué)生辨別技能發(fā)展的規(guī)律，而且要關(guān)注如何通過教學(xué)提高學(xué)生的辨別技能，并應(yīng)用于新的學(xué)習(xí)情景。同時(shí)，教師必須隨時(shí)了解學(xué)生是否知道怎樣建立和應(yīng)用物理模型，是否具備解決的策略所需要的技能。

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〔責(zé)任編輯：鄒芳啟〕