構建物理模型 培養(yǎng)創(chuàng)新能力

羅光榮

近年來高考內(nèi)容的改革，體現(xiàn)了對學生能力和素質的考查。所以，對高中物理這門課程，重要的是培養(yǎng)學生的科學素質，也體現(xiàn)在對學生的創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)上。在教學過程中大多數(shù)研究的對象是一些物理模型，這些物理模型既源于實踐，而又高于實踐，在我們的生活、生產(chǎn)、科技領域中帶有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。目前大多數(shù)高中學生普遍感覺高中物理難學，聽聽還懂，解決實際問題就困難。關鍵在于他們還是習慣于初中的那種形象思維方式，只會記概念、規(guī)律的靜態(tài)結論，而不重視得出結論的發(fā)展過程。只會模仿性地解決一些簡單的物理問題，而不善于通過觀察分析，提煉出現(xiàn)實情景的物理模型，爾后納入到相關的知識體系中去加以處理，最后得到問題的解決。針對高中物理自身特點、學生學習現(xiàn)狀及自己幾年來的教學實踐，我認為運用物理模型。解決物理實際問題在高中物理教學中至關重要。那么，怎樣構建“物理模型”去培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力呢?我談談以下幾個問題：

1什么是物理模型呢

為使物理問題研究變?yōu)榭赡芎秃喕覀兂２扇∠群雎阅承┐我蛩?，抓住主要因素，對實際問題進行科學的抽象，使問題理想化的方法，這就是構建物理模型。即先構建物理模型，然后在一定條件下，用于處理某些實際問題，這樣可使復雜問題簡單化，明了化，起到事半功倍的效果。

2構建物理模型是科學理論的依據(jù)

縱觀物理學發(fā)展史，許多重大的發(fā)現(xiàn)與結論，都是由于科學家們經(jīng)過大膽的猜想構思，創(chuàng)建出科學的理想化的物理模型。并通過實驗檢驗或實踐驗證，在模型與事實基礎很好吻合的前提下獲得的。

伽利略讓小球從彎曲的斜槽上自由下落，當斜槽充分光滑時，小球可沿另端斜槽上升到初始高度，如果另端斜槽末端越接近水平，小球為達到初始高度，將運動很遠。如果末端完全水平，小球將一直運動下去，永不停止。正因為伽利略構建了光滑這一理想化的模型，才有慣性定律的重大發(fā)現(xiàn)。

法拉第在1852年，對帶電體、磁體周圍空間存在的物質，設想出電場線、磁場線一類力線的模型，并用鐵粉顯示了磁棒周圍的磁力線分布形狀，從而建立了場的概念，對當時的傳統(tǒng)觀念是一個重大的突破。

1905年愛因斯坦受醬朗克量子假設的啟發(fā)，大膽地建立了光子模型，并提出著名的愛因斯坦光電效應方程，圓滿地解釋了光電效應現(xiàn)象。

盧瑟福以特有的洞察力和直覺，抓住α粒子轟擊金箔有大角度偏轉這一反?，F(xiàn)象。從原子內(nèi)存在強電場的思想出發(fā)，于1911年構思出原子的核式結構模型。

除了上述一些理想化模型外，在高中教材中有：(1)研究對象理想化的模型。例如質點、彈簧振子、單擺、理想氣體、點電荷、絕緣體等。(2)運動變化過程理想化的模型。如“勻速直線運動”、“勻變速直線運動”、“自由落體運動”、“平拋運動”、“簡諧振動”、“熱平衡方程”等，這些都是把復雜的運動過程理想化了的“物理模型”。正是引入了這些理想化的物理模型，才得以使我們面對許多復雜的現(xiàn)實問題，通過簡化處理能夠比較順利地予以解決。所以可以這么說，倘若離開了物理模型，不僅物理研究無法進行，而且對物理學科的縱深發(fā)展必然會起阻礙束縛的作用。

3在教學過程中重視構建物理模型的培養(yǎng)

(1)利用“物理模型”教學培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是兩個不同的概念，有時意識比能力更重要。教師應該把建立物理模型的這種創(chuàng)新的思路啟發(fā)地訴之于學生，這樣對學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)才是有益的。

(2)利用“物理模型”培養(yǎng)正確的思維方法，從而培養(yǎng)創(chuàng)新能力。正確的思維方法是提高思維能力的基礎，良好的思維能力是創(chuàng)新能力的保證，只有正確的思維才談得上有良好的創(chuàng)新。但是由于年齡的關系，中學生一般只注意知識的學習，并不關心自己的思維方法是否正確，更不能自覺地糾正一些不正確的思維方法，這就影響了思維發(fā)展。因此。指導學生運用正確的思維方法是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的首要任務?！拔锢砟Ｐ汀钡慕?，也是一種嚴密的正確的思維方法，其思維過程非常明顯，分析好每一個“物理模型”的建立思維很重要。以“質點”這個物理模型為例，為什么要將物體簡化為質點?什么物體可以簡化為質點?質點的概念很簡單。如果只教會學生質點的概念，而沒有使學生明確這種建立物理模型的思維過程以及運用物理模型建立概念的基本方法和思路，這將是教學上的一重大失誤!

分析好每一個“物理模型”的建立思維固然重要，但更重要的是引導學生去領悟這種思維過程，去品味這種思維過程。例如，在講“自由落體”時，就應該引導學生去理解，為什么要把物體的下落運動理想成“自由落體”?明確學習“自由落體”的真正的實際意義，經(jīng)過引導、啟發(fā)、分析，學生自然而然地就會領悟到其中的奧秘，從而培養(yǎng)學生正確的思維方法，達到培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的。

每一個物理過程的處理，物理模型的建立，都離不開對物理問題的分析。教學中，通過對物理模型的設計思想及分析思路的教學，能培養(yǎng)學生對較復雜的物理問題進行具體分析，區(qū)分主要因素和次要因素，抓住問題的本質特征，正確運用科學抽象思維的方法去處理物理問題，有助于學生思維品質的提高，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。這是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的主渠道。

(3)中學物理教材中有許多物理知識比較抽象，學生往往不易理解和接受，并會因此而失去學習的信心。但如果借助“物理模型”教學，通過采用模型方法，突出物理問題的主干，疏通思路，幫助學生建立起清晰的物理圖象，使物理問題化難為易，化繁為簡，這樣不僅起到降低解題難度，增強學生解題的自信心的作用，同時還潛意識地培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新和運用能力。

我們可借助模型的建立，對同類、相似的問題進行比較、概括、總結，使學生觸類旁通、舉一反三。例如，在“類平拋運動”的問題中，我們把平拋運動和帶電粒子垂直進人勻強電場中的運動問題從初狀態(tài)、受力特點進行比較、分析，找出它們的共性，建立“類平拋運動”模型，從而得到解決此類問題的一般方法。

[例1]質量為m，帶電量為+Q粒子，水平初速度為u，垂直進入勻強電場E中(如圖1所示)，討論以下幾種情況在一定時間后帶電粒子的運動模型：

(1)當電場強度為零時，粒子運動情形。

(2)當粒子重力忽略不計，勻強電場為E時，帶電粒子在勻強電場中的運動情形。

(3)當粒子重力等于電場力時，粒子的運動情形。

(4)當粒子重力不等于電場力時，粒子的運動情形。

[解題思路]建立直角坐標系，選水平運動方向為x軸，豎直向上方向為y軸，利用兩個方向上的運動規(guī)律和運動的合成定則求得以下幾種情況的結果。

(1)當E=0時，只受豎直向下的重力作用，純屬平拋運動。

(2)當G=0時，只受豎直向上的電場力作用，屬“類平拋運動”的模型。

(3)當電場力F等于重力G時，屬勻速直線運動的模型。

(4)當F不等于G時，但合力恒定不變，有二種情況，一是合力向上，二是合力向下，屬“類平拋運動”的情況。

創(chuàng)設物理情景進行模型轉換，培養(yǎng)發(fā)散思維能力。發(fā)散思維即采用不同的方法，從事物的不同角度、不同側面、不同層面，多角度、多層次地觀察、思考解決問題的思維方式。在解題訓練中通過創(chuàng)設物理情景進行物理模型轉換。

[例2]如圖2所示。一條長為L的細線，上端固定，下端拴一個質量為m的帶電小球，將它置于勻強電場中，電場強度大小為E，方向是水平的，已知當細線離開豎直位置的偏角為α時，小球處于平衡位置。

求：(1)小球帶何種電荷?求出小球所帶電量。(2)如果使細線的偏角由α增大到β，然后將小球由靜止開始釋放，則β應為多大才能使細線到達豎直位置時小球的速度剛好為零?

[解題思路]問題(1)根據(jù)題設條件小球在B點處于平衡條件，對小球進行受力分析。小球受重力，細線的拉力和電場力，在三個共點力的作用下處于平衡狀態(tài)，據(jù)平衡條件合外力為零，求解電場力和電量[略]。問題(2)常規(guī)解法是根據(jù)受力特點，對整個過程應用功和能關系及三角知識得出。

實際上，由于學生利用數(shù)學解題能力的局限。得到正確的答案有一定困難，而由分析可知：小球處于重力場和電場中，受到恒定的電場力和重力的作用，其合力也是恒力，且方向也恒定不變。因此，若把電場模型等效轉換為“重力場”模型。則得出小球將在“等效重力”和拉力T作用下沿圓弧擺動，B點為平衡位置，根據(jù)單擺振動特點則可得出正確的解答。

所以，在中學物理教學中，循序漸進地啟發(fā)、引導學生，合理建立、應用物理模型，處理比較復雜的物理問題，熟悉并掌握這種科學研究的思維方法，養(yǎng)成良好的思維習慣，不但能使學生加深對物理概念和規(guī)律的理解，提高解題技巧，舉一反三，觸類旁通，化繁為簡，而且對開發(fā)學生智力，發(fā)展創(chuàng)造性思維，將起到積極的作用。

綜上所述，物理模型是培養(yǎng)學生創(chuàng)造性的很好素材，充分科學地用足用活物理模型，給學生營造一個寬松的充分體現(xiàn)以“學生為主”的課堂環(huán)境，我們就一定能培養(yǎng)出一代具有創(chuàng)新能力的適合現(xiàn)代化建設的新的人材!