利用物理模型培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

王彥平

物理學(xué)所分析、研究的實際問題往往很復(fù)雜,為了便于著手分析與研究,物理學(xué)中常常采用“簡化”的方法,對實際問題進(jìn)行科學(xué)抽象的處理,用一種能反映原物本質(zhì)特性的理想物質(zhì)或假想結(jié)構(gòu),去描述實際的事物過程。這種理想物質(zhì)過程或假想結(jié)構(gòu)稱之為物理模型。物理模型的建立,是人們認(rèn)識和把握自然的一個典范。物理模型的建立是一個創(chuàng)造性過程,對物理模型的認(rèn)識和理解也是一個創(chuàng)造性的過程,一個培養(yǎng)創(chuàng)新能力的過程。可見,引導(dǎo)學(xué)生真正認(rèn)識和理解甚至建立物理模型,顯然是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的不可多得的途徑。

1 中學(xué)物理學(xué)中的模型類別

物理模型就是采用理想化方法,通過對原型客體在一定條件下,經(jīng)過“去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里”,抽象出同類原形客體的共同特性而建立的一種理想模型。它又主要分為以下幾種類型:物理對象模型(如質(zhì)點、點電荷、薄透鏡、點光源等)、物理過程模型(如簡諧運動、勻速直線運動、勻速圓周運動、平拋運動、氣體的等壓、等容、等溫變化等)、物理條件模型(如單擺的運動,忽略單擺擺線的形變,將軌跡以曲代直;研究機械能轉(zhuǎn)化守恒時,忽略阻力作用;研究地球公轉(zhuǎn)時,忽略地球大小和自轉(zhuǎn)等條件理想化處理)、理想實驗?zāi)Ｐ?如伽利略在發(fā)現(xiàn)慣性定律時所設(shè)想的在純粹理想狀態(tài)下的斜槽實驗)。

2 物理模型在教學(xué)中的運用

2.1 建立模型概念,理解概念實質(zhì)物理模型大都是以理想化模型為對象建立起來的。建立概念模型實際上是撇開與當(dāng)前考察無關(guān)的因素以及對當(dāng)前考察影響很小的次要因素,抓住主要因素,認(rèn)清事物的本質(zhì),利用理想化的概念模型解決實際問題。如質(zhì)點、剛體、理想氣體、點電荷等,學(xué)生在理解這些概念時,很難把握其實質(zhì),而建立概念模型則是一種有效的思維方式。

2.2 認(rèn)清條件模型,突出主要矛盾條件模型就是將已知的物理條件模型化,舍去條件中的次要因素,抓住條件中的主要因素,為問題的討論和求解起到搭橋鋪路、化難為易的作用。

2.3 構(gòu)造過程模型,建立物理圖景過程模型就是將物理過程模型化,將一些復(fù)雜的物理過程經(jīng)過分解、簡化、抽象為簡單的、易于理解的物理過程。過程模型的建立,不但可以使問題得到簡化,還可以加深學(xué)生對有關(guān)概念、規(guī)律的理解,有利于培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性。

2.4 轉(zhuǎn)換物理模型,深入理解模型通過對理想化模型的研究,可以完全避開各種因素的干擾,在思維中直接與研究對象的本質(zhì)接觸,能既快又準(zhǔn)確地了解事物的性質(zhì)和規(guī)律。例如建立起“單擺”這一理想化模型后,理解單擺的周期公式,可以解決類似于單擺的一系列問題:在豎直的光滑圓弧軌道內(nèi)作小幅度滾動的小球的周期問題;在豎直的加速系統(tǒng)內(nèi)擺動的小球的周期問題;在光滑斜面上擺動的小球的周期問題。

3 物理模型教學(xué)的一般過程

以高中物理“單擺”一節(jié)的教學(xué)為例,予以說明。

3.1 組織典型的演示實驗,初步建立單擺模型單擺就一理想化模型,在實際生活中,擺球的質(zhì)量遠(yuǎn)大于擺線的質(zhì)量,擺線的形變很小可以忽略,擺線的長度遠(yuǎn)大于擺球的直徑,就可視為單擺。單擺在擺角小于5°時其振動周期與擺球的質(zhì)量無關(guān),與擺球大小無關(guān)。這一組演示實驗可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,形成對單擺這一理想化模型的初步認(rèn)識。

3.2 進(jìn)行理論分析,深入理解模型單擺振動的等時性,對單擺的擺線、擺角的要求是一種表現(xiàn)特征,這可以通過上面的演示實驗觀察到。然而,要理解單擺運動的內(nèi)在機理就非通過細(xì)致的理論分析不可。理論分析指出,擺球振動的回復(fù)力是擺球重力沿圓弧的切向分力,擺角很小時,F=-kx;其中k=mg/l,擺球作簡諧振動。由此得出單擺振動周期公式。這一分析過程,可由教師指導(dǎo)學(xué)生自己完成。單擺的內(nèi)外特征是統(tǒng)一的,對擺線、擺角的要求是滿足單擺模型的內(nèi)部特征的外部條件。

3.3 運用模型解決問題運用模型解決問題,是深入理解、鞏固模型的需要,也是學(xué)習(xí)物理模型的目的。課堂上運用模型解決問題的方式往往是做練習(xí)題,包括選擇題、判斷題、問答題、計算題以及觀察實驗題等。

4 使用模型應(yīng)注意的問題

首先,建立物理模型,可使問題的處理大為簡化而又不會發(fā)生大的偏差?，F(xiàn)實世界中,有許多事物與這種“理想模型”十分接近,在一定場合、一定條件下可以把實際事物當(dāng)作“理想模型”來處理,但也要具體問題具體分析。其次,物理模型是在不斷完善發(fā)展的。隨著社會的不斷進(jìn)步,人類對事物的本質(zhì)的認(rèn)識也是不斷深入和提高的,物理模型也相應(yīng)地由初級向高級發(fā)展并不斷完善。

綜上所述,“模型”的教學(xué)與應(yīng)用貫穿整個物理教學(xué)的始終,教師在教學(xué)中應(yīng)充分給予重視,通過教讓學(xué)生更能理解、消化、掌握新知識。物理模型是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的很好素材,充分科學(xué)地用足用活物理模型,給學(xué)生營造一個寬松的充分體現(xiàn)以“學(xué)生為主”的課堂環(huán)境,以達(dá)到“教是為了不教”的目的,培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的綜合實踐能力,使他們成為21世紀(jì)所需要的復(fù)合型人才。

(作者單位:銀川育才中學(xué))