物理建模在物理教學中的作用

肖 思,邢若晨

(1.中南大學 物理與電子學院,長沙 410083;2.中南大學 先進材料超微結(jié)構和超快過程研究所,長沙 410083)

1 提高物理教學的實用性和趣味性勢在必行

物理這門學科,從初中開始接觸,高中繼續(xù)學習并作為高考考試科目受到重視[1].即使進入了高等學府,高校物理作為一門基礎課程,也成為了大多數(shù)專業(yè)的必修課.初步估計,截止到2012年底,全國每年需要接受物理教學的普通高校學生多達一千五百萬人.因此,必須要重視高校物理的教學工作和實際效果[2].

因為在進入高校之前,學生已經(jīng)進行了五到六年的物理學習,一般性的物理知識已經(jīng)具備,對基于高等數(shù)學基礎上的高等物理學習普遍提不起興趣.根據(jù)筆者的第一手調(diào)查結(jié)果顯示,某大學電信專業(yè) 2013年下半學期《普通物理》的到課率在51%到80%之間;2013年上半學期《普通物理》的及格率僅在75%左右,排名為諸多公共基礎課之尾[2].學生對物理學習缺乏興趣以至于教學質(zhì)量不高,已成為了高校物理教學的普遍問題.

針對學生的匿名調(diào)查顯示,學生對物理學習缺乏興趣的原因主要有三:一是基本物理概念已經(jīng)在初中、高中學過,感覺高校物理只是在難度上有所增加,沒有新意;二是感覺物理學好后,沒有實際運用價值;三是物理課后習題和考試只是眾多公式的套用,只需要臨時死記硬背就可及格,無需認真學習(這種想法很明顯是錯誤的,只有75%的及格率已經(jīng)證明了這一點).

針對學生的態(tài)度,高校的物理教學確實需要改進,提高物理教學的實用性和趣味性勢在必行.

2 物理教學改革的重點在于改變成規(guī)

高校物理教學改革的突破口應在物理習題的選擇上.因為教學方式因人而異,并無規(guī)定套路,也無法做到對授課老師的全面培訓,一時難以突破.而高校物理教材已經(jīng)有各種完善的高校專用版本,不可能做到一刀切,修改難度太大.因此,最有可能的突破是在課后習題上.

每個任課老師都能自主布置課后習題,無需嚴格按照物理教材進行,擁有極大的自主性,不會遇到任何改革障礙;課后習題無需正式編著成書,老師可以選擇用電子版發(fā)給學生完成,學生也可使用電子版或紙版形式完成,花費最小,沒有任何經(jīng)費問題.

但物理習題的改革應該遵循以下原則:物理習題應該有新意,突出高等院校大學物理與初高中物理的不同;物理習題應能激發(fā)學生的興趣,讓其愿意主動完成,而不是被動完成;物理習題應能對學生走向社會后的工作有所裨益,讓其愿意精益求精地完成,而不是敷衍了事;物理習題成績能作為綜合成績的有益補充,答案能夠體現(xiàn)靈活性和公平性,杜絕抄襲等惡劣現(xiàn)象.

綜上所述特點,物理建模習題可作為物理課后習題的重要改革目標.

3 物理建模應用的具體實例和優(yōu)勢分析

類似于已經(jīng)成熟的數(shù)學建模,物理建模就是用物理知識來解決實際問題.物理建模習題和普通物理習題不同的是,它只給出了一個問題,不提供解決問題必須的任何條件和提示.學生需要將這個問題進行抽象化,建立物理模型,并自主搜尋解決問題需要的條件,并要求在計算過程中做出近似才能得到最終結(jié)果,而且要求學生進一步分析其意義所在[3].

筆者已經(jīng)多次在執(zhí)教的物理課上布置物理建模習題,收到了良好的反應.以下就是筆者在上完電磁學后布置的相關物理建模習題:“需要給月球充上多少正(負)靜電荷,才能抵消地球的南北極磁場？”可以看到,這道習題和通常的課后習題不同,只給出了一個問題,沒有任何計算條件和具體數(shù)值.因此也無需授課老師進行事先準備,沒有任何額外的精力或經(jīng)費花費.

但這道題能對學生的能力進行充足的鍛煉和考察.首先,這個問題鍛煉了學生將具體問題抽象化,建立物理模型的能力,有助于其以后在工作中的實際問題處理.解決思路如下:月球繞著地球旋轉(zhuǎn),軌道為橢圓.如果月球帶上靜電荷,等效于帶電離子做近似圓周運動,會產(chǎn)生相應的磁場.這個問題實際上考察的是做橢圓運動的粒子需要帶多少靜電荷,才能對橢圓軌道的某個焦點產(chǎn)生特定的磁場強度.具體問題抽象化,也就是建模練習,是高校物理和初高中物理的一個重要不同.學生面對的不是設計好的抽象問題,而是需要自行將具體問題化為抽象問題,是一種嶄新的挑戰(zhàn),能夠給予學生新鮮感,激發(fā)學習興趣.

其次,如果要解決這個問題,還需要很多參考條件:如地球南北極磁場的強度,月球和地球的質(zhì)心距離,月球移動的速度等.這些數(shù)據(jù)全部可以在網(wǎng)上或相關資料上檢索得知,因此可以鍛煉學生搜索資料,調(diào)研文獻的能力,而且提供了一個進行擴展知識學習的機會.這也是高校學生和初高中學生的一個重要不同:高校學生需要自主學習和自主知識擴展.

當參數(shù)收集齊后,可以利用剛學的安培定律進行解答.這是高校物理中才講授的定律,有助于提高學生的新鮮感,也對課堂上學到的知識進行了鞏固加深.解答過程中,學生還可以鍛煉出另一種工作或研究常用的能力——如何近似.用安培法則解答,需要將帶電粒子運行軌道為圓形.但實際月球軌道是橢圓,地月距離不斷變化,采用何等標準選擇合適的半徑進行計算？月球繞地球旋轉(zhuǎn)的平面不同于大部分行星的天然衛(wèi)星,是接近黃道平面,而非地球的赤道平面.這個問題如何取舍？地球的地磁場并不和地理南北極重合,磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸大約成 11.3°的傾斜,這個事實對實際解答又有什么影響？學生需要對眾多實際問題近似簡化,進行取舍后才能得到自己的結(jié)果,充分體現(xiàn)了自主性.一方面,極大的自主性能激發(fā)學生的研究興趣;另一方面,自主性又能讓不同能力程度的學生選擇不同的難度——知識掌握程度低的學生可以選擇比較容易的強近似;知識掌握程度高的學生可以選擇更加復雜的弱近似條件進行解答.通過這種方式,非常容易就能達到習題難易程度的區(qū)分對待,有很好的靈活性.另外,不同近似導致的最終結(jié)果的偏差,也可以讓學生了解和掌握近似對誤差范圍的影響.

當解答出最終答案后,可以讓學生思考其現(xiàn)實意義,并讓感興趣的學生進行擴展研究.如提問“所需的電荷相當于多少7號電池容量？如何將這些靜電荷轉(zhuǎn)移到月球上？所需最小做功多少？”如此一來,就可以進行滾動式的研究討論,形成一個長效的機制.

另外,針對物理學某一特定學科領域,設定物理建模習題也非常容易.如筆者在學生中頗受好評的物理建模習題還有“月球上為什么沒有大氣層”.這道題適合剛學完熱力學的學生進行,需要考慮月球的第一宇宙速度和不同溫度下的空氣分子熱運動速度.后續(xù)的擴展問題可以為“如何讓月球保持大氣層”或“如何將空氣有效率地轉(zhuǎn)移到月球上”.老師可以針對學生的學習內(nèi)容自主設定和提出,無需花費大量精力.

在物理建模習題推廣中,筆者嘗試兩到三人合作進行一個建模習題的研究,這種做法能有效地提高解答效率,并培養(yǎng)重要的分工協(xié)作能力.所得到的結(jié)果,在各個小組之間進行橫向?qū)Ρ?這樣提供了學生進行互相交流的機會.此外,因為解答中需要用到大量的近似,所以不可能存在一模一樣的答案,杜絕了抄襲和作弊,從而兼顧了靈活性和公平性.

綜上所述,物理建模習題具有新意,突出了高等院校物理與初高中物理的不同;能激發(fā)學生興趣和主動性;鍛煉的能力對學生今后的工作有所裨益;并兼顧了靈活性和公平性;改革花費小,可作為物理教學的重要改革目標.

4 物理建模習題需要注意事項

物理建模習題具有諸多優(yōu)勢,但布置和實行時仍有需要注意的事項:

其一,必須注重時效性.2010年中國青年出版社出版的《趣味物理學問答》[4],作者為俄羅斯著名科普作家別萊利曼.此書能幫助測驗出善于思考的讀者實際掌握物理基礎知識的程度,其中很多問題都可以直接用于物理建模練習.但要注意的是,此書原文出版于 1916年,書中部分問題已經(jīng)有了最新的科研成果.因此,物理建模練習的參考書一定要注意時效性,盡量采用最新出版的書籍(外文翻譯書要注意原文第一版日期).

其二,物理建模問題解答一定要數(shù)據(jù)化.如下例問題:“下雪后世界很安靜是為什么？”盡管答案是因為剛下的雪很蓬松,表面的微孔能吸收聲音,具有一定的物理意義.但因為無法進行數(shù)據(jù)計劃,而不能讓學生得到很好的鍛煉.

其三,物理建模問題一定要建立在高等院校物理知識上,避免用初高中知識就能解答的情況.

其四,物理建模習題更加適合高等院校學生:因為他們有一定的知識基礎,能進行抽象思維;有一定的空閑時間,能上網(wǎng)查詢資料和數(shù)據(jù);需要面對參加工作的壓力,有動力鍛煉自己的能力;能夠互相討論,有一定的寫作能力.

總之,高等學校的物理是一門涉及范圍廣泛的重要課程,急需增加其實用性和趣味性來提高教學質(zhì)量,讓學生滿意.在教學中增加物理建模練習并在成績中體現(xiàn),改革阻力小,花費成本小,改革效果顯著,能有效鍛煉學生的具體事物抽象化、信息收集和數(shù)據(jù)近似處理等能力,有助于提高學生的協(xié)作能力和學習興趣,值得推廣.但要注意建模練習題的時效性、數(shù)據(jù)化、知識面范圍和針對對象.

[1] 劉喜斌.中學物理“目標教學”再探——競賽達標教學法[J].云夢學刊,1993,(03):78～80

[2] 周友文.談物理課堂教學與學生能力的培養(yǎng)[J].云夢學刊,2008,(S1):141～142

[3] 王佳眉,唐 南,楊德智.論考試成績與本科教學質(zhì)量提高[J].重慶大學學報(社會科學版),2006,(12):134～138

[4] 雅科夫·伊西達洛維奇·別萊利曼.趣味物理學(續(xù)編)[M].谷 羽,趙秋長,譯.武漢:湖北少年兒童出版社,2009