從原始物理問題中構(gòu)建出物理模型的教學(xué)研究

張青霞

摘 要：本文首先介紹了原始物理問題的概念，并把原始問題和抽象問題的概念作了對比，目的在于加深學(xué)生對原始物理問題的理解。其次闡述了原始物理問題的特點(diǎn)。最后重點(diǎn)介紹依據(jù)原始問題建立物理模型的過程與方法。

關(guān)鍵詞：原始物理問題； 抽象問題；物理模型。

物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)間相互作用及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，它來自于人們對大自然規(guī)律的認(rèn)識和理解，同時(shí)又指導(dǎo)人們運(yùn)用物理規(guī)律進(jìn)一步理解自然，并試圖改變自然，造福人類。但在應(yīng)試教育這個(gè)指揮棒下，大部分中學(xué)物理教師為對付考試往往用習(xí)題來訓(xùn)練學(xué)生，這樣做雖然學(xué)生解題技巧熟練了，但對事物的本質(zhì)、科學(xué)的方法卻知之甚少，這是造成部分學(xué)生高分低能的重要原因之一。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式抹殺了學(xué)生的創(chuàng)造性，導(dǎo)致建國六十多年來，還沒有出現(xiàn)過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是我們從事物理教育工作者最大的遺憾，教育改革刻不容緩。

我國的基礎(chǔ)教育課程改革明確將 STS（science 科學(xué)、technology 技術(shù)、 society 社會(huì)） 教育作為重要的理念。STS 教育強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)人們對科學(xué)的理解，強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，強(qiáng)調(diào)參與、重視技術(shù)教育、重視價(jià)值取向 [1 ]。我們必須改變物理課堂教學(xué)過于模式化、抽象化，遠(yuǎn)離現(xiàn)實(shí)生活的現(xiàn)狀，在物理教學(xué)中適當(dāng)引入 STS 教育，將學(xué)生熟悉的原始問題呈現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)他們求知的熱情，進(jìn)而產(chǎn)生思考和解答問題的興趣和欲望 [1 ]。因而，利用原始物理問題培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理模型能力是實(shí)施STS教育的需要，是新課程改革的必然要求 。

一、原始物理問題的概念

原始物理問題是指自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在、能夠反映科學(xué)概念、規(guī)律本質(zhì)且未被加工的典型科學(xué)現(xiàn)象和事實(shí)或者對它們的模擬 [2 ]。其中的加工指的是分析、簡化和抽象。與原始物理問題相對應(yīng)的是抽象問題，抽象問題是把科學(xué)現(xiàn)象和事實(shí)經(jīng)過一定程度抽象后加工出來的物理問題。我們平常教學(xué)中出現(xiàn)的習(xí)題大都是抽象物理問題。原始物理問題和抽象問題兩者間的關(guān)系如圖 1所示 [3 ]：

即原始物理問題需通過分析、簡化、歸納才變成抽象問題。

現(xiàn)舉兩道題目來體會(huì)兩者的區(qū)別：

題目1 為了把陷在泥坑里的小轎車?yán)鰜?，司機(jī)用一條結(jié)實(shí)的繩子把小轎車拴在一棵大樹上，開始時(shí)車與樹相距10m，然后在繩的中點(diǎn)用300N的力F，沿與繩垂直的方向拉繩，中點(diǎn)被勻速拉過50cm。假設(shè)繩子的伸長量可以不計(jì)，求小轎車受到的拉力的大小。

題目2 當(dāng)小轎車陷于淤泥中時(shí)，司機(jī)只有一條很長的結(jié)實(shí)繩子，利用所學(xué)力學(xué)原理，想想怎樣才能便捷地從泥坑中拉出小轎車。

這兩個(gè)題目的物理?xiàng)l件和表達(dá)方式不同，但其所用的物理知識、遵循的物理規(guī)律是完全相同的，都可以用力的分解來解決。但題目 1 是應(yīng)試教育的一種形式，是個(gè)抽象問題，它強(qiáng)調(diào)的是物理知識的掌握；題目 2 則是來源于現(xiàn)實(shí)生活，讓學(xué)生用書本上的物理知識去解決生活中的原汁原味的物理問題。兩個(gè)問題的出發(fā)點(diǎn)不同，對學(xué)生的教育功能就不同了。

二、原始物理問題的特點(diǎn)

通過以上兩個(gè)例子可以發(fā)現(xiàn)，原始問題的表述形式是對科學(xué)現(xiàn)象的描述，采用文字?jǐn)⑹龅姆绞匠尸F(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象，與習(xí)題顯著不同的是：它沒有習(xí)題中常常給定的已知量和未知量，沒有習(xí)題強(qiáng)調(diào)的前提和條件，而是真實(shí)的物理情境，解題所需的條件要由學(xué)生自己去設(shè)置 [4 ]。所以原始問題與抽象問題相比較，具有以下特點(diǎn)：

1. 對學(xué)生來說沒有固定的模式，不能靠簡單的模仿來解決；

2. 它可以是一種情境，其中隱含的物理問題需要學(xué)生自己提出求解并做出解釋；

3. 具有趣味性和魅力，能引起學(xué)生的思考并對學(xué)生的智力提出挑戰(zhàn)；

4. 答案不唯一，不同水平的學(xué)生想到的答案不一樣。

綜上所述，原始物理問題具有客觀真實(shí)性、隱蔽性、趣味性、遷移性和開放性等特點(diǎn)。當(dāng)學(xué)生面對原始物理問題時(shí)，由于原始物理問題只暴露了物理現(xiàn)象的某些特征，不給具體的已知量和未知量，無法直接用定理、定律推導(dǎo)計(jì)算，學(xué)生完全處于一個(gè)開放的環(huán)境中，他的邏輯思維已難以奏效，而起作用的是非邏輯思維，學(xué)生只能依據(jù)客觀事實(shí)和已掌握的理論知識展開想象，他們會(huì)沿著不同的思維路徑、不同的思維角度、不同的層面和不同的關(guān)系出發(fā)來思考，從而根據(jù)所觀察的現(xiàn)象提出不同的問題，讓學(xué)生的發(fā)散思維和想象等非邏輯思維發(fā)揮到極致 [5 ] 。

三、依據(jù)原始問題建立物理模型的過程與方法

對原始物理問題的解決辦法一般分三步驟進(jìn)行：首先是分析問題，確定研究對象，建立適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?；其次是根?jù)已知條件，利用物理知識，把物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算；最后把計(jì)算結(jié)果反饋到原始物理問題進(jìn)行驗(yàn)證，從而確定最后答案。而在平常教學(xué)中，教師都是直接設(shè)置物理模型，再完成后兩步就解決問題了。采用這種教學(xué)方式的后果是：學(xué)生若碰到原始物理問題就不知所措，無法獨(dú)立完成物理模型的建立，更別提能應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題了。因此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)把培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)原始物理問題建立物理模型能力作為重要的教學(xué)任務(wù)。

培養(yǎng)學(xué)生從原始物理問題中建立物理模型，可從以下兩方面進(jìn)行操作：首先，引導(dǎo)學(xué)生對原始物理問題進(jìn)行分析，抓住問題的主要因素，忽略次要因素，這里的次要因素是指對所研究的問題影響不大的因素。比如研究地球公轉(zhuǎn)時(shí)，地球本身的自轉(zhuǎn)對地球公轉(zhuǎn)影響很小，所以地球的自轉(zhuǎn)就是次要因素，可忽略。

其次，在引導(dǎo)學(xué)生分析原始物理問題的基礎(chǔ)上，采用類比、假設(shè)、等效替代、理想化等方法，找到已有物理模型與原始物理問題的關(guān)系，并建立相應(yīng)的物理模型。比如：討論降落傘的下落運(yùn)動(dòng)，剛下落時(shí)，可理想化為初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)；降落傘下落一段時(shí)間后，可理想化為勻速直線運(yùn)動(dòng)。以下舉例說明從原始物理問題中建立物理模型時(shí)常用的幾種方法。

（一） 類比法

物理上的類比法是指一類過程或物理現(xiàn)象具有的某種屬性，可以推測與其類似的過程或物理現(xiàn)象也具有這種屬性的推理方法。

例1 一宇航員站在某質(zhì)量分布均勻的星球表面上，能否利用手中的小球、秒表和刻度尺測出該星球表面的重力加速度？

解析 讓小球自由下落，在星球上小球的自由下落可類比為地球上小球的自由下落，并抽象出自由落體運(yùn)動(dòng)這個(gè)物理模型。用刻度尺測量小球下落的高度，用秒表測量小球下落的時(shí)間，利用地球上自由落體運(yùn)動(dòng)的公式，很容易得出本題的答案。在這里就采用了類比的方法來建立自由落體運(yùn)動(dòng)的物理模型。

（二）假設(shè)法

假設(shè)法是對于待求解的問題，在不違背原題所給條件的基礎(chǔ)上，人為的加上或減去某些條件，以方便原題求解。求解物理試題常用的有假設(shè)物理模型，假設(shè)物理過程，假設(shè)物理量等，利用假設(shè)法處理某些物理問題，可以突破思維障礙，找出新的解題思路，化難為易，化繁為簡。

例2 一梯子斜靠在豎直光滑墻面上，求阻止梯子滑動(dòng)的摩擦力大??？

解析 以梯子為研究對象，受力如圖2所示，由于N1、N2和f均未知，通常根據(jù)共點(diǎn)力和力矩平衡條件列方程求解f，但求解過程比較繁瑣，若擴(kuò)大視野，聚焦N1和N2的交點(diǎn)O，并將交點(diǎn)0假設(shè)為梯子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，那么未知力N1、N2因其作用線通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸而力矩為零，于是根據(jù)力矩平衡條件，設(shè)梯子的長度為L，傾角為α，有fLsinα=■mgLcosα，所以f=■mgcotα。由此可見，這是一道物理模型的假設(shè)題。

（三）等效替代法

等效替代法是在保證某種效果（特性和關(guān)系）相同的前提下，將實(shí)際的、復(fù)雜的物理問題和物理過程轉(zhuǎn)化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程的方法。

例3 有什么方法可以測量籃球下落時(shí)對地的壓力？

解析 可準(zhǔn)備臺秤一臺，籃球一個(gè)，紅墨水一瓶，白紙一張，然后在地面上鋪張白紙，讓表面蘸上紅墨水的籃球自由下落，這下白紙就印有籃球的印記，再把印有籃球印記的那面朝下放在臺秤上，對著印記中心放上該籃球，并按壓籃球，使籃球新留下的印記與原來印記重疊時(shí)，記下臺秤的讀數(shù)，該讀數(shù)乘上g，就是籃球下落時(shí)對地的壓力。這里利用按壓籃球的形變與籃球下落的形變一致這個(gè)等效方法來求解籃球下落時(shí)對地的壓力。因?yàn)榛@球相同的形變所受彈力是一樣的。

（四）理想化法

理想化法是指當(dāng)我們在研究問題時(shí)，經(jīng)常會(huì)抓住問題的主要因素，忽略問題的次要因素，就成為我們研究問題時(shí)常用的一種思維方法。比如理想變壓器就用到了理想化這個(gè)思維方法，它抓住了原、副線圈中電流產(chǎn)生的磁場絕大部分通過鐵芯這個(gè)主要因素，忽略了原、副線圈中電流產(chǎn)生的磁場也有一些“漏”到鐵芯外，變壓器繞線有電阻要消耗能量、以及變壓器的鐵芯因渦流而消耗能量這些次要因素。

基于原始物理問題的概念和特點(diǎn)，以及依據(jù)原始問題建立物理模型的過程與方法的分析，發(fā)現(xiàn)：學(xué)生的建模思想和建模能力在解決原始物理問題的同時(shí)得到了提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳報(bào)南.中學(xué)物理與 STS 教育[M].北京：人民教育出版社，2005.

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[3]廖建平. 基于原始問題解決的高中物理模型教學(xué)[D]. 江西：江西師范大學(xué)，2008.

[4]王少靜.運(yùn)用原始物理問題提高學(xué)生建立物理模型能力的研究[D].河北：河北師范大學(xué)，2010.

[5]魏小亮. 高中生原始物理問題解決能力的培養(yǎng)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2011.