中學(xué)物理教學(xué)中理想化方法研究

張錦科 韓俊剛 張根英

(張家川縣第二中學(xué) 甘肅 天水 741506)(張家川縣阿陽中學(xué) 甘肅 天水 741500)(張家川縣張川鎮(zhèn)中學(xué) 甘肅 天水 741500)

物理學(xué)的研究對(duì)象包羅萬象，大到宇宙天體，小到基本粒子，無奇不有，無所不在．面對(duì)復(fù)雜的事物，要通過研究揭示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，科學(xué)家創(chuàng)建了許多科學(xué)方法，其中理想化方法是最基本也是極為重要的一種科學(xué)方法.可以說，沒有理想化方法也就不可能有今天的物理學(xué)體系，因此，理想化方法的掌握對(duì)于學(xué)習(xí)物理者是非常重要的．那么，如何通過有效教學(xué)，才能使學(xué)生逐步接受和掌握這種方法，才能使學(xué)生站在較高的角度看待和應(yīng)用理想化方法？

本文結(jié)合課題研究過程中的一些做法，談一談在教學(xué)實(shí)踐中的一些總結(jié)和感悟，供各位同仁參考．

1 充分顯化稀釋 在物理概念建立過程中引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟理想化方法

理想化方法，就是借助于抽象概括虛構(gòu)出一些與問題相關(guān)的方面同現(xiàn)實(shí)物體相合，但又不是現(xiàn)實(shí)物體的其他各種復(fù)雜性的理想物體，并以它們來近似代替現(xiàn)實(shí)物體進(jìn)行研究的科學(xué)方法．說白了，理想化方法就是一種簡單化、粗糙化和近似化的方法．用理想化的模型代替實(shí)際事物，雖然失去了真實(shí)，但它卻更反映了事物的本質(zhì)，它使我們近似地在理想化條件下較為方便地研究客觀世界，獲得物理規(guī)律．

中學(xué)物理中，無論是作為研究對(duì)象的物體、物體所處的外部條件、物體運(yùn)動(dòng)的過程，還是定量描述或理想實(shí)驗(yàn)，都是以某種理想化的形態(tài)出現(xiàn)(表1).理想化方法是物理學(xué)研究中最普遍、最重要的科學(xué)方法．

概念教學(xué)中如何開展科學(xué)方法教育呢？我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中總結(jié)得出，一是要充分顯化物理科學(xué)方法，使學(xué)生在有意識(shí)的狀態(tài)下進(jìn)行學(xué)習(xí)；二是要多舉通俗化的事例，稀釋和降低理解難度．當(dāng)概念教學(xué)中出現(xiàn)理想化方法時(shí)，教師要明確告訴學(xué)生，它是哪一種理想化模型，這種理想化模型，保留了哪些屬性，忽略了哪些屬性，在什么條件下可以看成理想化模型．同時(shí)可以進(jìn)一步告訴學(xué)生，物理學(xué)研究的自然世界極其復(fù)雜，但對(duì)于特定問題，影響事物的諸多特性中，有的屬于本質(zhì)特性，有的屬于非本質(zhì)特性，有的屬于主要因素，有的屬于次要或偶然因素，為了方便研究，我們忽略或舍棄一些非本質(zhì)特性或次要因素，用簡化的模型近似代替真實(shí)的客觀事物．科學(xué)是否允許有這樣的“漏洞”？實(shí)際上，在許多情況下，通過理想化處理而獲得的結(jié)果，可以很好地近似代替實(shí)際事物，而不會(huì)出現(xiàn)多大偏差，這是經(jīng)過人們實(shí)踐檢驗(yàn)了的．

表1 中學(xué)物理理想化方法列舉

這種顯性傳授理想化方法的過程，使學(xué)生處于有意識(shí)的學(xué)習(xí)狀態(tài)中，必能引起學(xué)生的注意和重視．相反，理想化方法的教育若含而不露、點(diǎn)而不透，勢必造成學(xué)生學(xué)習(xí)中的困難．

例如“自由落體運(yùn)動(dòng)概念”，它是一種理想化的模型．當(dāng)一個(gè)物體由靜止開始下落，影響物體運(yùn)動(dòng)的力有地球引力和空氣阻力，而且地球引力隨著物體的高度變小而增大，空氣阻力隨下落速度的增大也增大，它們都不是恒力，物體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)因素十分復(fù)雜，我們很難對(duì)它進(jìn)行研究．但短距離的下落引力變化很小，我們可以忽略不計(jì)；同理，空氣阻力相對(duì)物體重力也很小，我們也可以忽略不計(jì)．這樣，物體由靜止下落的運(yùn)動(dòng)就理想化為“自由落體運(yùn)動(dòng)”了．教師還有必要讓學(xué)生明確它的實(shí)際意義：實(shí)踐證明，理想化了的“自由落體運(yùn)動(dòng)”非常接近實(shí)際當(dāng)中的落體運(yùn)動(dòng)．

理想化方法是科學(xué)抽象的結(jié)果，它本質(zhì)上也屬于抽象的概念．不僅本身抽象，而且體系龐大，每一種方法不盡相同，因此每一種新的科學(xué)方法伴隨著物理概念的出現(xiàn)，都會(huì)對(duì)學(xué)生造成認(rèn)知挑戰(zhàn)．為了幫助學(xué)生形象化、具體化地理解理想化方法，教師可以舉一些通俗化、生活化的事例，這些事例或許不是很“科學(xué)”，但它確實(shí)能起到稀釋、化解難度的作用．例如，我們吃完一個(gè)饅頭后，不可避免漏掉幾粒饅頭粒，我們肯定不會(huì)糾纏幾粒饅頭粒而說沒吃全一個(gè)饅頭；我們向缸內(nèi)倒進(jìn)一桶水，不可避免的有幾滴水滴濺到了外面，還有一些水沾在桶壁上，我們也不會(huì)計(jì)較這些而說向缸內(nèi)沒有倒夠一桶水．又如，在建立數(shù)值關(guān)系時(shí)，99可以近似等于100，甚或在要求不太高的情況下，95也可以近似等于100．研究問題時(shí)，忽略或不計(jì)像饅頭粒這些“細(xì)枝末節(jié)”，這種方法就是理想化方法．

2 堅(jiān)持啟發(fā)探究 在物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程中幫助學(xué)生探尋理想化方法

物理規(guī)律都是反映在理想化狀態(tài)下，物理過程中各物理量之間的變化規(guī)律．正因?yàn)槭抢硐霠顟B(tài)下得出的結(jié)論，因此物理規(guī)律必然是有成立條件或適用范圍的．實(shí)際當(dāng)中，一些學(xué)生在學(xué)習(xí)中往往只關(guān)注物理規(guī)律的最終結(jié)果，忽視規(guī)律的建立過程，反映在他們解決問題時(shí)，表現(xiàn)為似是而非、亂套公式的現(xiàn)象．這就是人們常說的“知其然不知其所以然”．

宋朝詩人陸游在《冬夜讀書示子聿》中有兩句絕世名言：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”.大意是,學(xué)問只是從書本上獲得終究感到膚淺，必須身體力行，親自實(shí)踐，才能顯出真知.學(xué)生學(xué)習(xí)的過程何嘗不是如此．學(xué)生只有親自參與探究物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程和建立過程，才能深刻領(lǐng)會(huì)物理規(guī)律的“來龍去脈”，才能清楚物理規(guī)律成立的理想化條件．教學(xué)中，我們應(yīng)該清楚學(xué)生才是學(xué)習(xí)的主體，我們只需搭好“腳手架”，啟發(fā)助推學(xué)生完成探究任務(wù)，促成知識(shí)生成，學(xué)生的學(xué)習(xí)才能富有成效．

例如,在“機(jī)械能守恒定律”的教學(xué)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了3個(gè)遞進(jìn)方案讓學(xué)生進(jìn)行探究,如表2所示.

表2 3個(gè)探究方案

上述3個(gè)探究環(huán)節(jié)，層層遞進(jìn)，在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下，學(xué)生主動(dòng)探究，有效地促進(jìn)了知識(shí)的自主構(gòu)建，突出了機(jī)械能守恒定律的適用條件，目的就是要學(xué)生明確機(jī)械能守恒定律的適用條件(只有重力做功)是在理想狀態(tài)下得出的，不具有實(shí)用性.實(shí)際當(dāng)中的一些運(yùn)動(dòng)過程，如自由落體運(yùn)動(dòng)、各種拋體運(yùn)動(dòng)等，空氣阻力參與了做功，嚴(yán)格講機(jī)械能不守恒，但事實(shí)上在這些運(yùn)動(dòng)過程中阻力做功相對(duì)很小，因此可以不計(jì)，也就是說，這些運(yùn)動(dòng)過程通?？梢越闄C(jī)械能守恒的理想化模型．如果阻力做功影響較大，就不能錯(cuò)誤地也建立為機(jī)械能守恒的理想化模型．

3 倡導(dǎo)體驗(yàn)參與 在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中指導(dǎo)學(xué)生明確理想化方法

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)．脫離了實(shí)驗(yàn)的物理教學(xué)將演化為空洞說教，那將不是真正意義上的物理學(xué)習(xí)活動(dòng)．常規(guī)地演示實(shí)驗(yàn)或應(yīng)試式地講實(shí)驗(yàn)，學(xué)生并沒有理解實(shí)驗(yàn)中包含的原理、步驟、注意事項(xiàng)以及科學(xué)方法，教師重復(fù)了一遍又一遍，學(xué)生最終還是遺忘了，教學(xué)總是達(dá)不到令人滿意的效果．常言道“眼里過千遍，不如手里過一遍”，這是我們倡導(dǎo)學(xué)生盡可能參與實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手操作的理論依據(jù)．因此物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要積極創(chuàng)造條件，提供機(jī)會(huì)，盡可能全面地讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作、數(shù)據(jù)采集和分析處理過程中，通過直觀觀察和操作，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中操作的要領(lǐng)細(xì)節(jié)，體會(huì)實(shí)驗(yàn)中隱含的科學(xué)方法．

實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)藏的理想化方法，由于其隱蔽性可能不易被學(xué)生發(fā)現(xiàn)，教師應(yīng)予以適時(shí)指導(dǎo)，并且要求學(xué)生重新體會(huì)考量實(shí)驗(yàn)中包含的物理科學(xué)方法，直到完全明確．學(xué)生只有親歷實(shí)驗(yàn)過程，才能對(duì)知識(shí)、技能，尤其是我們這里討論的物理科學(xué)方法理解透徹，印象深刻．

4 鼓勵(lì)實(shí)戰(zhàn)演練 在實(shí)際問題解決過程中促進(jìn)學(xué)生活用理想化方法

理想化方法如果僅僅停留在對(duì)其名稱、涵義等領(lǐng)悟和體會(huì)階段，那么這種方法就還沒有納入學(xué)生的知能結(jié)構(gòu)中.這種低層次的認(rèn)知水平不具備解決問題的能力，要達(dá)到應(yīng)用理想化方法解決問題的水平，就需要學(xué)生做適當(dāng)反復(fù)的訓(xùn)練．也就是說只有通過習(xí)題訓(xùn)練，學(xué)生才有可能達(dá)到掌握應(yīng)用理想化方法的層次．解決物理問題的過程，最難的就是將習(xí)題隱含的物理模型還原出來，還原物理模型的過程，就是將復(fù)雜物理問題理想化的過程，這一過程能不能實(shí)現(xiàn)，直接決定著問題能否被解決．這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果在平時(shí)未能重視訓(xùn)練從而欠缺、斷鏈，必然導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)物理時(shí)味同嚼蠟、囫圇吞棗、一知半解，通過必要訓(xùn)練，逐步熟悉物體模型還原的一般過程和方法，使關(guān)鍵點(diǎn)暴露并且得到強(qiáng)化，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)理想化方法的靈活應(yīng)用．

【例1】如圖1所示，4個(gè)完全相同的輕質(zhì)彈簧都處在水平位置，它們的右端受到大小皆為F的拉力作用，而左端的情況各不相同.

圖1(a)中彈簧的左端固定在墻上，圖1(b)中彈簧的左端受大小也為F的拉力作用，(c)中彈簧的左端拴一小物塊，物體在光滑的桌面上滑動(dòng)，(d)中彈簧的左端拴一小物塊，物體在粗糙的桌面滑動(dòng)．以x1,x2,x3,x4依次表示4個(gè)彈簧的伸長量，則有

A．x2>x1B．x4>x3

C．x1>x3D．x2=x4

圖1

分析：本題的關(guān)鍵是對(duì)“輕質(zhì)彈簧”的理解．輕質(zhì)彈簧是一種理想化模型，即不計(jì)質(zhì)量，因此圖1(c)、(d)中彈簧左端對(duì)彈簧的力也為F，故4種情況下，彈簧伸長量均相同，選項(xiàng)D正確．學(xué)生如果不能挖掘出題中隱含的理想化條件，必然陷入復(fù)雜并且錯(cuò)誤的思路中去．

【例2】如圖2所示，水平地面上靜止放置著物塊B和C，相距l(xiāng)=1.0 m.物塊A以速度v0=10 m/s沿水平方向與B正碰.碰撞后A和B牢固地粘在一起向右運(yùn)動(dòng)，并再與C發(fā)生碰撞.已知A和B的質(zhì)量均為m，物塊與地面的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.45，試計(jì)算與C碰撞前瞬間A,B的速度.(設(shè)碰撞時(shí)間很短，g取10 m/s2)

圖2

分析：設(shè)A,B碰后速度為v1，由于碰撞時(shí)間很短，A,B相碰的過程動(dòng)量守恒得

mv0=2mv1

(1)

在A,B向C運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)與C碰撞前速度為v2，在此過程中由動(dòng)能定理，有

(2)

聯(lián)立式(1)、(2)解得A,B與C碰撞前的速度為

代入數(shù)據(jù)得

v2=4 m/s

動(dòng)量守恒定律和其他規(guī)律一樣是將實(shí)際問題抽象為理想化模型建立起來的．只要影響問題的因素是次要的、非本質(zhì)的，就要合理地做出近似．本題中因?yàn)榕鲎矔r(shí)間極短，內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力，因此外力的影響可忽略不計(jì)，故認(rèn)為動(dòng)量守恒．學(xué)生如果不明確這一點(diǎn)，就不能建立成理想化的碰撞模型，問題就得不到解決．

【例3】距河岸(看成直線)d=500 m處有一艘靜止的船，船上探照燈以轉(zhuǎn)速n=1 r·min-1轉(zhuǎn)動(dòng)．當(dāng)光束與岸邊成θ=60°角時(shí)，光束沿岸邊移動(dòng)的速率為

A．52.3 m·s-1

B．69.8 m·s-1

C．3.14×103m·s-1

D．4.18×103m·s-1

故

代入數(shù)據(jù)得

v=69.8 m·s-1

因此選項(xiàng)B正確．

圖3

微元法是解決物理問題時(shí)常用的數(shù)學(xué)方法，對(duì)于非理想的物理過程、研究對(duì)象和幾何圖形等利用取微元，看成理想化的過程、對(duì)象和圖形等，再結(jié)合相應(yīng)的物理規(guī)律建立公式．

5 結(jié)束語

理想化方法是中學(xué)物理教學(xué)中的重頭戲，量大面寬．一方面，在遇到每一種具體的理想化方法時(shí)，教師對(duì)待基本知識(shí)教學(xué)和方法教學(xué)，防止避輕就重，二者均不可偏廢；另一方面，教師要有全局統(tǒng)籌計(jì)劃，使理想化方法的教學(xué)按學(xué)生的實(shí)際和教材內(nèi)容分散在各個(gè)年級(jí)進(jìn)行．每一種具體到某一知識(shí)點(diǎn)的理想化方法，在起始教學(xué)階段，內(nèi)容力求少而精，講解通俗易懂，多舉具體事例，在以后的教學(xué)中每次遇到再反復(fù)講，逐步深化．

參考文獻(xiàn)

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