論物理教學(xué)中建模思維的運(yùn)用

◆包偉平

(甘肅省岷縣職業(yè)中學(xué))

論物理教學(xué)中建模思維的運(yùn)用

◆包偉平

(甘肅省岷縣職業(yè)中學(xué))

物理是一門涉及范圍廣，且復(fù)雜難懂的學(xué)科，因此在學(xué)習(xí)過程中建立物理模型是非常必要的。恰當(dāng)?shù)亟⑽锢砟Ｐ?，幫助學(xué)生能夠更加直觀地掌握物理知識(shí)，將抽象變?yōu)榫唧w，加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解。

物理 建模思維 建模意識(shí)

著名的教育家吉爾伯特認(rèn)為，科學(xué)本身是建模的過程，而學(xué)習(xí)科學(xué)是學(xué)習(xí)建模的過程。職業(yè)中學(xué)物理學(xué)習(xí)中，建立物理模型是一種常見的傳授知識(shí)的方式，且主要是透過現(xiàn)象看本質(zhì)，將生活中隱藏的物理知識(shí)通過具體的數(shù)字表述出來，以此來解決一些實(shí)際問題。建模思想對(duì)于物理學(xué)習(xí)起了很大的幫助，因此，在教學(xué)過程中，教師必須培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立建模的意識(shí)，有效地提高物理學(xué)習(xí)效率。

一、概念教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生建模意識(shí)

物理中有許多抽象概念，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、理想氣體等，就是基本的物理模型。模型是對(duì)實(shí)際問題的抽象，每一個(gè)模型的建立都有一定的條件和使用范圍。學(xué)生在學(xué)習(xí)和應(yīng)用模型解決問題時(shí)，要弄清模型的使用條件，要根據(jù)實(shí)際情況加以運(yùn)用。

以質(zhì)點(diǎn)為例：在一些情形下，我們可以忽略物體的形狀和大小，把物體看成一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)，叫做質(zhì)點(diǎn)；它是由實(shí)際物體抽象而成的一個(gè)理想模型，為一些問題的研究帶來了方便；但不是任何情形下的物體都可以忽略其形狀和大小。比如，一列火車，能否看成質(zhì)點(diǎn)，就要根據(jù)情況而定，在研究火車過橋所需時(shí)間時(shí)，火車的長(zhǎng)度相對(duì)于橋長(zhǎng)來說，一般不能忽略，所以不能看成質(zhì)點(diǎn)；在研究火車從北京到上海所需的時(shí)間時(shí)，火車的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于北京到上海的距離，可忽略不記，因此火車就可以看成為質(zhì)點(diǎn)。

在概念的教學(xué)中，就要培養(yǎng)學(xué)生建模的意識(shí)，幫助學(xué)生分析次要因素，然后抓住要表達(dá)的主要因素，進(jìn)行分析，學(xué)習(xí)建立相應(yīng)的物理模型。伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)：如沒有摩擦、理想氣體、分子勢(shì)能不計(jì)等，都是如此。

二、實(shí)驗(yàn)建模，提高學(xué)生實(shí)踐能力

在物理實(shí)驗(yàn)中建模，能夠讓學(xué)生通過具體的實(shí)驗(yàn)操作，了解物理知識(shí)。如自由落體運(yùn)動(dòng)，利用實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親自將小球之類的物體從高處釋放，在不同的高度，計(jì)量小球下落的時(shí)間，讓學(xué)生更加直接的參與到實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，對(duì)物體的物理運(yùn)動(dòng)過程有了更為直觀的了解，同時(shí)也明白物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)該怎么進(jìn)行，進(jìn)而學(xué)會(huì)自己進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，然后建模，這樣能夠加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。現(xiàn)就高一物理《自由落體運(yùn)動(dòng)》通過實(shí)驗(yàn)建模的方式來加深學(xué)生理解：

首先，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生是實(shí)驗(yàn)的主體，教師對(duì)其起到引導(dǎo)作用。首先準(zhǔn)備一角錢和一元錢的硬幣各一枚，讓學(xué)生讓兩個(gè)硬幣從同一高度落地，觀察是否能夠同一時(shí)間落地，得出結(jié)論是一元錢先落地，學(xué)生通常有了初步的猜想；然后再讓學(xué)生準(zhǔn)備兩張同樣的紙，其中一張揉團(tuán)，讓紙片和紙團(tuán)同一高度同時(shí)下落，觀察結(jié)果為紙團(tuán)先落地，學(xué)生可以得出相同重量的物體落地時(shí)間不同的結(jié)論。

其次，教師再為學(xué)生演示牛頓管實(shí)驗(yàn)，通過演示羽毛和金屬片在未抽氣、抽氣到一半、抽完氣這三種空間內(nèi)落地情形，結(jié)果是未抽氣和抽一半氣的玻璃管內(nèi)金屬片先落地，且未抽氣的玻璃管內(nèi)金屬片落地較快。而抽完氣的玻璃管內(nèi)金屬片和羽毛同時(shí)落地。這時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生得出：現(xiàn)實(shí)生活中物體下落的快慢因是受空氣阻力的影響的，而在真空環(huán)境下，所有物體下落速度都是一樣的。然后教師引導(dǎo)學(xué)生思考：“如果不考慮空氣阻力的影響，那所有物體做的是什么運(yùn)動(dòng)？繼而通過教師引導(dǎo)學(xué)生最終引出自由落體運(yùn)動(dòng)的概念模型：只受重力作用，由靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)叫自由落體運(yùn)動(dòng)。

最后，教師通過帶領(lǐng)學(xué)生做打點(diǎn)計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)，通過觀察打點(diǎn)計(jì)時(shí)器將自由落體運(yùn)動(dòng)中所拍攝的頻閃照片，讓學(xué)生了解自由落體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，知道自由落體運(yùn)動(dòng)是加速直線運(yùn)動(dòng)，通過觀測(cè)可得重物下落過程中加速度大小不變，做的是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，空氣阻力很小，可看成只有重力作用的自由落體運(yùn)動(dòng)。自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度叫重力加速度g=9.8m/s，其方向豎直向下。

因自由落體屬于初速度為0，加速度為g的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，我們由勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式可得自由落體的運(yùn)動(dòng)公式如下：

在物理教學(xué)過程中，教師可以指導(dǎo)學(xué)生多做實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生的物理建模能力，盡量的讓每個(gè)學(xué)生都參與實(shí)驗(yàn)過程，將課本中的理論知識(shí)在實(shí)踐操作中進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也能對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的問題，進(jìn)行指導(dǎo)。因此，通過實(shí)驗(yàn)來建模，能夠鍛煉學(xué)生的實(shí)踐操作能力，學(xué)生在碰到類似的習(xí)題時(shí)，不再只是靠死記硬背來解題。

三、設(shè)立情境 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

將抽象難懂的物理知識(shí)聯(lián)系生活實(shí)際，建立情境模式，無疑能夠使學(xué)生更好地掌握物理建模方法。因?yàn)楹芏辔锢碇R(shí)都是來源于實(shí)際生活當(dāng)中，如電路問題、運(yùn)動(dòng)問題等，因此，在講授這類知識(shí)時(shí)，可以引入現(xiàn)實(shí)生活的實(shí)例，然后結(jié)合物理知識(shí)講解，通過這樣的方法，激起學(xué)生對(duì)物理的興趣。

對(duì)學(xué)習(xí)感興趣是最重要的，根據(jù)實(shí)際生活情況，創(chuàng)設(shè)情境來教授物理知識(shí)，應(yīng)用建模理論，使學(xué)生熟悉建模方法，能夠激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探索物理現(xiàn)象和物理知識(shí)的求知心理，有助于提升學(xué)生對(duì)物理的興趣，同時(shí)也能將沉悶的物理知識(shí)轉(zhuǎn)為生動(dòng)具體的實(shí)際現(xiàn)象，既活躍了課堂氣氛豐富教學(xué)內(nèi)容，還能有效提高教學(xué)效率。

四、結(jié)合其他學(xué)科 提高學(xué)生建模能力

基于物理學(xué)科的特殊性，因此常常與數(shù)學(xué)知識(shí)相互聯(lián)系，教師應(yīng)在遇到相關(guān)的習(xí)題時(shí)，告訴學(xué)生可以運(yùn)用數(shù)學(xué)思維來解題，在解題過程中運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和物理相結(jié)合，多維度的來看待問題。

如習(xí)題：將合力F分解為F1和F2兩個(gè)分力，若已知F的大小，F(xiàn)1和F2夾角θ，且θ為鈍角，則當(dāng)F1、F2大小相等時(shí)，求它們的大小;當(dāng)F1有最大值時(shí)，F(xiàn)2又為多大？此類的分解力的習(xí)題，物理中有多種方法來解答，根據(jù)題目已知條件，F(xiàn)1和F2夾角θ為鈍角已確定，因此F可以和F1和F2構(gòu)成一個(gè)矢量三角形，合力F為外接圓的一條弦，如圖所示，其所對(duì)的圓周角為π-θ，當(dāng)F1、F2大小相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的力矢量關(guān)系為等腰三角形，表示F1和F2的線段為腰，底角為θ2，故F1、F2大小相等為F1=F2=F2cosθ2。當(dāng)表示F1的線段處于直徑位置時(shí)，即表示相應(yīng)的力有最大值，且三力關(guān)系矢量三角形呈直角三角形，這時(shí)F2大小為Fcot(π-θ)=-Fcotθ。這道題雖然是物理題目，但是解題思路使用的確實(shí)數(shù)學(xué)中“同弧所對(duì)的圓周角相等”的知識(shí)，因此，需要將兩門學(xué)科互相結(jié)合。教師在教學(xué)過程中要指引學(xué)生進(jìn)行多維度的思考，深度的學(xué)習(xí)課本中所教授的物理模型，提高答題速度。

四、總結(jié)

物理教學(xué)中合理的使用物理模型能夠有效的幫助學(xué)生記憶物理知識(shí)，提高物理成績(jī)。由于物理現(xiàn)象在實(shí)際生活中非常多見，教師在授課途中不應(yīng)只局限于書本內(nèi)容，多和實(shí)際生活相結(jié)合，多實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐體驗(yàn)的過程中運(yùn)動(dòng)物理建模思維。因?yàn)槁殬I(yè)中學(xué)物理的知識(shí)都有相關(guān)的物理模型，教師要教會(huì)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，通過建立正確的模型來解題，進(jìn)一步地鞏固知識(shí)，進(jìn)而提升學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效率。

[1]唐德政.認(rèn)識(shí)物理教學(xué)中模型意識(shí)[J].成才之路，2009，(14).

[2]馬永喜，許多青.如何在物理教學(xué)中滲透數(shù)學(xué)建模思想[J].物理教學(xué)探討，2009，(05).