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關(guān)于物理模型在高中物理教學(xué)中的討論教育論文
傳統(tǒng)教育在許多方面抹殺了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性，在教學(xué)過(guò)程中以教師向?qū)W生的知識(shí)灌輸為中心，遵從“知識(shí)輸入→知識(shí)儲(chǔ)存→知識(shí)提取”這一不變主旋律，把學(xué)生僅僅看做是知識(shí)的儲(chǔ)存器。學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造性得不到充分的發(fā)展，反而受到壓抑�，F(xiàn)在大力提倡創(chuàng)新教育，就要求教師轉(zhuǎn)變教育觀念，緊緊抓住以學(xué)生為主體這一教學(xué)特征，讓學(xué)生學(xué)會(huì)思維，掌握處理實(shí)際問(wèn)題的方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，而不僅僅是讓學(xué)生學(xué)習(xí)必要的物理基礎(chǔ)知識(shí)。
在物理教學(xué)中的教學(xué)方法很多，而物理模型教學(xué)法可以說(shuō)是其中很重要的一種方法�？v觀物理學(xué)的發(fā)展史，模型方法在物理學(xué)的產(chǎn)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重大的作用。物理學(xué)的發(fā)展史可以說(shuō)是一個(gè)建立物理模型和用新的物理模型代替舊的物理模型的過(guò)程。物理學(xué)中的概念、規(guī)律和公式等幾乎都是借助于物理模型進(jìn)行抽象概括而來(lái)的�？梢哉f(shuō)，不了解和不掌握物理模型的方法，就學(xué)不好物理。
建立正確鮮明的物理模型本身就是重要的物理內(nèi)容之一，它與相應(yīng)的物理概念、規(guī)律現(xiàn)象相依托，它是物理教學(xué)的重要方法和有力的手段之一。同時(shí)了解物理模型的遷移和轉(zhuǎn)化，對(duì)于物理邏輯的培養(yǎng)和學(xué)習(xí)能力的提高具有深遠(yuǎn)的影響，所以我們應(yīng)充分重視物理教學(xué)中的物理模型教學(xué)法的作用。
下面，我們就針對(duì)在高中物理教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的模型問(wèn)題從三個(gè)方面進(jìn)行討論。
一、利用物理模型強(qiáng)化對(duì)物理知識(shí)的理解
在高中物理的學(xué)習(xí)中有很多容易混淆的概念和規(guī)律，我們?nèi)绾螀^(qū)分這些知識(shí)對(duì)與我們理解和運(yùn)用物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題就有重要的指導(dǎo)作用。這里就針對(duì)力學(xué)的中的幾種容易混淆的概念模型進(jìn)行比較。
學(xué)生通過(guò)比較，可以很清晰地區(qū)分這些相接近的概念間的差異，在解決問(wèn)題中有了明確的方向，提高了學(xué)習(xí)效率。
二、利用典型物理模型促進(jìn)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)
在高中物理學(xué)習(xí)中，單擺是一個(gè)非常典型的物理模型。學(xué)習(xí)、理解、運(yùn)用單擺這一模型對(duì)于我們學(xué)習(xí)簡(jiǎn)諧振動(dòng)有很重要的意義。現(xiàn)在，我們就來(lái)具體討論這個(gè)問(wèn)題。
1.典型物理模型的學(xué)習(xí)
在教學(xué)中設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀察并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，逐步建立模型。
先讓學(xué)生觀察下列對(duì)比實(shí)驗(yàn)：
（1）兩個(gè)質(zhì)量不同，但擺長(zhǎng)振幅相同的單擺振動(dòng)。
�。�2）兩個(gè)擺長(zhǎng)相同，但振幅不同（擺角都小于5度）的單擺的振動(dòng)。
�。�3）兩個(gè)擺長(zhǎng)不同的單擺的振動(dòng)。
通過(guò)這一組演示實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探究興趣，形成對(duì)單擺這一理想模型的初步認(rèn)識(shí)。進(jìn)而展開(kāi)對(duì)物理現(xiàn)象的分析：
�。�1）實(shí)驗(yàn)器材：輕質(zhì)繩（不可伸長(zhǎng)）、小重球（密度大）；
�。�2）實(shí)驗(yàn)的條件：小擺角（小于5度）；
�。�3）實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：等時(shí)性（來(lái)回?cái)[一次時(shí)間相等）。
深入分析（運(yùn)用抽象、近似等方法）可以得出單擺周期T=2π。經(jīng)過(guò)分析使單擺模型的物理表面與本質(zhì)特征統(tǒng)一起來(lái)。
2.典型物理模型的遷移
在物理學(xué)習(xí)中，不僅要學(xué)習(xí)一些典型的物理模型，而且要鞏固發(fā)展物理模型，將其放在一個(gè)更復(fù)雜的新環(huán)境中去加以應(yīng)用，促進(jìn)物理學(xué)習(xí)能力的提升。舉例說(shuō)明：
豎直平面內(nèi)有一半徑為R的光滑圓弧軌道，a、b兩小球分別置于軌道圓心O點(diǎn)和離軌道底A點(diǎn)很近的B點(diǎn)處，如圖1所示，將它們同時(shí)由靜止釋放，忽略空氣阻力，問(wèn)誰(shuí)先到達(dá)A點(diǎn)？（此題求解的關(guān)鍵是對(duì)兩小球建立物理模型。）
分析如下：
首先，“小球”是一模糊語(yǔ)言，但從題目分析來(lái)看，可將球a、b大小忽略，抽象為質(zhì)點(diǎn)模型。
其次，由“靜止釋放”、“忽略空氣阻力”、“A點(diǎn)很近的b點(diǎn)處”、“光滑軌道”等描述。可將a球運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為自由落體運(yùn)動(dòng)模型，而b球的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為單擺模型（聯(lián)想到光滑軌道對(duì)小球b支持力N相當(dāng)于單擺運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擺線對(duì)擺球的拉力）如圖2所示。
最后，對(duì)兩小球分別運(yùn)用自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行求解。
對(duì)典型物理模型的學(xué)習(xí)和遷移可以使我們?cè)诮鉀Q問(wèn)題時(shí)能夠迅速抓住問(wèn)題的核心，對(duì)于我們學(xué)習(xí)物理有很大的幫助。
三、利用重要物理模型提高物理知識(shí)的學(xué)習(xí)能力
在高中物理學(xué)習(xí)的過(guò)程中，有許多重要的物理模型是我們?cè)趯W(xué)習(xí)物理知識(shí)的過(guò)程中應(yīng)及時(shí)總結(jié)并加以應(yīng)用，這就要求我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中有意識(shí)地對(duì)重要模型加以分析和歸納。
下面我們來(lái)討論在高中階段對(duì)學(xué)生解決問(wèn)題有重要幫助作用的柱體微元模型。學(xué)生從單個(gè)質(zhì)點(diǎn)牛頓力學(xué)的學(xué)習(xí)，到連續(xù)介質(zhì)（流體、電荷等）問(wèn)題的求解過(guò)程中，研究的對(duì)象從一個(gè)質(zhì)點(diǎn)躍遷到無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)，也要求學(xué)生解決問(wèn)題時(shí)的思維上升一個(gè)臺(tái)階，通過(guò)運(yùn)用微元柱體這一物理模型可以突破這類學(xué)生感到困難的問(wèn)題。
1.質(zhì)量柱體微元模型
對(duì)于速度為v定向流動(dòng)的密度為的連續(xù)流體，可在v方向選取一橫截面積為S的柱體微元，則在Δt時(shí)間內(nèi)通過(guò)S截面的流體質(zhì)量即為以vΔt為高、以S為底的柱體微元的質(zhì)量，如圖3所示。柱體微元質(zhì)量表達(dá)式為：Δm=SvΔt。
舉例說(shuō)明：
人的心臟每跳一次大約輸送8×1的血液，正常人血壓（可看作心臟壓送血液的壓強(qiáng)）的平均值約為1.5×10Pa，心跳約每分鐘70次。據(jù)此估測(cè)心臟的平均功率約為多少瓦？
分析如下：
對(duì)該問(wèn)題的解決不能只停留在原有的情景上，而應(yīng)將問(wèn)題轉(zhuǎn)換成我們熟悉的問(wèn)題來(lái)解決，即通過(guò)認(rèn)真讀題后，把實(shí)際問(wèn)題加工改造成相關(guān)的物理模型來(lái)處理。如圖3所示，將心臟每跳動(dòng)一次輸送的那部分血液視為一長(zhǎng)為L(zhǎng)，橫截面積為S的液柱。血液柱受到心臟的推力為F，每次心臟推動(dòng)液柱前進(jìn)的位移為L(zhǎng)。由壓強(qiáng)公式P=FS可知，心臟每跳動(dòng)一次，推動(dòng)血液做的功為：Ｗ=FL=PSL=PV其中V為心臟跳動(dòng)一次輸送血液的體積。因心臟每分鐘跳動(dòng)n=70次，故心臟的平均功率應(yīng)為：P=nW/t=70W/t=1.4W。
2.電荷柱體微元模型
類似于質(zhì)量柱體微元的建立，對(duì)于速度v定向連續(xù)移動(dòng)的電荷（導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流或真空中電流），也可以在v方向選取一橫截面積為S的柱體微元，則Δt時(shí)間內(nèi)通過(guò)S截面的電量即為以vΔt為高、S為底面積的柱體微元中的電荷的電量。柱體微元電荷表達(dá)式為：
ΔQ=NeSvΔt。其中N為單位體積中的自由電子數(shù)，e為電子電量。
舉例說(shuō)明：
設(shè)導(dǎo)線橫截面積為S，其中單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為N。在電壓作用下，自由電子定向移動(dòng)速度為v。試求導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度。
分析如下：
在Δt時(shí)間內(nèi)取一段長(zhǎng)vΔt的導(dǎo)線為研究對(duì)象，則在Δt時(shí)間內(nèi)流過(guò)S截面的電為ΔQ=NeSvΔt由電流強(qiáng)度定義I=ΔQ/Δt及上式得：I=NeSv，此式即為電流強(qiáng)度的微觀表式。
對(duì)于重要的物理模型，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中要讓學(xué)生理解透徹，同時(shí)逐漸學(xué)會(huì)將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理模型的本領(lǐng)，從而提高學(xué)習(xí)能力。
四、在高中物理教學(xué)中運(yùn)用物理模型教學(xué)法，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)具有很大的指導(dǎo)作用，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
�。�1）有利于學(xué)生形成清晰的物理概念。物理概念是反映物理現(xiàn)象和過(guò)程的本質(zhì)屬性的思維形式，是物理事實(shí)的抽象，這不僅是物理基礎(chǔ)理論知識(shí)的一個(gè)重要組成部分，而且是構(gòu)成物理規(guī)律和公式的理論基礎(chǔ)，物理概念中有相當(dāng)一部分是以模型的形式出現(xiàn)（概念模型）。它們是物理現(xiàn)象和事實(shí)抽象出來(lái)的，用來(lái)表征物質(zhì)屬性和描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。學(xué)生對(duì)物理模型這個(gè)科學(xué)方法的精髓是否領(lǐng)會(huì)，直接影響他對(duì)有關(guān)概念的理解、掌握和運(yùn)用，影響對(duì)物理知識(shí)整個(gè)大廈的構(gòu)建，因?yàn)楦拍钍菢?gòu)建這個(gè)大廈的基石。
�。�2）有利學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的正確理解。物理規(guī)律是物理知識(shí)的骨架，是物理學(xué)的核心的內(nèi)容。物理學(xué)中所總結(jié)出的反映運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律實(shí)質(zhì)上就是物理模型的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，從研究的主體對(duì)象到研究的過(guò)程無(wú)不體現(xiàn)模型觀點(diǎn)和方法。物理規(guī)律的教學(xué)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理模型，運(yùn)用物理模型，有助于學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的深刻理解，有利于學(xué)生對(duì)物理意義領(lǐng)會(huì)，準(zhǔn)確把握物理規(guī)律的成立條件和適用范圍。
�。�3）有利于學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題。每一個(gè)具體的物理問(wèn)題所描述的物理現(xiàn)象或過(guò)程都對(duì)應(yīng)著一定的物理模型，要解決問(wèn)題必須要對(duì)對(duì)象進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化和近似處理，以建立起一個(gè)合適的物理模型，若模型建立起來(lái)了，就等于已經(jīng)揭開(kāi)了掩蓋著物理現(xiàn)象和過(guò)程本質(zhì)的面紗，必要時(shí)再用等效、類比等方法將問(wèn)題進(jìn)行異形處理（異化構(gòu)建模型），問(wèn)題就迎刃而解了。
在當(dāng)前教育界把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力作為素質(zhì)教育主旋律的大背景下，以及國(guó)外物理教育改革的方向，我國(guó)的物理教學(xué)也將更多地面向科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)。因此，在中學(xué)物理的教學(xué)中要有意識(shí)地向?qū)W生滲透和灌輸物理模型的思想，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)和掌握物理模型的能力。這不僅是學(xué)好物理書本知識(shí)的客觀需要，而且是素質(zhì)教育的必然走向。
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