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        高中物理教學(xué)中科學(xué)建模的路徑思考

        2022-06-20 09:06:28曹愷張勇
        知識(shí)窗·教師版 2022年4期
        關(guān)鍵詞:高中物理

        曹愷 張勇

        摘要:科學(xué)思維是高中物理的核心素質(zhì)之一,而模型構(gòu)建是科學(xué)思維的重要構(gòu)成環(huán)節(jié)。目前,部分高中物理教師缺乏對(duì)模型和建模本質(zhì)的深刻認(rèn)識(shí),缺乏訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)建模技能的方法。文章整合了高中物理課本中有關(guān)科學(xué)建模能力訓(xùn)練的內(nèi)容,并將內(nèi)容分為對(duì)象模型、條件模型、過程模型和理論模型,提出了提高學(xué)生科學(xué)建模能力的有效策略。

        關(guān)鍵詞:高中物理? ?模型建構(gòu)? ? 路徑

        物理的核心素質(zhì)包含了物理概念、科學(xué)思維、科學(xué)研究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。其中,科學(xué)思維是從物理學(xué)的角度理解客觀事物的基本屬性、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的一種方式,也是構(gòu)建基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的理想模型的抽象概括過程。物理建模是科學(xué)思維能力的科學(xué)實(shí)踐,它能夠描繪出一種問題的性質(zhì),并利用現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)材料的物理模型來解釋和預(yù)測(cè)現(xiàn)象。

        一、高中物理教學(xué)中模型建構(gòu)的應(yīng)用原則

        (一)主體地位性原則

        在傳統(tǒng)高中物理課堂上,部分教師采用“填鴨式”教學(xué),學(xué)生長(zhǎng)期處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài),且教師很少主動(dòng)與學(xué)生深入交流和討論物理知識(shí)。因此,教師應(yīng)遵循主觀性原則,明確學(xué)生的課堂主導(dǎo)地位,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

        (二)多元化原則

        在組織構(gòu)建高中物理模型時(shí),教師可以結(jié)合學(xué)生日常的生活場(chǎng)景,為學(xué)生提供更多的資料,使學(xué)生通過物理模型的構(gòu)建,充分理解物理知識(shí)。此外,教師可以結(jié)合生活中的實(shí)際案例,組織學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn),或者通過運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù),將抽象的物理知識(shí)具象化,幫助學(xué)生解決有難度的物理問題,使學(xué)生能夠觀察物理現(xiàn)象,理解物理概念,有效提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)效率。

        二、高中物理教學(xué)中構(gòu)建理想模型存在的問題

        理想模型可以幫助學(xué)生深入地學(xué)習(xí)物理、研究物理,教師不但可以用理想模型描述物理的基本概念,而且可以通過理想模型來簡(jiǎn)化物理問題。

        學(xué)生普遍認(rèn)為,物理是高中最難學(xué)的科目之一。在學(xué)習(xí)過程中,對(duì)物理概念不明確,對(duì)理想模型不理解,直接影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

        (一)不同學(xué)生的思維方式不同

        初中物理與直接的自然現(xiàn)象有關(guān),學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的思維活動(dòng)主要集中于具體的形象思維,理想模型等抽象物理模型的應(yīng)用較少。高中物理研究的主要是復(fù)雜和抽象的現(xiàn)象,需要用定量方法分析,所以理想模型的構(gòu)建必不可少。因?yàn)榉治鑫锢韱栴}要以模型為基礎(chǔ),從多方面、多角度去分析問題。

        (二)學(xué)生意志薄弱,不能獨(dú)立思考

        在解答高中物理練習(xí)題時(shí),學(xué)生經(jīng)常是有選擇地處理練習(xí)題。如遇到高難度的練習(xí)題時(shí),學(xué)生不會(huì)用理想模型的知識(shí)去思考。當(dāng)教師解釋練習(xí)題時(shí),學(xué)生才會(huì)記錄問題,但不會(huì)自主思考,單純靠教師的解答,這不利于模型的構(gòu)建。

        (三)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)不感興趣

        心理學(xué)指出,興趣是注意力和尋求知識(shí)能力的基礎(chǔ)。強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生勤奮學(xué)習(xí)、勇于解決問題的強(qiáng)大動(dòng)力。由于高中物理比較難,有些學(xué)生對(duì)物理失去興趣,難以理解理想模型。

        三、高中物理科學(xué)建模的路徑

        (一)抽象方式

        抽象是一種思維過程和思維方法,通過現(xiàn)象去了解現(xiàn)實(shí)物理現(xiàn)象最重要和最本質(zhì)的特征,但容易忽略次要和非本質(zhì)因素。在物理建模過程中,學(xué)生必須不斷提取事物的運(yùn)動(dòng)過程或事物從現(xiàn)象到本質(zhì)的相互作用,摒棄了在運(yùn)動(dòng)序列或事物相互作用中不起作用、微不足道的因素,從復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)和相互作用過程中提取事物的相同點(diǎn),然后建立物理模型??梢姡橄蠓绞绞俏锢斫V谐S玫幕舅季S方法。因此,在教學(xué)中,教師要引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際出發(fā),注意抽象的物理模型創(chuàng)作方式。

        (二)理想簡(jiǎn)化

        理想簡(jiǎn)化包括通過捕捉影響問題的基本因素和忽略非基本因素來簡(jiǎn)化、理想化物理問題,前提是不改變規(guī)則,減少復(fù)雜物理問題的可探究性。理想簡(jiǎn)化構(gòu)建的物理模型只存在于理想狀態(tài)中,而不存在真正的物理問題。同時(shí),理想簡(jiǎn)化構(gòu)建的物理模型可以消除非基本屬性和次要因素的干擾,使實(shí)際物理問題從復(fù)雜到簡(jiǎn)單,易于處理。

        首先,分析特定條件的理想簡(jiǎn)化,并創(chuàng)建適當(dāng)?shù)哪P停绱植诙然蚱交?。其次,?jiǎn)化了測(cè)試程序,包括對(duì)實(shí)驗(yàn)硬件和設(shè)施進(jìn)行理想簡(jiǎn)化。以伽利略的“斜面實(shí)驗(yàn)”為例,伽利略曾設(shè)想,物體能否均勻移動(dòng)而不產(chǎn)生摩擦力,牛頓后來解決了這個(gè)問題,并根據(jù)相關(guān)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了牛頓第一定律,從根本上推翻了亞里士多德的“物體受力運(yùn)動(dòng)中若外力停止作用便歸于靜止”這一理念,也為后來的經(jīng)典力學(xué)做了奠基。

        (三)類比聯(lián)想

        類比聯(lián)想是基于兩個(gè)事物在某些屬性中的相似性,通過比較和關(guān)聯(lián)得出結(jié)論,它們也可以在思想形式的某些屬性上相似。類比聯(lián)想有兩個(gè)含義:第一,聯(lián)想,即通過新信息檢索現(xiàn)有知識(shí):第二,類比,即查找新舊信息的相似性和差異性。類比聯(lián)想法在物理學(xué)術(shù)研究中具有重要的作用。許多物理模型是由模擬關(guān)聯(lián)創(chuàng)建的,如開普勒曾經(jīng)說過:“我珍視類比勝于任何別的東西,它是我最可信賴的教師,它能提示自然界的秘密?!备ダ饰魉埂づ喔芯涿裕骸邦惐嚷?lián)想支配發(fā)明?!笨梢姡惐嚷?lián)想可以在兩個(gè)不同的知識(shí)領(lǐng)域之間傳遞知識(shí),也是產(chǎn)生和形成新的科學(xué)思想與發(fā)明的重要思維方法。

        例如,從微小粒子是光等粒子這一事實(shí)中,德布羅意推斷出微小粒子也有像光一樣的波。因此,他提出了相對(duì)主義的概念,可以展示真實(shí)物體的波動(dòng)理論,這是通過使用適當(dāng)?shù)念惐群皖愃频膶傩约蓪?shí)現(xiàn)的建模效果。

        類比聯(lián)想在物理模型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用并非萬能的,有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。因此,通過類比聯(lián)想建立的物理模型的正確性和科學(xué)性必須在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)。

        (四)等效替代

        等效替代是指一種建模方法,如果一個(gè)研究對(duì)象在一個(gè)方面的效果與另一個(gè)研究對(duì)象的效果相同,或者某一個(gè)方面兩個(gè)研究對(duì)象的物理過程有共同的結(jié)果,則可以相互替換。等效替代將更復(fù)雜的物理現(xiàn)象和物理過程轉(zhuǎn)化為等效、簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象與過程,以便更好地優(yōu)化這個(gè)問題。4A02A196-6C83-430C-8B2B-6CDFDD91B1EA

        變速運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)勻速度運(yùn)動(dòng),引入了“平均速度”的概念;交流電對(duì)應(yīng)直流電,引入“電流的有效值”“電壓的有效值”的觀念;電容、電感對(duì)交流電的作用對(duì)應(yīng)電阻,引入“容抗”“感抗”的理念等。

        例如,在一組電路中,有兩個(gè)電阻器是串聯(lián)的,原來的阻值之和就是總電阻,如果兩個(gè)電阻器是并聯(lián)連接的,那么總電阻是原來阻值倒數(shù)之和的倒數(shù),這里所謂的總電阻就是等效的原值,是獨(dú)立于等效方法的類型。這種思維方法的規(guī)則只有一種,即為了保持效果不變,不同屬性的力可以組合起來獲得等效的力量,工作和傳熱在改變物體的內(nèi)部能量方面是等價(jià)的,但它們本質(zhì)上是不一樣的。

        有了等效的概念,泄漏電流的電容器可以對(duì)應(yīng)與電阻器平行的理想電容器,有電阻的線圈與電阻器串聯(lián)的理想線圈相對(duì)應(yīng)。實(shí)際電源對(duì)應(yīng)于連接到內(nèi)部電阻器的理想電源,即使在處理不同的物理問題時(shí),也可能存在某些方法的等價(jià)性,如力學(xué)和幾何光學(xué)的等價(jià)性、電磁和機(jī)械數(shù)量等。物體運(yùn)動(dòng)之間的相互作用往往比較復(fù)雜,因?yàn)橐粋€(gè)物理物體和另一個(gè)(或幾個(gè))物理物體在同一場(chǎng)景中同時(shí)作用,人們往往把物理事物復(fù)雜化為等效簡(jiǎn)單、易于研究的物理事物,這種方法被稱為“等效替換”,是解決物理問題的重要思想,相同或不同的問題可以通過等效等同于典型模型。

        有些物理過程是隱藏的、復(fù)雜的,很難直接研究,而等效替代可以用來創(chuàng)建適當(dāng)?shù)牡刃锢砟P停又庇^、簡(jiǎn)單,更容易學(xué)生直接學(xué)習(xí)。例如,在LC振蕩電路的研究中,鐘擺振動(dòng)模型用于模擬電磁振蕩過程。在LC振蕩電路的充電和放電過程中,電流、電容器板之間的電壓、場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)能量、線圈中的磁場(chǎng)能量等物理量的變化,可以在一周內(nèi)通過簡(jiǎn)單鐘擺運(yùn)動(dòng)序列中的相應(yīng)物理數(shù)量進(jìn)行比較和分析。筆者發(fā)現(xiàn),雖然簡(jiǎn)單的鐘擺和LC振蕩電路的結(jié)構(gòu)不同,但它們的動(dòng)態(tài)特性會(huì)隨著時(shí)間而改變,所以可以創(chuàng)建相應(yīng)的替代模型。

        再例如,筆者在物理課上遇到這樣一個(gè)例子:長(zhǎng)度L的光滑鋼絲纏繞成H高度的彈簧,彈簧垂直連接到地面?,F(xiàn)在,一個(gè)小環(huán)被放在鋼絲上,從最高點(diǎn)釋放到其余點(diǎn),小環(huán)沿著彈簧滑向最低點(diǎn)的時(shí)長(zhǎng)。顯然,這個(gè)問題的物理過程更加微妙和復(fù)雜。此時(shí),我們需要將隱藏改為直觀,將復(fù)雜化為簡(jiǎn)單,并使用等效替代創(chuàng)建物理模型。螺旋運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于傾斜平面上的線性運(yùn)動(dòng),球體可以認(rèn)為是物體在長(zhǎng)度L和高度H的光滑傾斜平面上靜止滑出的過程,采用牛頓第二定律能很容易解決??梢姡刃娲梢宰鳛榻鉀Q難題和簡(jiǎn)化難題的重要思維方式來發(fā)揮作用。

        (五)假設(shè)驗(yàn)證

        物理建模中,假說是重要方法。恩格斯說:“只要自然科學(xué)在思維著,它的發(fā)展形式就是假說?!奔僬f建模是指在現(xiàn)有理論事實(shí)的基礎(chǔ)上,在物理現(xiàn)象的真相不明的情況下,創(chuàng)造新的物理模型,從根本上揭示物理現(xiàn)象的本質(zhì)的方法。該模型可以解釋現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)事實(shí)并預(yù)測(cè)可能的結(jié)果。假說是對(duì)物質(zhì)本質(zhì)的不完全概括。因此,假說方法創(chuàng)造的模型必須根據(jù)條件的變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、補(bǔ)充和完善。例如,為了創(chuàng)建原子核模型,每個(gè)重大發(fā)展都基于相應(yīng)原子核模型(假設(shè)結(jié)構(gòu))的變化,然后使用新的實(shí)驗(yàn)或事實(shí)驗(yàn)證其正確性。

        四、結(jié)語

        構(gòu)建物理模型對(duì)提升課程教學(xué)質(zhì)量有著重要作用和影響,能夠簡(jiǎn)化問題,發(fā)展學(xué)生的想象力,提升學(xué)生的思維能力,推進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。而高中物理教材中含有豐富的建模內(nèi)容,教師應(yīng)充分利用課堂建模的相關(guān)材料,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)建模的技能,提高學(xué)生的思維素質(zhì)和專業(yè)表現(xiàn)能力。

        參考文獻(xiàn):

        [1]俞國富.高中物理教學(xué)中科學(xué)建模的策略[J].物理教學(xué)探討,2021(9).

        [2]楊正祥.高中物理教學(xué)中的物理模型化方法[J].家長(zhǎng),2019(6).

        [3]張彬.建構(gòu)物理模型在高中物理教學(xué)中的實(shí)踐研究[J].教海探航,2019(8).

        ※本文系吉林省高等教育教學(xué)改革立項(xiàng)課題“面向新工科的示范性工程創(chuàng)新訓(xùn)練中心建設(shè)與管理研究”。

        (作者單位:吉林師范大學(xué)物理學(xué)院)4A02A196-6C83-430C-8B2B-6CDFDD91B1EA

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