談談對學生物理建模能力的培養

　　摘 要： 培養學生學會建立模型，并使之解決實際問題是近年來高考物理考查的重要方面。在教學中培養學生的建模能力顯得尤為重要，也符合課改的要求。
　　關鍵詞： 建模 物理過程 建模能力 培養
　　
　　一、物理模型
　　（一）物理模型分類
　　物理模型是對基礎知識的高度概括，是典型的物理問題。物理模型具有典型性、方法性等特點。物理模型是從一類物理問題中，抓住主要的本質問題，刪除次要因素，集基礎知識與基本規律于一體。中學常見的物理模型有以下幾種。
　　1.研究對象理想化的模型。例如：質點、剛體、理想氣體、恒壓電源等。
　　2.運動變化過程理想化的模型。例如：“自由落體運動”、“簡諧振動”、“熱平衡方程”等，這些都是把復雜的運動過程理想化了的“物理模型”。
　　3.問題模型。以問題為核心，形成一種解決問題的一般方法，使處理問題的思路清楚，可化繁為簡，化難為易。如“子彈打木塊”、“彈性小球相碰”等。
　　（二）物理模型的主要功能
　　1.可以使問題大為簡化，從中較為方便地得出物體運動的基本規律。
　　2.可以對模型討論的結果稍加修正，即可用于實際事物的分析和研究。
　　3.有助于對客觀物理世界的真實認識，達到認識世界，改造世界，為人類服務的目的。
　　二、“物理模型”教學的意義
　　（一）可培養學生的創新意識。創新意識和創新能力是兩個不同的概念，有時意識比能力更重要。物理模型的建立很具創新性，教師應該把建立物理模型的這種創新的思路啟發性地告訴學生。這樣對學生創新意識的培養才是有益的。
　　（二）可培養學生正確的思維方法，從而培養創新能力。正確的思維方法是提高思維能力的基礎，良好的思維能力是創新能力的保證，只有正確的思維才談得上有良好的創新。但是由于年齡的關系，學生一般只注意知識的學習，并不關心自己的思維方法是否正確，更不能自覺地糾正一些不正確的思維方法，這就影響了思維發展。因此，指導學生運用正確的思維方法是培養學生創新能力首要任務。“物理模型”的建立，也是一種嚴密的正確的思維方法，其思維過程非常明顯，分析好每一個“物理模型”的建立思維很重要，以“質點”這個物理模型為例，為什么要將物體簡化為質點？在什么時候什么物體可以簡化為質點？質點的概念很簡單，如果只教會學生質點的概念，而沒有使學生明確這種建立物理模型的思維過程，以及運用物理模型建立概念的基本方法和思路，這將是教學上的一重大失誤。
　　（三）中學物理教材中有許多物理知識比較抽象，學生往往不易理解和接受，并會因此而失去學習的信心。
　　但如果借助“物理模型”教學，通過采用模型方法，突出物理問題的主干，疏通思路，幫助學生建立起清晰的物理圖像，使物理問題化難為易，化繁為簡。這樣不但能降低教學難度增強學生學習的自信心的作用，而且能培養學生的創新能力。
　　三、物理模型與建模能力的培養
　　（一）指導學生自覺地將物理模型運用于實際問題
　　有些問題比較復雜或生疏，若能將熟悉的物理模型遷移至新問題，對解決問題可起到事半功倍的效果。
　　例1.發射地球同步衛星時，先將衛星發射至近地圓軌道１，然后經點火，使其沿橢圓軌道２運行，后再次點火，將衛星送入同步圓軌道３。軌道1、2相切于Ｑ點，軌道2、3相切于Ｐ點（如圖１所示）。試將衛星在軌道１上經過Ｑ點時的加速度與它在軌道２上經過Ｑ點時的加速度相比較；衛星在軌道２上經過Ｐ點時的加速度與它在軌道３上經過Ｐ點時的加速度相比較。
　　分析：不少學生因沒有認清衛星沿圓形軌道和橢圓形軌道運行有什么區別，一律套用衛星勻速圓周運動的物理模型，用a=v2/r來比較加速度大小，實際上，當衛星沿橢圓形軌道運行時，萬有引力等于向心力這一關系已不再普遍成立，衛星的速率要發生改變。衛星沿橢圓形軌道２經過Ｑ、Ｐ兩點時的軌道半徑并不是圓形軌道１、３的半徑，而應確定軌道２上Ｑ、Ｐ兩點的曲率半徑。如果學生始終陷入新設物理情境中不能自拔，則極易導致解題繁雜，甚至出錯。既然需要比較衛星沿不同軌道經過Ｑ、Ｐ兩點時的加速度大小，則應抓住“加速度”這一關鍵性的詞，分析產生、影響、決定加速QxDcogXJJLfBdlJjlgE7Rw==度大小的因素，由牛頓第二定律公式入手，從而找到求解問題的突破口。
　　（二）學生要學會從實際問題中提煉物理模型
　　例2.有三個質量相等的鋼球裝置如圖２所示。拉開小球１后放手，小球１將與２和３發生彈性碰撞。沒碰前小球１的速度為v，問碰后各球的速度如何？
　　思考此問題時，思考者必須對球１跟球２與球３碰撞的情況設計一個物理模型。一個設計是把球２和球３看成一個整體，碰后２球和３球獲共同的速度。
　　根據彈性碰撞的理論：
　　mv=mv+2mv
　　(1/2)mv=(1/2)mv+(1/2)2mv
　　解得：v＝-v/3，v=2v/3。
　　另一種設計是把２球和３球視為獨立的彈性球，１球先跟２球碰，因為兩球質量相等所以２球獲向右速度v，１球停下，速度為零；接著２球跟３球彈性碰撞，交換速度，２球靜止，３球獲向右的速度。
　　實驗事實證明前者不正確，后者正確。由此可見物理模型必須接受實踐的檢驗。
　　（三）通過物理學史加強物理建模思維能力
　　在教學中介紹物理學史，可以使學生對某個物理事件的過程有一個較完整的認識，使其便于理解和掌握其中的物理方法。縱觀物理學發展史，許多重大的發現與結論，都是科學家經過大膽的猜想構思，創建出科學的理想化模型，并通過實驗檢驗或實踐論證。學生通過對物理事件的了解，能加深對物理建模思維及其意義的認識。
　　如法拉第在1852年，對帶電體、磁體周圍空間存在的物質，設想出電場線、磁場線一類力線的模型，并用鐵粉顯示了磁棒周圍的磁力線分布形狀，從而建立了場的概念，對當時的傳統觀念是一個重大的突破。
　　總之，在“物理模型”的建立和分析的教學過程中，要摸清學生各種錯誤的思維方法，及時予以糾正。例如：學生受了絕對化的片面思維方法的影響，不理解物理學中采用的理想化的思維方法，以為理想化不精確，脫離實際，有時對老師導出的某公式所采用的近似方法表示不可理解，在實驗中追求百分之百的精確度。這里我們就要及時指出物理模型的特點和功能，使學生明確物理模型的科學性，明確物理模型的條件性。及時糾正這類學生的思維方法，這也是培養和鍛煉創新思維和創新能力的好途徑。
　　 注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”