1、 本科毕业论文 学 院 物理电子工程学院 专 业 物理学 年 级 2009 级 姓 名 杨超 论文题目 物理模型在中学物理教学中的作用和意义 指导教师 刘慧 职称 高 级实验师 学号 20095040104 2013 年 05 月 01 日 目 录 摘 要 . 1 Abstract . 1 引言 . 1 1 物理模型的 概念 . 2 2 物理模型的种类 . 2 2.1 理想化物理模型和探索性物理模型 . 2 2.2 对象模型、过程模型和理论模型 . 2 3 物理模 型在中学教育中的作用 . 5 3.1 物理模型可以培养学生正确的科学思维方法 . 5 3.2 物理模型具有教师传播知识和学生获取知
2、识的桥梁作用 . 5 3.3 物理模型具有软化教学过程的作用 . 6 4 物理模型在中学物理教学中的意义 . 6 4.1 物理模型能够促进学生适应新一轮课程改革 . 6 4.2 物理模型能够促进知识迁移创新学习 . 6 4.3 物理模型能够满足高考改革 的需求 . 6 5 培养学生构建物理模型的能力 . 6 5.1 引导学生主动掌握建立物理模型的方法 . 6 5.2 模式化构建模型步骤 . 7 5.3 充分利用教学资源降低构建模型的难度 . 7 5.4 重视思维程序训练 . 7 结束语 . 8 参考文献 . 8 1 物理模型在中学物理教学中的作用和意义 学生姓名：杨超 学号： 20095040
3、104 学 院：物理电子工程学院 专业： 物理学 指导教师：刘慧 职称：高级实验师 摘 要： 在我国的传统物理教学中，教师比较注重知识的传授，教学活动的开展都是围绕如何有效地传授物理知识。在这样的环境下，学生的知识掌握比较牢固，但随着教育改革的深入，对学生解决实际问题和探索性问题能力的要求越来越高，传统的教育模式已经无法满足学生能力提高的需要。针对这一现象，本论文提出应该重视物理模型在中学物理教学中的作用和意义。本文主要介绍了物理模型的概念、分类以及在中学物理教学中的作用和意义，最后还介绍了培养学生构建物理模型能力的方法。 关键词 ： 物理模型；作用和意义；模型构建 Roles and sig
4、nificances of physical models in middle school teaching Abstract： Traditional physical education in our country pays more attention to imparting knowledge, so the whole teaching process was just around how to teach effectively. In this situation, the students could master the knowledge well. However
5、, as the education reform further, the demand ever higher in solving practical or exploratory problems. Traditional education has been unable to meet the students needs of improving the ability. Aiming at this phenomenon, This essay presents that its necessary to think highly of the roles and signif
6、icances of physical models in middle school teaching. This essay mainly introduces the physical models concept and classification, the roles and significances of physical models are also highlighted. At last, it introduces the ways to improve the students ability of constructing physical models. Key
7、 words： physical models； roles and significances； models constructing 引言 物理学的研究对象遍及整个物质世界 ,大到天体 ,小至基本粒子 ,无奇不有 ,无所不在 。 面对具体复杂的物体 ,研究它们形形色色的运动 ,如果不采取科学思维方法 ,人2 们便不能摆脱浩如烟海 ,纷乱繁杂现象的纠缠 ,理不出清晰的物理概念和物理规律 ,物理学理论大厦便无法建起 1。 1 物理模型的概念 为了便于分析与研究，物理学往往采用一种 “ 简化 ” 的方法，对实际问题进行科学的抽象化处理，保留主要因 素，略去次要因素，得出一种能反映原物本质特性的
8、理想物质 (过程 )或假想结构，此种理想物质 (过程 )或假想结构就称之为物理模型 2。因此，物理模型是人们通过科学思维对物理世界中原物的抽象描述，是按照物理科学研究的特定目的，用物质形式或思维形式对原型客体本质关系的再现。人们通过对物理模型的认识与研究，去获取关于原型客体的知识及其在自然界中的运动变化规律。 2 物理模型的种类 物理模型有许多的分类方式，下面只列举两种主流的分类方式。 2.1 理想化物理模型和探索性物理模型 理想化物理模型的特点是突出研究客体的主要矛 盾，忽略次要因素，将物体抽象成只具有原物体主要因素但并不客观存在的物质 (过程 )，从而使研究问题简化 3。如中学物理教材中的
9、质点模型、点电荷模型、理想气体模型、匀速直线运动模型等等。翻开物理书籍，映入眼帘的是质点 、 刚体 、 理想气体 、 点电荷等模型，这些模型正是实际物体在某种条件下的近似。物理学中的规律由于采用了理想模型法，所有物质运动便分别归属于各种模型的运动。因此，物理学是一门非常丰富而又异常简洁的科学，无须很多的概念、规律、定理就可以把物质世界的各种运动规律包罗进去，这一符合简单化原理的特征，给我们学习物理 学带来了便利 ， 也正是物理学更加日趋成熟的标志。但是，由于物理学大量采用了近似处理的方法，把各有特色的物体及其运动抽象成一些简单的模型，致使每一个简单的物理学理论都包含了大量的实际问题的信息。其实
10、这给我们解决物理实际问题带来了困难，不少学生以为物理课听起来有趣，记定律也不难，就是做习题不会，究其原因，就是找不到一个合适的物理模型来代替实物所致。 探索性物理模型 的特点是依据观察或实验的结果，假想出物质的存在形式，但其本质属性还在进一步探索之中。如中学物理教材中的原子模型、光的波粒二象性模型等。 2.2 对象模型 、过程模型和理论模型 在物理教学中，最关键的两个环节是：首先，要明确学习和研究的对象是什么？3 其次，要明确学习和研究的对象是如何运动变化的、遵循什么样的规律。按照这两个环节将物理模型分类，我们发现中学物理教学中涉及的常见模型包括：对象模型、过程模型和理论模型。 对象模型是根据
11、研究对象的特点，舍弃次要的、非本质的因素，抓住主要的、本质的因素，从而建立的一个易于研究的、能反映研究对象主要特征的新形象 4。理想模型是科学抽象与概括的结果，在物理学中到处可见，如质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、理想 变压器、薄透镜等。另外还有一些，诸如点光源、近轴光线、电力线等，都是人们根据它们的物理性质，用理想化的图形来模拟的概念，如光线就是用带有箭头的线段来表示。理想对象模型是物理规律和物理理论赖以建立和发展的基础，在物理学中具有不可替代的作用 5。 拿质点来说，它是一个没有大小和形状，只有质量和位置的点。这样的点实际上不存在的。物体再小，总有一定的尺寸和形状。可是，比如说我们
12、研究月亮绕地球的运动时，就不得不把它看成这样的一点。假如不把月亮看成质点，则地球和月亮的距离就不知从何算起，运动的轨道也会有很多，问题将复 杂得无法研究。每个物体都有许许多多特点，如尺寸、形状、质量、温度、热容量、导电性、颜色等。在物理学中，我们把这些特点分别归入力、热、电、光等各个学科里分别研究。同一个物体可以成为几个模型。以太阳为例，当我们研究它对天体的引力时，需要把它看作质点 ;在研究它的能量转换时，需要把它看成一个质点系 ;当我们研究太阳照射在地球某表面上的照度时，又需要将它当作一个点光源。 过程模型是为了研究复杂问题，建立在物体运动变化过程的基础上，根据究问题的性质和需要，在包含多种
13、复杂因素的物理过程中，找出主要因素，略去次要因素 ，建立能够揭示事物本质的理想过程。如质点运动的各种典型模型自由落体运动、匀速直线运动、匀变速直线运动、简谐振动、完全弹性碰撞 ;热学中的等温变化、等容变化、等压变化、绝热变化等等都是将物理过程模型化。将物理学中的研究对象模型化，仅仅是研究问题的开始，更重要的是找出研究对象运动过程所遵循的规律。物理过程模型化就是将实际过程进行近似处理使之为典型过程，以便用过程模型规律来解决实际问题 6。 拿自由落体运动来说，它是指物体只在重力作用下，从静止开始下落的运动。这样的运动实际上是不存在的，因为总会有空气阻力 等其他因素的影响。可是如果我们要研究一个物体
14、在地面附近由静止开始下落的运动，这在物理学中己经是一种非常简4 单的运动，但就对于这样一种简单的运动，如果不建立物理过程模型，也会变得无从下手。因为物体下落时，影响物体运动的因素很多，首先是重力加速度 g,它随着小球下落过程中与地面距离的改变而变化；其次是物体所受的空气阻力，它与小球的形状、大小和下落速度有关，同时还与风速、风向、物体下落中的转动有关。如果要综合考虑这些因素，找出物体下落的定量规律就十分困难。其实，我们可以在分析的基础上，忽略次要因素，将物体运动抽象为一 个理想的过程。当物体在地面上空不高处下落时，可认为重力不变；当物体下落的速度不大时，可忽略空气阻力的作用；同时，也可不计地球
15、的自转、风速以及物体的形状、大小、物体的转动等因素的影响，这样，该物体的运动就可以看作是一个质点在均匀重力场中只受重力作用下的一种运动，我们称之为自由落体运动。通过对物体运动过程的理想化，我们方便地得出了物体下落的规律，而且这一规律可近似代表实际物体的运动规律。 理论模型是在观察、实验的基础上，经过物理思维，对某一物理客体和研究对象的结构、相互作用、运动规律等所作的一种简化的描 述 7。由于物理事物的复杂性，某些物理事物的本质、组成、结构、规律等比较隐含，人们当时还搞不清楚，这时就要在实验事实和物理思维的基础上提出假说，建立起理论模型。在物理学研究过程中有许多这样的模型，如哥白尼的太阳系模型是
16、对天体运行的一种简化描述；卢瑟福原子的有核模型是对原子结构的一种简化描述。这些理论模型能解释某些物理现象和实验事实，指明进一步研究的方向，从某一方面反映研究对象的特征。当然，其正确性要由物理实验来检验，并且随着认识的深入和物理学的发展而不断修正和完善。 理论模型常以假说的形式出现，它的形成及其适用范围的确定都应以实验事实为依据，并随着新的实验事实的出现而不断修正、完善和发展。如原子结构模型的建立及其修正过程就是一个典型的例子。本世纪初，通过电子和放射性现象的发现，人们已经知道原子是由电子和质量远大于电子的正电荷组成。所以，人们试图在经典理论的基础上建立原子结构模型。 1903年， J.汤姆生提
17、出了著名的枣糕模型，这一模型在当时有着广泛的影响，但无法说明在纯静电力的作用下正负电荷是怎样取得平衡的，而且正负电荷振动引起的经典电磁辐射也与实际的原子光谱明显不 符，更无法解释 a粒子散射实验中的大角散射现象。于是 1911年卢瑟福在 a粒子散射实验事实的基础上提出了原子有核模型，认为原子里的正电荷及其大部分质量集中在大约 10-14米的核内，而电子则像众多行星围绕太阳那样绕原子核运动。同时卢瑟福还推出了描写粒子散射的数学公式，公式的计算结果和实验的数据符合得很好，所以卢瑟福原子的核式5 模型获得了巨大的成功。后来丹麦物理学家玻尔在卢瑟福模型的基础上进一步提出了原子结构的玻尔模型，其中包含两
18、个著名的假设，即定态假设和频率假设。玻尔模型成功地解释了氢原子的线状光谱，解决了原子的稳 定性问题，但它没有完全脱离经典力学的束缚，是量子观点与经典力学的混合，所以还需进一步修正和完善。从原子结构模型的发展历史我们可以看出，理论模型是物理学家对研究对象的结构、相互作用、运动规律所作的一种简化描述，它在物理学的发展中占有举足轻重的地位，是物理学的重要组成部分之一。在讲解理论模型时，不仅要关注理论假说的内容，也要关注理论模型的变化与发展过程 8。 自然界是千姿百态、千变万化的。人类从不同的角度研究大自然，就形成了数学、物理、化学、生物等各门自然学科。例如，为了帮助排球运动员提高成绩，物 理学可以研
19、究一下，运动员怎样弹跳和扣球，球才能打得又准又狠；生物学可以研究一下，运动员怎样安排饮食起居和锻炼强度，才能使身体适应比赛要求；心理学则可以研究一下运动员的意志、情绪等精神因素，以便增强胜利信心。分门别类地研究大自然，目的在于化繁为简。在各门学科里，也遵循同样的原则，把错综复杂的事物归结为一些简单的问题进行研究。中学物理教材中无论哪一部分的内容都是以物理模型为基础向学生传达物理知识的。物理模型是中学物理知识的载体，通过对分析与讲解模型，是使学生获得物理学知识和物理学方法的一 种途径 9。 3 物理 模型在中学教育中的作用 3.1 物理模型可以培养学生正确的科学思维方法 物理教学中，物理模型可以
20、培养学生正确的科学思维方法，而科学思维方法是提高物理思维能力的基础。初学物理的学生往往只注意知识的学习，并不关心思维方法是否正确，而在整个中学物理学习中，不同阶段的物理学习思维方法有不同的要求和特点，对此特点和规律的掌握直接影响学习物理的发展和学习效果。因此引导学生建立和运用正确的思维方法至关重要。在物理教学过程中，根据实际问题，对物理模型的建立和分析过程就是科学的思维方法培养和建立过程，由此能使学生运用物理 思维方式正确透彻理解物理概念，物理规律和掌握、理解物理运动的过程 10。 3.2 物理模型具有教师传播知识和学生获取知识的桥梁作用 中学物理教材中各部分内容都以物理模型为基础向学生传达物
21、理知识的 , 物理模型即是中学知识中的一个组成部分 , 又是中学物理知识的载体 , 通过对其分析与讲解 , 是教师在课堂上向学生传播知识常用的一种基本方法 ,同时也是学生获取物理6 知识的重要途径。因此物理模型是教师传授知识与学生获取知识的桥梁 , 只要掌握住这一点 , 教、学双方就容易达到各自的目的。因此 , 物理模型在中学物理教学中起了很 重要的作用 11。 3.3 物理模型具有软化教学过程的作用 中学物理教材中的许多物理知识比较抽象难懂 , 往往不易被学生理解和接受 , 学生常感到问题复杂 , 学习起来困难。但通过采用模型方法来实施教学 , 突出问题的主要因素 , 简化其次要因素 , 帮
22、助学生建立起清晰的物理情景 ,暴露物理过程 , 达到疏通思维渠道 , 使物理向题由难变易 , 由繁化简 , 起到软化教学过程的作用 12。 4 物理模型在中学物理教学中的意义 4.1 物理模型能够 促进学生适应新一轮课程改革 新教材中基础知识基本规律没有减少，但增加了许多联系 生产生活的实际问题和高新科技内容，一改旧教材高度抽象理想化的情景与问题，物理知识更贴近实际，学生学习倍感亲切，但课时却减少了。如 何让学生在较 少的课时内掌握更丰富的物理知识，物理模型教学不失为一种有效方法。抓物理模型的教学，将最基础最典型的物理知识，物理问题介绍给学生，并通过建立物理模型，将研究方法也展示给学生，引导学
23、生思考、感悟以至升华。 4.2 物理模型能够促进 知识迁移创新学习 物理模型来源于实践，形成理论，又反作用于实践，具有前瞻性。物理模型作为物理基本问题的基础。创新学习从某种意义上说，就是对 原有知识打破其结构，重新组合的过程。重组过程是知识迁移过程，就是同化过程。只有掌握了物理模型，才能培养建立物理模型的能力，才能学活知识 13。 4.3 物理模型能够满足 高考改革的需求 高考改革总趋势是由知识立意转为能力立意，许多试题的主干知识就是最新的前沿科技成果，如宇宙演化、卫星发射，这些知识在题干中都以大量文字叙述形成信息给予题。这种新题型这样的试题本着高起点低落点，重能力谈知识，要求学生能从大量文字
24、中摄取信息，构建物理模型。如果学生缺乏这种能力抓不住有效信息，不能建立恰当的模型从何谈起解题 。 5 培养学生构建物理模型的能力 5.1 引导学生主动掌握建立物理模型的方法 许多教师在教学中往往只注重让学生记住物理模型，以及利用物理模型解题的一7 些经验，很少进行深层次的引导和分析。这种教学方法只把知识灌输给学生，在这一过程中能得到锻炼的只有记忆能力，解决实际问题时，只会生搬硬套。由于实际问题的千差万别，往往会张冠李戴，而遇到较为新颖的物理情景时就会感到无从下手，因此，学生的分析问题和解决问题的能力并没有得到提高。要真正提高学生分析问题和解决问题的能力，教师必须遵从教学规律，让学生成为习的主体
25、，通过在 教师引导下进行探究学习过程，学到分析问题和解决问题的方法 14。 5.2 模式化构建模型步骤 在中学物理课堂教学中开展建模教学的基本教学程序应有以下五个教学环节组成：创设情境 建模准备 建立模型 应用模型 反馈评价。其中应用模型环节分为两部分：利用模型形成概念和规律、应用物理模型解决问题。教师在教学的过程中要反复强调，反复演练，为学生构建模型能力的提高打下坚实的基础。 5.3 充分利用教学资源降低构建模型的难度 教师要在教学中通过充分展示知识发生发展的过程，用来帮助学生建立准确的物理模型。传统的物理教材 安排的教学内容虽然都是经过选择、经过缜密的思考而应用的模型和例题，但对于学生来说
26、，具有较强的抽象性，很难理解所学内容。教师要充分利用实验、图形图片、电视录像、多媒体课件等手段再现知识发生发展的过程，从而降低学生学习的难度，并将物理学研究问题的方法和物理思想寓于情景之中，使学生在潜移默化中掌握分析物理过程、建立正确物理情景和模型的方法。例如，讲解牛顿第一定律时，伽利略斜面实验是学生第一次接触到的理想实验，教师可以利用图片或动画形式，再现模型建立的推理过程，让学生知道理想实验是建立在可靠事实的基础上的一种科学方 法，从而理解牛顿第一定律所描述的虽然是一种理想化的状态，但它正确地揭示了自然规律 15。 5.4 重视思维程序训练 教师应在重视培养学生学习习惯的基础上，不断加强解决实际问题的思维程序训练。很多学生在解题过程中常表现为思维混乱，缺乏思维的程序化，因此，在教学中更要重视思维程序的训练。 首先，让学生养成利用发散思维审题的习惯。发散思维即求异思维，是一种多向思维方式。形象地说，就是从一点出发向知识网络空间发出的一束射线，使之与两个或多个知识点之间形成联系。由第一个已知条件开始，要假设若知道其他不同的条件可以得 出什么样的不同结论，如已知质量，若再知体积，可求密度；若知速度，可求
