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【论文摘 要】本文首先分析了物理模型在物理学及其发展中的重要性,然后结合初中物理教育和教学的特点分析了物理模型在初中物理教育教学中的重要意义,接下来本文又把初中物理模型按不同类型逐一分析,最后给出了方法论意义。
模型在我们日常生活、工程技术和科学研究中经常见到,对我们的生产生活有很大帮助。物理学研究具有复杂性。怎样发现复杂多变的客观现象背后的基本规律呢?又如何简单的表达它们呢?人们有幸在漫长地实践活动中找到一些有效的方法,其中一个就是:在具体情况下忽略研究对象或过程的次要因素,抓住其本质特征,把复杂的研究对象或现象简化为较为理想化的模型,从而发现和表达物理规律。
既然物理模型是物理学研究的重要方法和手段,物理教育和教学中对物理模型的讲述和讲授就必不可少。建立物理模型就要忽略次要因素以简化客观对象,合理简化客观对象的过程就是建立物理模型的过程。根据简化过程和角度的不同,将物理模型分为以下五类:物理对象模型、物理条件模型、物理过程模型、理想化实验和数学模型。【1】下面我们逐个加以说明。
(一)物理对象模型——直接将具体研究对象的某些次要因素忽略掉而建立的物理模型。这种模型应用最为广泛,在初中物理教材中有许多很好的例子。例如:质点、薄透镜、光线、弹簧振子、理想电流表、理想电压表、理想电源和分子模型。作为例子,我们详细分析质点。质点,就是忽略运动物体的大小和形状而把它看成的一个有质量的几何点。其条件是在所研究的问题中,实际物体的大小和形状对本问题的研究的影响小到可以忽略。这样以来,很多类型的运动的描述就得到化简。比如所有做直线运动的物体都可以看成质点。因为作直线运动的物体的每一个部分每时每刻都做同样的运动,所以就可以忽略其大小和形状,而只找这个物体上的一个点作为概括,当然这个点的质量等于物体本身的质量。这样,直线运动物体的运动轨迹就是一条直线,很容易想象、理解和刻画。很多具体例子都可以这么做,例如以最大速度行驶在笔直铁轨上的火车,沿着航空路线飞行的客机,从比萨斜塔上下落的铁球,等等。
(二)物理条件模型——忽略研究对象所处条件的某些次要因素而形成的物理模型。在初中物理中有:光滑面、轻质杆、轻质滑轮、轻绳、轻质球、绝热容器、匀强电场和匀强磁场等。我们以轻质杆为例加以分析。比如简单机械里的杠杆,在初中阶段问题往往归结到力矩的平衡上来。即:动力×动力臂=阻力×阻力臂。动力和阻力都包括杆以外的物体对杠杆的作用力,还包括杆本身的重力。而杆重力的力臂在杆上的每一点都不同,这样除了杆的形状是几何规则的少数例子以外的绝大部分杠杆问题在初中阶段就没法解决。而轻质杆的引入正好解决了这一问题。轻质杆是忽略了自身重力的弹性杆。当外界物体对杠杆的力矩远远大于杆自身重力的力矩或者杆自身重力的力矩相互抵消时,就可以把杆当成轻质杆,杠杆受到的力矩只有外力矩,这样所有杠杆平衡问题都可以迎刃而解。
(三)物理过程模型——忽略物理过程中的某些次要因素建立的物理模型。在初中物理中有:匀速直线运动、稳恒电流等。这些物理模型都是把物理过程中的某个物理量的微小变化忽略掉,把这个物理量看成是恒定的。因为这些量的变化量与物理量本身相比太小了,以至于可以略去不计。这样不用考虑过程中物理量的复杂变化情况而只考虑恒定过程,分析问题就容易多了。
(四)理想化实验——在大量实验研究的基础上,经过逻辑推理,忽略次要因素,抓住主要特征,得到在理想条件下的物理现象和规律的科学研究方法就是理想实验。理想化方法是物理科学研究和物理学习中最基本、应用最广泛的方法【2】。初中物理中就有一个非常著名的理想化实验:伽利略斜面实验。伽利略的斜面实验有许多,现在举其中的一个例子,同样的小球从同种材料同样高度的斜面上滑下来,在摩擦力依次减小的水平面上沿直线运动的路程依次增大。伽利略由此推知:小球在没有摩擦的水平面上永远做匀速直线运动(在理想条件下的物理现象)。牛顿又在此基础上建立了牛顿第一定律。无需多论,也足以见得理想实验的强大力量。
(五)数学模型——由数字、字母或其它数学符号组成的、描述现实对象数量规律的数学公式、图形或算法。【3】初中物理中的数学模型主要有磁感线和电场线。磁感线(电场线)是形象的描述磁感应强度(电场强度)空间分布的几何线,是一种数学符号。而磁场和电场本身的性质对这些几何线做了一些规定,例如空间各点的电场强度是唯一的规定了电场线不相交。这样就使它们成为形象、简练而准确的描述磁场和电场的数学符号。
物理模型在初中物理教育与教学中起到举足轻重的作用,因此,在教学中我们就要重视对物理模型概念和具体模型(例如上文分析的模型)的讲述,重视对建立物理模型方法的讲授,重视对学生建立和应用物理模型意识的增强,重视对学生建立和应用物理模型能力的培养,让学生体验到成功建立和应用物理模型解决实际问题的快乐。
参考文献
【1】刘玉胜,物理模型在教学中的运用,东平县实验中学。
过程模型;理想化实验;数学模
型
〔中图分类号〕 G633.7
〔文献标识码〕 A
〔文章编号〕 1004―0463(2014)
24―0058―01
物理模型是物理学研究的重要方法和手段,物理教育和教学中对物理模型的讲授是必不可少的。建立物理模型就要忽略次要因素以简化客观对象。合理简化客观对象的过程就是建立物理模型的过程,根据简化过程和角度的不同,可以将物理模型分为以下五类:物理对象模型、物理条件模型、物理过程模型、理想化实验和数学模型。下面,笔者就对这五种模型作详细阐述。
一、 物理对象模型
这种模型是直接将具体研究对象的某些次要因素忽略掉而建立的,它的应用最为广泛。例如,质点就是忽略运动物体的大小和形状,而把它看成一个有质量的几何点,其条件是在所研究的问题中,实际物体的大小和形状对本问题研究的影响小到可以忽略不计。这样以来,很多类型的运动描述就得到化简。比如所有做直线运动物体都可以看成质点。因为做直线运动的物体的每一个部分每时每刻都做同样的运动,所以就可以忽略其大小和形状,只需要找这个物体上的一个点进行概括,当然这个点的质量等于物体本身的质量。这样,直线运动物体的运动轨迹就是一条直线,很容易想象、理解和刻画。
二、 物理条件模型
这种模型是忽略研究对象所处条件的某些次要因素而形成的,以轻质杆为例加以分析。比如杠杆,在初中阶段,问题往往归结到力矩的平衡上来,即动力×动力臂=阻力×阻力臂。动力和阻力都包括杠杆以外的物体对杠杆的作用力,还包括杠杆本身的重力。而杠杆重力的力臂在杠杆上的每一点都不同,这样除了杠杆的形状是几何规则的少数例子以外的绝大部分杠杆问题在初中阶段就没法解决。而轻质杆的引入正好解决了这一问题。轻质杆是忽略了自身重力的弹性杆,当外界物体对杠杆的力矩远远大于杠杆自身重力的力矩或者与杠杆自身重力的力矩相互抵消时,就可以把杠杆当成轻质杆,杠杆受到的力矩只有外力矩,这样所有杠杆平衡问题都可以迎刃而解。
三、 物理过程模型
这种模型是忽略物理过程中的某些次要因素建立的。在初中物理中有:匀速直线运动、稳恒电流等。这些物理模型都是把物理过程中的某个物理量的微小变化忽略掉,把这个物理量看成是恒定的。因为这些量的变化量与物理量本身相比太小了,以至于可以忽略不计。这样不用考虑过程中物理量的复杂变化情况,而只考虑恒定过程,分析问题就容易多了。
四、 理想化实验
在大量实验研究的基础上,经过逻辑推理,忽略次要因素,抓住主要特征,得到在理想条件下的物理现象和规律的科学研究方法就是理想实验。理想化方法是物理科学研究和物理学习中最基本、应用最广泛的方法。初中物理中就有一个非常著名的理想化实验:伽利略斜面实验。伽利略的斜面实验有许多,现在列举其中的一个例子。同样的小球从同种材料同样高度的斜面上滑下来,在摩擦力依次减小的水平面上沿直线运动的路程依次增大。伽利略由此推知:小球在没有摩擦的水平面上永远做匀速直线运动(在理想条件下的物理现象)。牛顿又在此基础上建立了牛顿第一定律。无需多论,也足以见得理想实验应用的广泛和其重要性。
五、 数学模型
一、控制变量法在教材中的应用
控制变量法——就是实验者通过控制某个或某几个自变量保持不变,从而研究因变量与其中某一变量的关系的一种研究方法。
控制变量法在初中物理教材中运用是最普遍的一种方法。例如:在“怎样比较运动的快慢”一节开头的问题“同时启程的步行人和骑车人,我们怎样看出他们运动的快慢?同是百米运动员,我们是怎样比较他们运动快慢的?”教材问题的处理实际上已提供了研究V的两种方法:…通过控制变量t来研究V与s的关系;(2)通过控制变量s来研究V与t的关系。在教材中如:密度、压强、功率、电阻、欧姆定律等的研究,都采用了控制变量的研究方法。
二、等效法在教材中的应用
在研究平面镜成像时,我们用一根未点燃的蜡烛来代替点燃的蜡烛在镜中的像,以确定像的位置,这种物理的研究方法叫做等效法。
等效法在教材中也有多处体现,例如:在“探究浮力的大小”一节中“信息浏览”——王冠之谜和阿基米德原理,讲述的就是用等体积的水代替王冠体积的求体积的方法;“自我评价与作业”——曹冲称大象的故事,也说明了等体积代换的等效法。研究“液体的压强”也是通过固体压强的计算得出液体压强的计算方法。在测量大气压强的值试验中,托里拆利在实验中通过测量水银(液体)压强得出测量大气压强的值的方法,等等。
三、转换法在教材中的应用
分子运动看不见、摸不着,不好研究,但科学家可以通过研究墨水的扩散现象去认识它,这种方法在科学上叫做“转换法”。
转换法的运用使研究变得直观、具体。例如:“怎样认识和测量电流”,在比较电流大小时,教材在“活动1”是通过“把一只小灯泡用导线跟一节干电池连通,再把这只小灯泡跟两节干电池连通,注意观察这两种情况下小灯泡的发光亮度。”这一热效应试验来使学生认识电流大小和有无。课本中还有磁场、电流的磁场、内能等许多规律的认识都是通过转换的方法来认识的。
四、类比法在教材中的应用
类比法是从两个或两类对象中某些共有的相同或相似的属性,推出一个对象可能具有的另一个对象或另一类对象已经具有的属性的一种研究方法。
类比是非逻辑创造思维形式中主要的形式之一。通过类比法能有效地揭示自然规律,促进创造思维的发展,达到“它山之石,可以攻玉”的效果。初中物理教材运用类比法对阐述某些较抽象的概念,从而使学生领悟其实质,例如“怎样认识和测量电压”,将电流类比于水流,将电流形成的原因“电位差”类比于水流形成的原因“水位差”,学生通过旧和新的知识的迁移领悟电压这一较为抽象的概念;在“怎样认识和测量电流”,在“最快的信使”一节,都运用类比的方法,它有利于克服初中生抽象思维能力较差对学习造成的障碍,使教学得以顺利进行。
五、建立模型法在教材中的应用
为了研究的方便,一般是将复杂的事物经过科学的抽象,成为简单的模型,使复杂的实际问题转化为理想的、简单的问题来处理。这样的一种研究方法,在物理学中称之为建立模型法。物理模型的建立方法有很多种:模拟式物理模型、实体理想化模型、系统理想化模型、过程理想化模型,例如:“磁场”的定义,“光线”的概念,这种模拟式物理模型使一些看不见、摸不到的客观事物变得具体化、形象化,并显示出客观的主要特征,方便了对其性质、特点及规律的研究。另外,“简单机械”中的杠杆、滑轮、不变形不计质量的绳索;“点光源”、“薄透镜”、“纯电阻”。再有,理想化模型的“匀速直线运动”,等等。对于一定问题中的研究对象,通过模型法,充分近似的,也便于讨论和计算。物理学家在研究中采用的方法有多种,在初中物理教材中主要是应用了以上几种方法,当然其他方法也有所提及,在此不再一一细谈。
1.初、高中物理难易程度不同
初中物理教材编写形式主要是探究、演示、想想做做、想想议议、STS(科学•技术•社会)、科学世界、动手动脑学物理、我还想知道等。探究是让学生自己动手动脑模拟科学家的工作过程,感受获得知识的途径,体会科学研究的方法,不触及现象的本质。演示是教师向学展示一些物理现象。想想做做、想想议议是课堂中一些学习活动,主要是学生描述物理现象的特征或口头表达自己的观点。动手动脑学物理,学生动手实验的器材在生活中容易找到,制作没有难度;小资料的内容学生容易阅读,没有太多抽象的内容。教材内容的难易度决定了初中物理是以介绍物理现象和规律为主,利于培养初中学生学习物理的兴趣,为学习高中物理打基础。学生学习后很有成就感,初中学生对物理学科的喜爱程度高。高中物理教材编写形式主要是实验、思考与讨论、说一说、做一做、演示、科学漫步、问题与练习等。与初中的难度不同,如探究实验是在未知某一物理现象的本质规律之前,主动探究物理现象的本质规律。高中物理描述的物理现象复杂,解决这些问题的方法已被抽象为相应的模型,比较抽象,这是高中学生遇到的难点之一。物理教材的内容通过模型化抽象和数学化描述,通过抽象概括、假说、逻辑推理来揭示物理现象的本质和变化规律,研究的问题涉及的物理量多,变化比较复杂,学生接受难度大。另外,高中物理教材对物理概念和规律的表述严密,对物理问题的分析推理科学、严谨,逻辑性强。科学漫步的内容都有较强的知识性,学生阅读难度大,不易读懂。学生学习就有困难,因此喜爱物理学科的人越来越少。
2.初、高中物理实现教学目标的方法不同,思维能力要求不同
初中阶段物理教学目标是以了解物理现象和规律为主,向学生简单介绍探究物理现象的方法和步骤,且多以直观教学为主,知识的获得是建立在形象思维的基础之上的;高中物理是进一步提高科学素养,注重过程与方法,知识的获得是建立在抽象思维基础之上的,高中物理教学要使学生的思维逐步从形象思维过渡到抽象思维。初中阶段教学通常是直观介绍物理现象和规律,不触及物理现象的本质;高中物理教学,要求学生了解知识的来源,是对物理现象本质的认识,这就要求学生具备一定的抽象思维能力。
3.学生的学习方法与学习习惯不适应高中物理教学要求
初中阶段物理教学一般不涉及物理现象的本质,概念和规律性的知识常用文字描述,只需简单记忆就成了。课堂上教师讲解例题计算题居多,由于不要求了解知识的来源,学生几乎不了解计算公式的适用条件,学生练习时只需在课堂上模仿教师的做法,记下解题的步骤,套用公式,这就养成了机械记忆的学习习惯。高中物理教学要实现“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三维目标,教材内容,就决定了学习高中物理要了解知识的来源,要通过抽象、概括、推理才能揭示现象的本质,才能找到现象的变化规律。因而高中物理,现象多,关系复杂多变,解决问题的过程就是实现“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三维目标的过程,很注重细节。有的学生仍采用初中的那套方法对待高中物理学习,解题时就现出“读不懂题目的意思或找不出题目的隐含条件,对物理公式的意义和适用条件搞不清楚”的现象,学生往往不知从何下手,这样就使学生感到物理难学、难懂。
4.数学应用能力达不到高中物理教学要求
物理学科的原理、定律需要用数学关系表达。(1)物理规律的数学表达式增多,物理量间的变化规律复杂,初中阶段描述运动规律的只有一个公式,涉及三个物理量和一个常量;高中阶段描述匀变速直线运动常用的物理量有近10个之多,每个公式涉及四个物理量。有矢量,也有标量,有常量,也有变量,并且各公式有不同的适用范围,这是高中学生学习物理难点之一。(2)用图像表达物理量之间的关系,描述物理过程。(3)矢量运算广泛。矢量运算是学生进入高中遇到的难点之一。小学到初中,标量运算规则很熟练,高中阶段的矢量运算,接受平行四边形法则,是对运算规律不同的认同,也是对运算规律认识从感性到理性的飞跃。这是数学应用能力跟不上高中物理教学要求的问题。(4)应用数学图像描述物理量间的关系,不懂斜率的含义。高一新生掌握的数学知识及数学知识的应用能力都达不到高中物理的要求,这是学科间存在的衔接问题。
二、有效做好初、高中物理教学衔接的几点思考
1.调查初、高中学生解决问题的方法
(1)初中物理从观察、实验入手,内容形象直观。目的是培养学生初步的观察、实验能力,初步的分析、概括能力和应用物理知识解决简单问题的能力。(2)高中物理内容科学、严谨,知识结构逻辑性强,循序渐进,内容表述言简意赅、条理分明、深入浅出。三维目标中更重视“过程与方法”目标的实现。
2.注重构建“质点”模型,化有形为无形
初中物理教材所描述的物理现象形象具体,就“物体”这一概念而言是一个看得见、摸得着的具体物体。高中物理教学中,有效构建“质点”模型,是教学的难点。“质点模型”的核心是“突出主要因素,忽略次要因素”,是一种替代方法,构建“质点模型”的过程是让学生逐渐淡化物体的具体形状,认识到忽略物体的形状,把物体当作一个有质量的点,这样能更好地解决问题,学生怎么才能认同“质点”?为此,教师应做好物理实验,如不妨做做牛顿管自由落体实验,羽毛、小石块、纸片、铁块同时落下,研究这些物体的下落就跟物体的形状无关了,就可用一个点替代物体了。什么条件下点能替代物体?概括起来就是定理、定律的适用条件。能有效构建“质点模型”,学生对重心的概念,共点力的概念就容易理解了。
3.重视物理量的矢量运算
初中物理的计算往往是标量计算,数学问题简单,学生容易解决。进入高中,矢量运算贯穿于高中物理的全程,涉及力、速度、加速度的合成与分解,还有动量、冲量等,是高中物理教学中必须解决的问题。初中阶段“同一直线上力的合成”是高中阶段物理量的矢量运算的衔接点。
4.教学要坚持循序渐进的原则
一、高一物理台阶存在的原因
1.初、高中教材内容深度、覆盖面及表述方式和要求的悬殊,是造成台阶的原因之一。
初中物理介绍物理量重点讲它的量度、定义,而对其物理意义讲解较少。整体来说,初中力学特点是内容浅、涉及面窄,介绍客观现象多,抽象概念少,介绍静态多而动态少。高中力学介绍的内容的特点是直观的少,抽象的多;静态的少,动态的多。特别是,高中物理对概念和规律的理解和应用要求较高,注重应用,更注重过程的分析和逻辑推理。因此,难度较初中大,这是形成台阶的客观因素。
2.学生完成初中到高中的学习思维过渡比较困难,存在思维障碍。
根据皮亚杰的儿童思维发展理论,中学生思维从初步逻辑思维向抽象思维过渡。初中生的思维处于具体运算阶段,离不开具体事物的支持。物理知识建立在形象思维的基础上,初中物理学习内容基本适应学生的思维发展水平。高中物理研究对象大多是理想模型,学生要会运用抽象思维获得物理知识,在头脑中把形式和内容分开,离开具体事物,根据假设进行逻辑推理。多数高一学生的抽象思维正从经验性思维向理论性思维过渡,其中经验思维仍占优势,思维在很大程度上仍依靠具体经验材料,不善于从理论上进行演绎推导。而高中物理有相当严密的推理系统,始终强调抽象思维,学生的思维水平很难很快适应高中物理思维抽象程度的要求,故造成了进一步学习物理的困难。
3.消极的心理暗示,造成了先入为主。
据相关调查资料显示:未进入高中前,被他人告知“高中物理难学”的学生占50%以上,这在“中”等生中尤为明显(比例达70%),而在“好”、“差”生中较少(比例分别为15%,22%)。可见在对高中物理一无所知的情况下,半数以上的学生,对物理学科存在畏惧感。这种先入为主的人为因素,消极的心理暗示,使学生产生畏惧心理,对能否学好物理产生动摇,失去信心,给高中物理教学造成无形障碍。
4.对数学应用能力要求的提高也是形成台阶的一个原因。
初中物理较多的是从定性来分析,而高中物理更注重定量分析,这就对学生的数学应用能力提出了更高要求。初中的物理习题,以简单论理和算术法计算,辅之简单的代数计算,而高中过渡到以逻辑推理和代数法计算为主,并大量使用函数、矢量运算、图像等。由单一直线问题发展到平面,再加上分析、推理、计算三方面的综合应用,高一学生普遍感到困难。例如在力学中要用到解直角三角形,虽然学生在初中学过,但要应用到力学中,大多数学生还是存在困难。
从以上分析可以看出对于大多数学生来说,高中物理学习存在障碍,根据笔者多年的教学经验,可采取有效的教学措施,减小台阶跨度,帮助学生跨越台阶。下面谈几点做法。
二、帮助学生跨上台阶的具体做法
1.加强直观性教学,提高学生学习物理的兴趣。
兴趣是最好的老师。因此在学生进入高中时,要加强兴趣教育。加强直观教学是有效措施之一。这也符合学生的认知规律,从直观到复杂,从形象到抽象。在教学中,尽量多采用直观形象的教学方法。课堂上多做一些实验,多举一些实例,帮助学生“想象”、理解和掌握物理概念。例如,讲重心概念时,做“单指顶铅笔”实验;讲静摩擦力时,做“筷子提沙桶”实验;讲惯性时,做“皮球碰铅球”实验,等等。通过实物演示的直观教学使抽象的物理概念与生活实例联系起来,变抽象为形象,变枯燥为生动,从而提高学生的物理学习兴趣,使学生更好、更快地适应高中物理教学。
2.注重基本技能的培养,为跨上台阶提供工具。
扎实的基础是学生学习的根本。例如:正确分析物体的受力,画好受力图是解决力学问题的基础;正确分析物理过程,是解决力学问题的前提;熟练运用数学知识是解决力学问题的保证。因此要从一开始,就要有意识地培养这些基本技能。需要扎实规范地训练,帮助学生打好坚实基础,使得学生形成良好的物理素养。比如:要掌握正确受力分析方法,应使学生养成按顺序分析、检查的习惯;对物理过程的分析,先从简单问题入手,逐步过渡到复杂问题。图像问题,先要搞清物理意义。通过这些训练,培养学生良好的基本技能,为跨越台阶提供强有力的支撑。
3.加强思维能力的培养,为跨上台阶扫除障碍。
前面提到,高中物理学学习的最大障碍是思维的障碍。物理中的概念和规律都是从大量现象中抽象总结出来的,因此,要教给学生学会从物理现象中抽象出物理概念、理解其物理意义的方法。高中物理更强调逻辑推理和抽象思维,一个重要方法就是理想化――理想化模型和理想化过程的建立。高一学生由于科学的抽象和概括能力差,使理想化模型和理想化过程的建立遇到了困难。为了使学生掌握这种科学抽象和概括的思维方法,第一,应使学生明确建立概念和模型的事实根据及过程,知道它的适用范围和适用条件。如建立“质点”这个理想化模型,首先要使学生明确引入质点是为了突出物体具有质量这一特征,而忽略物体具有大小这一次要因素。其次要使学生明确什么情况下物体可看做质点(大小可忽略),什么情况下不能看做质点。第二,应使学生学会把实际的物体或过程,在某些条件下看做是学过的模型或过程中的哪个模型或过程,这是运用知识解决实际问题的关键。
需要注意的是,学生的抽象思维能力在教师的诱导下是可以通过反复示范、反复训练逐渐提高的。思维能力的培养与提高不可操之过急,应在解决具体的物理问题中逐步培养和提高。
4.降低台阶高度,化大台阶为小台阶,帮助学生树立信心。
物理实验 设计方法
一、物理实验常用的设计方法转换法:借助于力、热、电、光、机械等方法之间的互相转换,实现可观察、容易观察或观察效果明显的目的;对比法:通过对比达到辨异求同或者同中寻异,从而打开思路,获得解决问题的方法;平衡法:当矛盾双方平衡时,从物理学角度讲总对应一个平衡方程式,最简单的情况是方程的一侧为已知量,另一侧为未知量,据此,可用于指导实验的设计;放大法:利用扩音机、幻灯机等设备把微小的声音或图像信息进行放大,这是大家都熟悉的方法。
二、物理实验中的数学方法1.几何图形法(或图示法)。例如:测锥体的高及圆的直径;运用几何作图法说明,光的反射定律、平面镜成像、潜望镜、光的折射现象、水中筷子的弯折、凸透镜或凹透镜对光线的会聚或发散作用。2.叠加平均法。初中物理实验中主要运用了算术平均数的方法即把测定的若干数相力球和,然后除以给定的个数。例如:测纸厚;测细金属丝直径;测短棉线质量;伏安法测电阻。3.比例法(或简单函数关系法)。例如:弹簧伸长与外力的关系;温度计的刻度;欧姆定律。4.表格法。例如:研究摩擦力与哪些因素有关;滑轮组的机械效率;电流强度与电压的关系等实验。
三、物理实验中的思维方法1.分析法。人们思维的过程就是分析的过程,实验的过程是离不开分析的。例如:惯性球实验中,为什么小球留在原处就说明物体有惯性;测定滑动摩擦力的实验中,为什么弹簧秤的读数是木块与桌面之间的摩擦力数值;应该如何解释空气有重量的实验原理;分子引力实验中,为什么两铅柱紧密接触后不易拉开,就联想到由于分子引力的结果;欧姆定律实验中,如何从实验结果归纳实验公式等等,都必须借助于分析。2.理想实验法。它是人们在真实的科学实验的基础上,以科学实验为依据,运用逻辑推理对实际的物理过程进行深入的分析,忽略次要矛盾,抓住主要矛盾进而在思想中塑造的理想过程和分析方法。初中物理研究牛顿第一定律的斜面实验就运用了这种理想实验的思维方法。3.物理模型法。它是在实验基础上对物理事实的一种近似、形象的描写,物理模型的建立,往往会导致理论上的飞跃。初中实验中运用物理模型的典型有四处:根据实验建立液体压强公式时,运用理想液柱的模型;分析连通器原理时运用理想液片模型;研究光学现象时运用“光线”模型;研究磁场时运用磁力线模型。4.反向探求法。当沿着某―方向思考不得求解时,不妨变换一下方向,倒过来思考,可能会得到启发并导致新的发现。法拉第就是在这种思想指导下研究电磁感应现象的。
物理模型问题的研究离不开对于现实现象的深入思考,很大程度上要求对于本质的追求,而对于次要因素一般采用忽视的方式。抽象出来的实际问题不再是原来的问题,但是可以显示出问题的根本性质,这种方式就是物理模型的思考方式。例如,针对某一个实际物体在平面上运动的具体规律时候,可以要求学生忽略摩擦力的次要条件,这样就可以获得相应的平面运动规律,得出一定的结论之后,在进行有摩擦力条件下的考虑,这样就可以在很大程度上降低研究的难度。可以说,抽象研究可以有效地保证研究的顺利进行,当然,需要进行对事物本质的规律进行抽象,而不是对于次要条件的抽象。而对于物理模型的特征主要有以下两个方面:
首先,初中物理中的模型是抽象性和形象性的统一。对于主要因素的把握,是我们研究过程中的主要问题,通过一定的处理方式来探寻相应的事物规律,继而通过不同的方式来实现由一般性向普遍性转变,这种方式具有直观性的特点。对于模型的研究,水平运动的研究,可以采用质点作为研究对象加以研究其具体规律。
其次,物理模型是科学性和假定性的辩证统一[1]。这种方式需要加以必要专业知识作为基础,不仅仅表现出相应的物体直观形象,更可以用过逻辑推理来验证事物发展规律。可以说,理想模型来源于现实,又高于现实,作为一种科学的抽象思维的表现形式,在经过一定的严密的验证之后,就可以表示事物发展的规律。
二、初中物理模型的构建程序
(1)分析研究对象原型特征
物理研究中对于模型的建立首要要求就是提取出正确的事物本质特征,能够做出合理的抽象是成功的第一步。对实际问题的解决,建立相应的模型是一种非常明智的选择。例如要建构“质点”这个模型,需要在开始之前就充分的认识到,质点在研究总具有何种意义,如何情况下可以使用这种简化。
(2)确定影响研究对象的主、次因素
对于主要矛盾的把握,是建立模型进行研究的根本性要求,对于次要问题的忽略,可以有效的凸显出关乎事物发展的规律,从而更好的指导人们解决实际问题。如果建模过程中,对于主要矛盾和次要矛盾的把握不到位,那么不仅仅不会得出正确的结论,反而会把人带入误区。因此,对于事物发展过程中的主要因素和次要因素等方面的重视,是成功研究出问题的基本要求。这样,对于学生创新思维的养成可以起到一个很好的推动作用,同时对于教师对于课堂内容和课堂节奏的把握都能够提供必要的帮助。
(3)把握住研究对象本质特征并做出合理抽象
通过上文的分析,我们可以清楚的认识到,本质和主要影响因素对于研究事物发展规律的重要性。从中,物理模型对于物理研究的重要性就不言而喻了。为了更好的解决实际问题,有必要要求物理研究表现出物理现象的本质,对于事物的本质和现象之间的联系的揭示,是物理研究的重要内容[3]。
通过上文的论述,我们可以得知,一个正确的物理模型对于物理研究具有的重大意义。这种模型的建立,要求必须有相应的研究数据作为支持,是对这些数据经过人脑处理的总结,具有一定的客观性的同时,也具有高度的抽象性。并且,一个模型的优良与否,要求必须经过实践的检验,同时配合修正手段加以完善。
三、初中物理模型的构建应用
为了学生构建模型,引导学生通过实验,探究平面镜成像时像与物的关系,理解平面镜成像的主要特点,知道实像与虚像之间的区别,通过探究平面镜成像特点的过程,学习通过观察提出假想,制定探究计划,动手操作,收集证据和分析概括等多方面的研究能力;能用对称法画出平面镜的虚象。
在桌子上放两摞书,图1中那样把一块玻璃直立在桌子上.在玻璃的前方放一支蜡烛(为了便于移动它,你可以把蜡烛尾部烧熔;然后把蜡烛粘在一个旧瓶盖里).在玻璃的后面,放一只盛水的大玻璃杯.玻璃杯玻璃之间的距离,要和蜡烛到玻璃之间的距离完全相等.
拉上窗帘,使屋子变暗,从蜡烛这边向玻璃望去,就会看到一个奇怪的现象——蜡烛正在水中燃烧.
三、结论
初中物理教学中,利用物理模型的方式进行教学,不仅仅可以体现初中课本知识中的难点和热点,同样对于初中素质教育中,学生的实际研究能力的提高起到了至关重要的现实意义。虽然在一定程度上,物理模型的建立具有一定的局限性这个问题,但是实践教学过程中,这种方式对于学生更好的理解物理问题起到了非常重要的作用,在教学方法中占有重要地位。与此同时,合理利用模型来进行教学任务,对于学生的知识结构框架的搭设和学生个人实际动手能力的提高,都有着不可估量的重要意义。
参考文献
[1]卞志荣.计算繁琐不易求,面积解题显神通[J].中学物理教学参考,2005(12):30.
【关键词】高中物理 障碍 措施
【中图分类号】G420 【文献标识码】A 【文章编号】1006-5962(2012)12(b)-0147-01
高一年级与初中相比,物理教学要求处于不同层次,教材难度明显提高,新课程高一物理教材,更注重促进学生发展能力方面的作用,重视学生在活动、实验、制作、讨论、研究等方面的评价。因此搞好高一与初中教学的衔接对学生学好高中物理课具有积极意义。那么,在新的课程理念下,如何进行高一物理教学呢?
1 物理学习障碍产生原因的初步分析
1.1从定性到定量
初中物理对许多物理问题都重在定性分析,即使进行定量计算,一般来说也是比较简单的。而高中物理教学,大部分物理问题不单是作定性分析,而且要求进行大量的有的是相当复杂的定量计算。学生对这种从定性到定量的飞跃不适应。
1.2从形象思维到抽象思维
初中物理教学基本上是建立在形象思维基础上的,它以生动的自然现象和直观的实验为依据,从而使学生通过形象思维获得知识。进入高中后,物理教学便从形象思维向抽象思维领域过渡。从目前的教材来看,这个台阶是较高的。如高一物理教材中的静摩擦力的方向,瞬时速度,物体受力情况分析,运动的合成与分解等都要求学生有较强的思维能力。从人的认识过程来看,从形象思维到抽象思维是认识能力的一大飞跃。
1.3从通常是单因素的简单逻辑思维到多因素的复杂逻辑思维
初中生进入高一以后普遍不会解题,要么就乱套公式,瞎做一气。其中一个重要的原因就是缺乏较为复杂的逻辑思维能力。不善于判断和推理;不会联想;缺乏分析、归纳、演绎的能力。在这一点上,学生与学生之间存在的个体差异也是很大的。
1.4在运用数学工具解决物理问题上
从单纯的算术、代数方法到函数、图象、矢量运算、极值等各种数学工具的综合应用的变化。运用数学工具解决物理问题在初中物理教学中并不突出,到高中物理教学中已经成为能否处理各种实际问题的至关重要手段了。特别应该指出的是,高中物理中的矢量概念和运算对初中学生来说是非常生疏和困难的。建立这个概念,掌握其运算需要一个过程。
1.5学习方法上的变化
初中学生更多的习惯于由教师传授知识,而高中物理学习中在相当程度上则要求学生独立地或在教师指导下主动地去获取知识。此外,高中物理学习中的理解和记忆相比,越来越显得重要。许多学生对这种学习方法上的变化也需要一个适应的过程。
2 教学中采取的措施
2.1注意新旧知识的同化
同化是把新学习的物理概念和物理规律整合到原有认知结构的模式之中,认知结构得到丰富和扩展,但总的模式不发生根本的变化。教师在教学过程中,帮助学生以旧知识同化新知识,使学生掌握新知识,顺利达到知识的迁移。高中教师把高中教材研究的问题与初中教材研究的问题在文字表述、研究方法、思维特点等方面进行对比,明确新旧知识之间的联系与差异。选择恰当的教学方法,使学生顺利地利用旧知识来同化新知识。
2.2改进课堂教学,提高学生思维能力水平改进课堂教学,每一节课都设法创造思维情境,组织学生的思维活动,培养学生的物理抽象能力、概括能力、判断能力和综合分析能力
在物理概念和规律教学中,按照物理学中概念和规律建立的思维过程,引导学生运用分析、比较、抽象、概括、类比、等效等思维方法,对感性材料进行思维加功,抓住主要因素和本质联系,忽略次要因素和非本质联系,抽象概括出事物的物理本质属性和基本规律,建立科学的物理概念和物理规律,着重培养、提高学生抽象概括、实验归纳、理论分析等思维能力水平;在讲解习题时,采用进行一题多解或一题多变的方法,培养学生的思维策略的选择和运用的能力。
2.3加强直观教学
(1)通过增加演示实验,图形分析,用实际问题和小实验表演编制饶有趣味的习题以及形象生动的语言助以手势等各种方法,加强形象思维的效果,并注意形象思维到抽象思维的过渡,尽量做到抽象思维形象比。不能让学生停留在形象思维上,而要让学生借助于形象思维来进行抽象思维,有意识地进行引导和过渡。(2)化整为零,消化知识硬块。具体办法是编制小型的基础训练题,这些训练题概念性强,不需要什么计算,又针对学生思维上的弱点,把抽象思维具体化,把一个复杂的思维过程分割成数个简单的思维过程,从而帮助学生克服台阶。(3)先快后慢。为使学生有个适应过程,在教材的安排上做到先快后慢,逐步过渡。
2.4加强实验教学
物理学是一门以实验为基础的科学,离开了实验必将寸步难行,在教学中,教师应通过各种手段加强实验教学,特别是研究性实验的教学。
2.5加强物理模型的教学
以简单的月亮环绕地球的运动来说,如果不引入质点这个模型,月地之间的距离就不知从何算起,运动轨道也就多得数不清。就高中物理来说,无一处不是在研究物理模型,其一是研究对象的理想化,如质点、弹簧振子、单摆等。其二是研究过程的理想化,如匀速直线运动、自由落体运动、简谐振动等。要充分利用这些模型去教学,培养学生分析问题和解决问题的能力。当然正确的模型毕竟是人类对事物一定层次认识的反映,但在通向真理的征途上起着阶梯的作用,对高一学生来讲,这个阶梯非常重要。
2.6树立学生学习信心
一、高一物理教师要重视教材与教法研究
根据教育心理学理论“当新知识与原有知识存在着较大梯度,或是形成拐点时;当学生对知识的接受,需要增加思维加工的梯度时,就会形成教学难点。所以要求教师对教材理解深刻,对学生的原有知识和思维水平了解清楚,在会形成教学难点之处,把信息传递过程延长,中间要增设驿站,使学生分步达到目标;并在中途经过思维加工,使部分新知识先与原有知识结合,变为再接受另一部分新知识的旧知识,从而使难点得以缓解。”
所以,高一物理教师要研究初中物理教材,了解初中物理教学方法和教材结构,知道初中学生学过哪些知识,掌握到什么水平以及获取这些知识的途径,在此基础上根据高中物理教材和学生状况分析、研究高一教学难点,设置合理的教学层次、实施适当的教学方法,降低“台阶”,保护学生物理学习的积极性,使学生树立起学好物理的信心。
二、讲清讲透物理概念和规律,使学生掌握完整的基础知识,培养学生物理思维能力
培养能力是物理教学的落脚点。能力是在获得和运用知识的过程中逐步培养起来的。在衔接教学中,首先要加强基本概念和基本规律的教学。要重视概念和规律的建立过程,使学生知道它们的由来;对每一个概念要弄清它的内涵和外延,来龙去脉。讲授物理规律要使学生掌握物理规律的表达形式,明确公式中各物理量的意义和单位,规律的适用条件及注意事项。了解概念、规律之间的区别与联系,如:运动学中速度的变化量和变化率,力与速度、加速度的关系,动量和冲量,动量和动能,冲量和功,机械能守恒与动量守恒等,通过联系、对比,真正理解其中的道理。通过概念的形成、规律的得出、模型的建立,培养学生的思维能力以及科学的语言表达能力。
在教学中,要努力创造条件,建立鲜明的物理情景,引导学生经过自己充分的观察、比较、分析、归纳等思维过程,从直观的感知进入到抽象的深层理解,把它们准确、鲜明、深刻地纳入自己的认知结构中,尽量避免似懂非懂“烧夹生饭”。
三、要重视物理思想的建立与物理方法的训练
中学物理教学中常用的研究方法是:确定研究对象,对研究对象进行简化建立物理模型,在一定范围内研究物理模型,分析总结得出规律,讨论规律的适用范围及注意事项。例如:平行四边形法则、牛顿第一定律建立都是如此。建立物理模型是培养抽象思维能力、建立形象思维的重要途径。要通过对物理概念和规律建立过程的讲解,使学生领会这种研究物理问题的方法;通过规律的应用培养学生建立和应用物理模型的能力,实现知识的迁移。
物理思想的建立与物理方法训练的重要途径是讲解物理习题。讲解习题要注意解题思路和解题方法的指导,有计划地逐步提高学生分析解决物理问题的能力。讲解习题时,要把重点放在物理过程的分析,并把物理过程图景化,让学生建立正确的物理模型,形成清晰的物理过程。物理习题做示意图是将抽象变形象、抽象变具体,建立物理模型的重要手段,从高一一开始就应训练学生作示意图的能力,如:运动学习题要求学生画运动过程示意图,动力学习题要求学生画物体受力与运动过程示意图,等等,并且要求学生审题时一边读题一边画图,养成习惯。
解题过程中,要培养学生应用数学知识解答物理问题的能力。学生解题时的难点是不能把物理过程转化为抽象的数学问题,再回到物理问题中来,使二者有机结合起来,教学中要帮助学生闯过这一难关。如在运动学中,应注意矢量正、负号的意义以及正确应用;讲解相遇或追击问题时,注意引导学生将物理现象用数学式表达出来;讲运动学图象时,结合运动过程示意图讲解,搞清图象的意义,进而学会用图象分析过程、解决问题。
四、培养学生良好的学习物理的习惯