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【論文摘 要】本文首先分析了物理模型在物理學及其發展中的重要性,然后結合初中物理教育和教學的特點分析了物理模型在初中物理教育教學中的重要意義,接下來本文又把初中物理模型按不同類型逐一分析,最后給出了方法論意義。
模型在我們日常生活、工程技術和科學研究中經常見到,對我們的生產生活有很大幫助。物理學研究具有復雜性。怎樣發現復雜多變的客觀現象背后的基本規律呢?又如何簡單的表達它們呢?人們有幸在漫長地實踐活動中找到一些有效的方法,其中一個就是:在具體情況下忽略研究對象或過程的次要因素,抓住其本質特征,把復雜的研究對象或現象簡化為較為理想化的模型,從而發現和表達物理規律。
既然物理模型是物理學研究的重要方法和手段,物理教育和教學中對物理模型的講述和講授就必不可少。建立物理模型就要忽略次要因素以簡化客觀對象,合理簡化客觀對象的過程就是建立物理模型的過程。根據簡化過程和角度的不同,將物理模型分為以下五類:物理對象模型、物理條件模型、物理過程模型、理想化實驗和數學模型。【1】下面我們逐個加以說明。
(一)物理對象模型——直接將具體研究對象的某些次要因素忽略掉而建立的物理模型。這種模型應用最為廣泛,在初中物理教材中有許多很好的例子。例如:質點、薄透鏡、光線、彈簧振子、理想電流表、理想電壓表、理想電源和分子模型。作為例子,我們詳細分析質點。質點,就是忽略運動物體的大小和形狀而把它看成的一個有質量的幾何點。其條件是在所研究的問題中,實際物體的大小和形狀對本問題的研究的影響小到可以忽略。這樣以來,很多類型的運動的描述就得到化簡。比如所有做直線運動的物體都可以看成質點。因為作直線運動的物體的每一個部分每時每刻都做同樣的運動,所以就可以忽略其大小和形狀,而只找這個物體上的一個點作為概括,當然這個點的質量等于物體本身的質量。這樣,直線運動物體的運動軌跡就是一條直線,很容易想象、理解和刻畫。很多具體例子都可以這么做,例如以最大速度行駛在筆直鐵軌上的火車,沿著航空路線飛行的客機,從比薩斜塔上下落的鐵球,等等。
(二)物理條件模型——忽略研究對象所處條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、輕質桿、輕質滑輪、輕繩、輕質球、絕熱容器、勻強電場和勻強磁場等。我們以輕質桿為例加以分析。比如簡單機械里的杠桿,在初中階段問題往往歸結到力矩的平衡上來。即:動力×動力臂=阻力×阻力臂。動力和阻力都包括桿以外的物體對杠桿的作用力,還包括桿本身的重力。而桿重力的力臂在桿上的每一點都不同,這樣除了桿的形狀是幾何規則的少數例子以外的絕大部分杠桿問題在初中階段就沒法解決。而輕質桿的引入正好解決了這一問題。輕質桿是忽略了自身重力的彈性桿。當外界物體對杠桿的力矩遠遠大于桿自身重力的力矩或者桿自身重力的力矩相互抵消時,就可以把桿當成輕質桿,杠桿受到的力矩只有外力矩,這樣所有杠桿平衡問題都可以迎刃而解。
(三)物理過程模型——忽略物理過程中的某些次要因素建立的物理模型。在初中物理中有:勻速直線運動、穩恒電流等。這些物理模型都是把物理過程中的某個物理量的微小變化忽略掉,把這個物理量看成是恒定的。因為這些量的變化量與物理量本身相比太小了,以至于可以略去不計。這樣不用考慮過程中物理量的復雜變化情況而只考慮恒定過程,分析問題就容易多了。
(四)理想化實驗——在大量實驗研究的基礎上,經過邏輯推理,忽略次要因素,抓住主要特征,得到在理想條件下的物理現象和規律的科學研究方法就是理想實驗。理想化方法是物理科學研究和物理學習中最基本、應用最廣泛的方法【2】。初中物理中就有一個非常著名的理想化實驗:伽利略斜面實驗。伽利略的斜面實驗有許多,現在舉其中的一個例子,同樣的小球從同種材料同樣高度的斜面上滑下來,在摩擦力依次減小的水平面上沿直線運動的路程依次增大。伽利略由此推知:小球在沒有摩擦的水平面上永遠做勻速直線運動(在理想條件下的物理現象)。牛頓又在此基礎上建立了牛頓第一定律。無需多論,也足以見得理想實驗的強大力量。
(五)數學模型——由數字、字母或其它數學符號組成的、描述現實對象數量規律的數學公式、圖形或算法。【3】初中物理中的數學模型主要有磁感線和電場線。磁感線(電場線)是形象的描述磁感應強度(電場強度)空間分布的幾何線,是一種數學符號。而磁場和電場本身的性質對這些幾何線做了一些規定,例如空間各點的電場強度是唯一的規定了電場線不相交。這樣就使它們成為形象、簡練而準確的描述磁場和電場的數學符號。
物理模型在初中物理教育與教學中起到舉足輕重的作用,因此,在教學中我們就要重視對物理模型概念和具體模型(例如上文分析的模型)的講述,重視對建立物理模型方法的講授,重視對學生建立和應用物理模型意識的增強,重視對學生建立和應用物理模型能力的培養,讓學生體驗到成功建立和應用物理模型解決實際問題的快樂。
參考文獻
【1】劉玉勝,物理模型在教學中的運用,東平縣實驗中學。
過程模型;理想化實驗;數學模
型
〔中圖分類號〕 G633.7
〔文獻標識碼〕 A
〔文章編號〕 1004―0463(2014)
24―0058―01
物理模型是物理學研究的重要方法和手段,物理教育和教學中對物理模型的講授是必不可少的。建立物理模型就要忽略次要因素以簡化客觀對象。合理簡化客觀對象的過程就是建立物理模型的過程,根據簡化過程和角度的不同,可以將物理模型分為以下五類:物理對象模型、物理條件模型、物理過程模型、理想化實驗和數學模型。下面,筆者就對這五種模型作詳細闡述。
一、 物理對象模型
這種模型是直接將具體研究對象的某些次要因素忽略掉而建立的,它的應用最為廣泛。例如,質點就是忽略運動物體的大小和形狀,而把它看成一個有質量的幾何點,其條件是在所研究的問題中,實際物體的大小和形狀對本問題研究的影響小到可以忽略不計。這樣以來,很多類型的運動描述就得到化簡。比如所有做直線運動物體都可以看成質點。因為做直線運動的物體的每一個部分每時每刻都做同樣的運動,所以就可以忽略其大小和形狀,只需要找這個物體上的一個點進行概括,當然這個點的質量等于物體本身的質量。這樣,直線運動物體的運動軌跡就是一條直線,很容易想象、理解和刻畫。
二、 物理條件模型
這種模型是忽略研究對象所處條件的某些次要因素而形成的,以輕質桿為例加以分析。比如杠桿,在初中階段,問題往往歸結到力矩的平衡上來,即動力×動力臂=阻力×阻力臂。動力和阻力都包括杠桿以外的物體對杠桿的作用力,還包括杠桿本身的重力。而杠桿重力的力臂在杠桿上的每一點都不同,這樣除了杠桿的形狀是幾何規則的少數例子以外的絕大部分杠桿問題在初中階段就沒法解決。而輕質桿的引入正好解決了這一問題。輕質桿是忽略了自身重力的彈性桿,當外界物體對杠桿的力矩遠遠大于杠桿自身重力的力矩或者與杠桿自身重力的力矩相互抵消時,就可以把杠桿當成輕質桿,杠桿受到的力矩只有外力矩,這樣所有杠桿平衡問題都可以迎刃而解。
三、 物理過程模型
這種模型是忽略物理過程中的某些次要因素建立的。在初中物理中有:勻速直線運動、穩恒電流等。這些物理模型都是把物理過程中的某個物理量的微小變化忽略掉,把這個物理量看成是恒定的。因為這些量的變化量與物理量本身相比太小了,以至于可以忽略不計。這樣不用考慮過程中物理量的復雜變化情況,而只考慮恒定過程,分析問題就容易多了。
四、 理想化實驗
在大量實驗研究的基礎上,經過邏輯推理,忽略次要因素,抓住主要特征,得到在理想條件下的物理現象和規律的科學研究方法就是理想實驗。理想化方法是物理科學研究和物理學習中最基本、應用最廣泛的方法。初中物理中就有一個非常著名的理想化實驗:伽利略斜面實驗。伽利略的斜面實驗有許多,現在列舉其中的一個例子。同樣的小球從同種材料同樣高度的斜面上滑下來,在摩擦力依次減小的水平面上沿直線運動的路程依次增大。伽利略由此推知:小球在沒有摩擦的水平面上永遠做勻速直線運動(在理想條件下的物理現象)。牛頓又在此基礎上建立了牛頓第一定律。無需多論,也足以見得理想實驗應用的廣泛和其重要性。
五、 數學模型
一、控制變量法在教材中的應用
控制變量法——就是實驗者通過控制某個或某幾個自變量保持不變,從而研究因變量與其中某一變量的關系的一種研究方法。
控制變量法在初中物理教材中運用是最普遍的一種方法。例如:在“怎樣比較運動的快慢”一節開頭的問題“同時啟程的步行人和騎車人,我們怎樣看出他們運動的快慢?同是百米運動員,我們是怎樣比較他們運動快慢的?”教材問題的處理實際上已提供了研究V的兩種方法:…通過控制變量t來研究V與s的關系;(2)通過控制變量s來研究V與t的關系。在教材中如:密度、壓強、功率、電阻、歐姆定律等的研究,都采用了控制變量的研究方法。
二、等效法在教材中的應用
在研究平面鏡成像時,我們用一根未點燃的蠟燭來代替點燃的蠟燭在鏡中的像,以確定像的位置,這種物理的研究方法叫做等效法。
等效法在教材中也有多處體現,例如:在“探究浮力的大小”一節中“信息瀏覽”——王冠之謎和阿基米德原理,講述的就是用等體積的水代替王冠體積的求體積的方法;“自我評價與作業”——曹沖稱大象的故事,也說明了等體積代換的等效法。研究“液體的壓強”也是通過固體壓強的計算得出液體壓強的計算方法。在測量大氣壓強的值試驗中,托里拆利在實驗中通過測量水銀(液體)壓強得出測量大氣壓強的值的方法,等等。
三、轉換法在教材中的應用
分子運動看不見、摸不著,不好研究,但科學家可以通過研究墨水的擴散現象去認識它,這種方法在科學上叫做“轉換法”。
轉換法的運用使研究變得直觀、具體。例如:“怎樣認識和測量電流”,在比較電流大小時,教材在“活動1”是通過“把一只小燈泡用導線跟一節干電池連通,再把這只小燈泡跟兩節干電池連通,注意觀察這兩種情況下小燈泡的發光亮度。”這一熱效應試驗來使學生認識電流大小和有無。課本中還有磁場、電流的磁場、內能等許多規律的認識都是通過轉換的方法來認識的。
四、類比法在教材中的應用
類比法是從兩個或兩類對象中某些共有的相同或相似的屬性,推出一個對象可能具有的另一個對象或另一類對象已經具有的屬性的一種研究方法。
類比是非邏輯創造思維形式中主要的形式之一。通過類比法能有效地揭示自然規律,促進創造思維的發展,達到“它山之石,可以攻玉”的效果。初中物理教材運用類比法對闡述某些較抽象的概念,從而使學生領悟其實質,例如“怎樣認識和測量電壓”,將電流類比于水流,將電流形成的原因“電位差”類比于水流形成的原因“水位差”,學生通過舊和新的知識的遷移領悟電壓這一較為抽象的概念;在“怎樣認識和測量電流”,在“最快的信使”一節,都運用類比的方法,它有利于克服初中生抽象思維能力較差對學習造成的障礙,使教學得以順利進行。
五、建立模型法在教材中的應用
為了研究的方便,一般是將復雜的事物經過科學的抽象,成為簡單的模型,使復雜的實際問題轉化為理想的、簡單的問題來處理。這樣的一種研究方法,在物理學中稱之為建立模型法。物理模型的建立方法有很多種:模擬式物理模型、實體理想化模型、系統理想化模型、過程理想化模型,例如:“磁場”的定義,“光線”的概念,這種模擬式物理模型使一些看不見、摸不到的客觀事物變得具體化、形象化,并顯示出客觀的主要特征,方便了對其性質、特點及規律的研究。另外,“簡單機械”中的杠桿、滑輪、不變形不計質量的繩索;“點光源”、“薄透鏡”、“純電阻”。再有,理想化模型的“勻速直線運動”,等等。對于一定問題中的研究對象,通過模型法,充分近似的,也便于討論和計算。物理學家在研究中采用的方法有多種,在初中物理教材中主要是應用了以上幾種方法,當然其他方法也有所提及,在此不再一一細談。
1.初、高中物理難易程度不同
初中物理教材編寫形式主要是探究、演示、想想做做、想想議議、STS(科學•技術•社會)、科學世界、動手動腦學物理、我還想知道等。探究是讓學生自己動手動腦模擬科學家的工作過程,感受獲得知識的途徑,體會科學研究的方法,不觸及現象的本質。演示是教師向學展示一些物理現象。想想做做、想想議議是課堂中一些學習活動,主要是學生描述物理現象的特征或口頭表達自己的觀點。動手動腦學物理,學生動手實驗的器材在生活中容易找到,制作沒有難度;小資料的內容學生容易閱讀,沒有太多抽象的內容。教材內容的難易度決定了初中物理是以介紹物理現象和規律為主,利于培養初中學生學習物理的興趣,為學習高中物理打基礎。學生學習后很有成就感,初中學生對物理學科的喜愛程度高。高中物理教材編寫形式主要是實驗、思考與討論、說一說、做一做、演示、科學漫步、問題與練習等。與初中的難度不同,如探究實驗是在未知某一物理現象的本質規律之前,主動探究物理現象的本質規律。高中物理描述的物理現象復雜,解決這些問題的方法已被抽象為相應的模型,比較抽象,這是高中學生遇到的難點之一。物理教材的內容通過模型化抽象和數學化描述,通過抽象概括、假說、邏輯推理來揭示物理現象的本質和變化規律,研究的問題涉及的物理量多,變化比較復雜,學生接受難度大。另外,高中物理教材對物理概念和規律的表述嚴密,對物理問題的分析推理科學、嚴謹,邏輯性強。科學漫步的內容都有較強的知識性,學生閱讀難度大,不易讀懂。學生學習就有困難,因此喜愛物理學科的人越來越少。
2.初、高中物理實現教學目標的方法不同,思維能力要求不同
初中階段物理教學目標是以了解物理現象和規律為主,向學生簡單介紹探究物理現象的方法和步驟,且多以直觀教學為主,知識的獲得是建立在形象思維的基礎之上的;高中物理是進一步提高科學素養,注重過程與方法,知識的獲得是建立在抽象思維基礎之上的,高中物理教學要使學生的思維逐步從形象思維過渡到抽象思維。初中階段教學通常是直觀介紹物理現象和規律,不觸及物理現象的本質;高中物理教學,要求學生了解知識的來源,是對物理現象本質的認識,這就要求學生具備一定的抽象思維能力。
3.學生的學習方法與學習習慣不適應高中物理教學要求
初中階段物理教學一般不涉及物理現象的本質,概念和規律性的知識常用文字描述,只需簡單記憶就成了。課堂上教師講解例題計算題居多,由于不要求了解知識的來源,學生幾乎不了解計算公式的適用條件,學生練習時只需在課堂上模仿教師的做法,記下解題的步驟,套用公式,這就養成了機械記憶的學習習慣。高中物理教學要實現“知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀”三維目標,教材內容,就決定了學習高中物理要了解知識的來源,要通過抽象、概括、推理才能揭示現象的本質,才能找到現象的變化規律。因而高中物理,現象多,關系復雜多變,解決問題的過程就是實現“知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀”三維目標的過程,很注重細節。有的學生仍采用初中的那套方法對待高中物理學習,解題時就現出“讀不懂題目的意思或找不出題目的隱含條件,對物理公式的意義和適用條件搞不清楚”的現象,學生往往不知從何下手,這樣就使學生感到物理難學、難懂。
4.數學應用能力達不到高中物理教學要求
物理學科的原理、定律需要用數學關系表達。(1)物理規律的數學表達式增多,物理量間的變化規律復雜,初中階段描述運動規律的只有一個公式,涉及三個物理量和一個常量;高中階段描述勻變速直線運動常用的物理量有近10個之多,每個公式涉及四個物理量。有矢量,也有標量,有常量,也有變量,并且各公式有不同的適用范圍,這是高中學生學習物理難點之一。(2)用圖像表達物理量之間的關系,描述物理過程。(3)矢量運算廣泛。矢量運算是學生進入高中遇到的難點之一。小學到初中,標量運算規則很熟練,高中階段的矢量運算,接受平行四邊形法則,是對運算規律不同的認同,也是對運算規律認識從感性到理性的飛躍。這是數學應用能力跟不上高中物理教學要求的問題。(4)應用數學圖像描述物理量間的關系,不懂斜率的含義。高一新生掌握的數學知識及數學知識的應用能力都達不到高中物理的要求,這是學科間存在的銜接問題。
二、有效做好初、高中物理教學銜接的幾點思考
1.調查初、高中學生解決問題的方法
(1)初中物理從觀察、實驗入手,內容形象直觀。目的是培養學生初步的觀察、實驗能力,初步的分析、概括能力和應用物理知識解決簡單問題的能力。(2)高中物理內容科學、嚴謹,知識結構邏輯性強,循序漸進,內容表述言簡意賅、條理分明、深入淺出。三維目標中更重視“過程與方法”目標的實現。
2.注重構建“質點”模型,化有形為無形
初中物理教材所描述的物理現象形象具體,就“物體”這一概念而言是一個看得見、摸得著的具體物體。高中物理教學中,有效構建“質點”模型,是教學的難點。“質點模型”的核心是“突出主要因素,忽略次要因素”,是一種替代方法,構建“質點模型”的過程是讓學生逐漸淡化物體的具體形狀,認識到忽略物體的形狀,把物體當作一個有質量的點,這樣能更好地解決問題,學生怎么才能認同“質點”?為此,教師應做好物理實驗,如不妨做做牛頓管自由落體實驗,羽毛、小石塊、紙片、鐵塊同時落下,研究這些物體的下落就跟物體的形狀無關了,就可用一個點替代物體了。什么條件下點能替代物體?概括起來就是定理、定律的適用條件。能有效構建“質點模型”,學生對重心的概念,共點力的概念就容易理解了。
3.重視物理量的矢量運算
初中物理的計算往往是標量計算,數學問題簡單,學生容易解決。進入高中,矢量運算貫穿于高中物理的全程,涉及力、速度、加速度的合成與分解,還有動量、沖量等,是高中物理教學中必須解決的問題。初中階段“同一直線上力的合成”是高中階段物理量的矢量運算的銜接點。
4.教學要堅持循序漸進的原則
一、高一物理臺階存在的原因
1.初、高中教材內容深度、覆蓋面及表述方式和要求的懸殊,是造成臺階的原因之一。
初中物理介紹物理量重點講它的量度、定義,而對其物理意義講解較少。整體來說,初中力學特點是內容淺、涉及面窄,介紹客觀現象多,抽象概念少,介紹靜態多而動態少。高中力學介紹的內容的特點是直觀的少,抽象的多;靜態的少,動態的多。特別是,高中物理對概念和規律的理解和應用要求較高,注重應用,更注重過程的分析和邏輯推理。因此,難度較初中大,這是形成臺階的客觀因素。
2.學生完成初中到高中的學習思維過渡比較困難,存在思維障礙。
根據皮亞杰的兒童思維發展理論,中學生思維從初步邏輯思維向抽象思維過渡。初中生的思維處于具體運算階段,離不開具體事物的支持。物理知識建立在形象思維的基礎上,初中物理學習內容基本適應學生的思維發展水平。高中物理研究對象大多是理想模型,學生要會運用抽象思維獲得物理知識,在頭腦中把形式和內容分開,離開具體事物,根據假設進行邏輯推理。多數高一學生的抽象思維正從經驗性思維向理論性思維過渡,其中經驗思維仍占優勢,思維在很大程度上仍依靠具體經驗材料,不善于從理論上進行演繹推導。而高中物理有相當嚴密的推理系統,始終強調抽象思維,學生的思維水平很難很快適應高中物理思維抽象程度的要求,故造成了進一步學習物理的困難。
3.消極的心理暗示,造成了先入為主。
據相關調查資料顯示:未進入高中前,被他人告知“高中物理難學”的學生占50%以上,這在“中”等生中尤為明顯(比例達70%),而在“好”、“差”生中較少(比例分別為15%,22%)。可見在對高中物理一無所知的情況下,半數以上的學生,對物理學科存在畏懼感。這種先入為主的人為因素,消極的心理暗示,使學生產生畏懼心理,對能否學好物理產生動搖,失去信心,給高中物理教學造成無形障礙。
4.對數學應用能力要求的提高也是形成臺階的一個原因。
初中物理較多的是從定性來分析,而高中物理更注重定量分析,這就對學生的數學應用能力提出了更高要求。初中的物理習題,以簡單論理和算術法計算,輔之簡單的代數計算,而高中過渡到以邏輯推理和代數法計算為主,并大量使用函數、矢量運算、圖像等。由單一直線問題發展到平面,再加上分析、推理、計算三方面的綜合應用,高一學生普遍感到困難。例如在力學中要用到解直角三角形,雖然學生在初中學過,但要應用到力學中,大多數學生還是存在困難。
從以上分析可以看出對于大多數學生來說,高中物理學習存在障礙,根據筆者多年的教學經驗,可采取有效的教學措施,減小臺階跨度,幫助學生跨越臺階。下面談幾點做法。
二、幫助學生跨上臺階的具體做法
1.加強直觀性教學,提高學生學習物理的興趣。
興趣是最好的老師。因此在學生進入高中時,要加強興趣教育。加強直觀教學是有效措施之一。這也符合學生的認知規律,從直觀到復雜,從形象到抽象。在教學中,盡量多采用直觀形象的教學方法。課堂上多做一些實驗,多舉一些實例,幫助學生“想象”、理解和掌握物理概念。例如,講重心概念時,做“單指頂鉛筆”實驗;講靜摩擦力時,做“筷子提沙桶”實驗;講慣性時,做“皮球碰鉛球”實驗,等等。通過實物演示的直觀教學使抽象的物理概念與生活實例聯系起來,變抽象為形象,變枯燥為生動,從而提高學生的物理學習興趣,使學生更好、更快地適應高中物理教學。
2.注重基本技能的培養,為跨上臺階提供工具。
扎實的基礎是學生學習的根本。例如:正確分析物體的受力,畫好受力圖是解決力學問題的基礎;正確分析物理過程,是解決力學問題的前提;熟練運用數學知識是解決力學問題的保證。因此要從一開始,就要有意識地培養這些基本技能。需要扎實規范地訓練,幫助學生打好堅實基礎,使得學生形成良好的物理素養。比如:要掌握正確受力分析方法,應使學生養成按順序分析、檢查的習慣;對物理過程的分析,先從簡單問題入手,逐步過渡到復雜問題。圖像問題,先要搞清物理意義。通過這些訓練,培養學生良好的基本技能,為跨越臺階提供強有力的支撐。
3.加強思維能力的培養,為跨上臺階掃除障礙。
前面提到,高中物理學學習的最大障礙是思維的障礙。物理中的概念和規律都是從大量現象中抽象總結出來的,因此,要教給學生學會從物理現象中抽象出物理概念、理解其物理意義的方法。高中物理更強調邏輯推理和抽象思維,一個重要方法就是理想化――理想化模型和理想化過程的建立。高一學生由于科學的抽象和概括能力差,使理想化模型和理想化過程的建立遇到了困難。為了使學生掌握這種科學抽象和概括的思維方法,第一,應使學生明確建立概念和模型的事實根據及過程,知道它的適用范圍和適用條件。如建立“質點”這個理想化模型,首先要使學生明確引入質點是為了突出物體具有質量這一特征,而忽略物體具有大小這一次要因素。其次要使學生明確什么情況下物體可看做質點(大小可忽略),什么情況下不能看做質點。第二,應使學生學會把實際的物體或過程,在某些條件下看做是學過的模型或過程中的哪個模型或過程,這是運用知識解決實際問題的關鍵。
需要注意的是,學生的抽象思維能力在教師的誘導下是可以通過反復示范、反復訓練逐漸提高的。思維能力的培養與提高不可操之過急,應在解決具體的物理問題中逐步培養和提高。
4.降低臺階高度,化大臺階為小臺階,幫助學生樹立信心。
物理實驗 設計方法
一、物理實驗常用的設計方法轉換法:借助于力、熱、電、光、機械等方法之間的互相轉換,實現可觀察、容易觀察或觀察效果明顯的目的;對比法:通過對比達到辨異求同或者同中尋異,從而打開思路,獲得解決問題的方法;平衡法:當矛盾雙方平衡時,從物理學角度講總對應一個平衡方程式,最簡單的情況是方程的一側為已知量,另一側為未知量,據此,可用于指導實驗的設計;放大法:利用擴音機、幻燈機等設備把微小的聲音或圖像信息進行放大,這是大家都熟悉的方法。
二、物理實驗中的數學方法1.幾何圖形法(或圖示法)。例如:測錐體的高及圓的直徑;運用幾何作圖法說明,光的反射定律、平面鏡成像、潛望鏡、光的折射現象、水中筷子的彎折、凸透鏡或凹透鏡對光線的會聚或發散作用。2.疊加平均法。初中物理實驗中主要運用了算術平均數的方法即把測定的若干數相力球和,然后除以給定的個數。例如:測紙厚;測細金屬絲直徑;測短棉線質量;伏安法測電阻。3.比例法(或簡單函數關系法)。例如:彈簧伸長與外力的關系;溫度計的刻度;歐姆定律。4.表格法。例如:研究摩擦力與哪些因素有關;滑輪組的機械效率;電流強度與電壓的關系等實驗。
三、物理實驗中的思維方法1.分析法。人們思維的過程就是分析的過程,實驗的過程是離不開分析的。例如:慣性球實驗中,為什么小球留在原處就說明物體有慣性;測定滑動摩擦力的實驗中,為什么彈簧秤的讀數是木塊與桌面之間的摩擦力數值;應該如何解釋空氣有重量的實驗原理;分子引力實驗中,為什么兩鉛柱緊密接觸后不易拉開,就聯想到由于分子引力的結果;歐姆定律實驗中,如何從實驗結果歸納實驗公式等等,都必須借助于分析。2.理想實驗法。它是人們在真實的科學實驗的基礎上,以科學實驗為依據,運用邏輯推理對實際的物理過程進行深入的分析,忽略次要矛盾,抓住主要矛盾進而在思想中塑造的理想過程和分析方法。初中物理研究牛頓第一定律的斜面實驗就運用了這種理想實驗的思維方法。3.物理模型法。它是在實驗基礎上對物理事實的一種近似、形象的描寫,物理模型的建立,往往會導致理論上的飛躍。初中實驗中運用物理模型的典型有四處:根據實驗建立液體壓強公式時,運用理想液柱的模型;分析連通器原理時運用理想液片模型;研究光學現象時運用“光線”模型;研究磁場時運用磁力線模型。4.反向探求法。當沿著某―方向思考不得求解時,不妨變換一下方向,倒過來思考,可能會得到啟發并導致新的發現。法拉第就是在這種思想指導下研究電磁感應現象的。
物理模型問題的研究離不開對于現實現象的深入思考,很大程度上要求對于本質的追求,而對于次要因素一般采用忽視的方式。抽象出來的實際問題不再是原來的問題,但是可以顯示出問題的根本性質,這種方式就是物理模型的思考方式。例如,針對某一個實際物體在平面上運動的具體規律時候,可以要求學生忽略摩擦力的次要條件,這樣就可以獲得相應的平面運動規律,得出一定的結論之后,在進行有摩擦力條件下的考慮,這樣就可以在很大程度上降低研究的難度。可以說,抽象研究可以有效地保證研究的順利進行,當然,需要進行對事物本質的規律進行抽象,而不是對于次要條件的抽象。而對于物理模型的特征主要有以下兩個方面:
首先,初中物理中的模型是抽象性和形象性的統一。對于主要因素的把握,是我們研究過程中的主要問題,通過一定的處理方式來探尋相應的事物規律,繼而通過不同的方式來實現由一般性向普遍性轉變,這種方式具有直觀性的特點。對于模型的研究,水平運動的研究,可以采用質點作為研究對象加以研究其具體規律。
其次,物理模型是科學性和假定性的辯證統一[1]。這種方式需要加以必要專業知識作為基礎,不僅僅表現出相應的物體直觀形象,更可以用過邏輯推理來驗證事物發展規律。可以說,理想模型來源于現實,又高于現實,作為一種科學的抽象思維的表現形式,在經過一定的嚴密的驗證之后,就可以表示事物發展的規律。
二、初中物理模型的構建程序
(1)分析研究對象原型特征
物理研究中對于模型的建立首要要求就是提取出正確的事物本質特征,能夠做出合理的抽象是成功的第一步。對實際問題的解決,建立相應的模型是一種非常明智的選擇。例如要建構“質點”這個模型,需要在開始之前就充分的認識到,質點在研究總具有何種意義,如何情況下可以使用這種簡化。
(2)確定影響研究對象的主、次因素
對于主要矛盾的把握,是建立模型進行研究的根本性要求,對于次要問題的忽略,可以有效的凸顯出關乎事物發展的規律,從而更好的指導人們解決實際問題。如果建模過程中,對于主要矛盾和次要矛盾的把握不到位,那么不僅僅不會得出正確的結論,反而會把人帶入誤區。因此,對于事物發展過程中的主要因素和次要因素等方面的重視,是成功研究出問題的基本要求。這樣,對于學生創新思維的養成可以起到一個很好的推動作用,同時對于教師對于課堂內容和課堂節奏的把握都能夠提供必要的幫助。
(3)把握住研究對象本質特征并做出合理抽象
通過上文的分析,我們可以清楚的認識到,本質和主要影響因素對于研究事物發展規律的重要性。從中,物理模型對于物理研究的重要性就不言而喻了。為了更好的解決實際問題,有必要要求物理研究表現出物理現象的本質,對于事物的本質和現象之間的聯系的揭示,是物理研究的重要內容[3]。
通過上文的論述,我們可以得知,一個正確的物理模型對于物理研究具有的重大意義。這種模型的建立,要求必須有相應的研究數據作為支持,是對這些數據經過人腦處理的總結,具有一定的客觀性的同時,也具有高度的抽象性。并且,一個模型的優良與否,要求必須經過實踐的檢驗,同時配合修正手段加以完善。
三、初中物理模型的構建應用
為了學生構建模型,引導學生通過實驗,探究平面鏡成像時像與物的關系,理解平面鏡成像的主要特點,知道實像與虛像之間的區別,通過探究平面鏡成像特點的過程,學習通過觀察提出假想,制定探究計劃,動手操作,收集證據和分析概括等多方面的研究能力;能用對稱法畫出平面鏡的虛象。
在桌子上放兩摞書,圖1中那樣把一塊玻璃直立在桌子上.在玻璃的前方放一支蠟燭(為了便于移動它,你可以把蠟燭尾部燒熔;然后把蠟燭粘在一個舊瓶蓋里).在玻璃的后面,放一只盛水的大玻璃杯.玻璃杯玻璃之間的距離,要和蠟燭到玻璃之間的距離完全相等.
拉上窗簾,使屋子變暗,從蠟燭這邊向玻璃望去,就會看到一個奇怪的現象——蠟燭正在水中燃燒.
三、結論
初中物理教學中,利用物理模型的方式進行教學,不僅僅可以體現初中課本知識中的難點和熱點,同樣對于初中素質教育中,學生的實際研究能力的提高起到了至關重要的現實意義。雖然在一定程度上,物理模型的建立具有一定的局限性這個問題,但是實踐教學過程中,這種方式對于學生更好的理解物理問題起到了非常重要的作用,在教學方法中占有重要地位。與此同時,合理利用模型來進行教學任務,對于學生的知識結構框架的搭設和學生個人實際動手能力的提高,都有著不可估量的重要意義。
參考文獻
[1]卞志榮.計算繁瑣不易求,面積解題顯神通[J].中學物理教學參考,2005(12):30.
【關鍵詞】高中物理 障礙 措施
【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【文章編號】1006-5962(2012)12(b)-0147-01
高一年級與初中相比,物理教學要求處于不同層次,教材難度明顯提高,新課程高一物理教材,更注重促進學生發展能力方面的作用,重視學生在活動、實驗、制作、討論、研究等方面的評價。因此搞好高一與初中教學的銜接對學生學好高中物理課具有積極意義。那么,在新的課程理念下,如何進行高一物理教學呢?
1 物理學習障礙產生原因的初步分析
1.1從定性到定量
初中物理對許多物理問題都重在定性分析,即使進行定量計算,一般來說也是比較簡單的。而高中物理教學,大部分物理問題不單是作定性分析,而且要求進行大量的有的是相當復雜的定量計算。學生對這種從定性到定量的飛躍不適應。
1.2從形象思維到抽象思維
初中物理教學基本上是建立在形象思維基礎上的,它以生動的自然現象和直觀的實驗為依據,從而使學生通過形象思維獲得知識。進入高中后,物理教學便從形象思維向抽象思維領域過渡。從目前的教材來看,這個臺階是較高的。如高一物理教材中的靜摩擦力的方向,瞬時速度,物體受力情況分析,運動的合成與分解等都要求學生有較強的思維能力。從人的認識過程來看,從形象思維到抽象思維是認識能力的一大飛躍。
1.3從通常是單因素的簡單邏輯思維到多因素的復雜邏輯思維
初中生進入高一以后普遍不會解題,要么就亂套公式,瞎做一氣。其中一個重要的原因就是缺乏較為復雜的邏輯思維能力。不善于判斷和推理;不會聯想;缺乏分析、歸納、演繹的能力。在這一點上,學生與學生之間存在的個體差異也是很大的。
1.4在運用數學工具解決物理問題上
從單純的算術、代數方法到函數、圖象、矢量運算、極值等各種數學工具的綜合應用的變化。運用數學工具解決物理問題在初中物理教學中并不突出,到高中物理教學中已經成為能否處理各種實際問題的至關重要手段了。特別應該指出的是,高中物理中的矢量概念和運算對初中學生來說是非常生疏和困難的。建立這個概念,掌握其運算需要一個過程。
1.5學習方法上的變化
初中學生更多的習慣于由教師傳授知識,而高中物理學習中在相當程度上則要求學生獨立地或在教師指導下主動地去獲取知識。此外,高中物理學習中的理解和記憶相比,越來越顯得重要。許多學生對這種學習方法上的變化也需要一個適應的過程。
2 教學中采取的措施
2.1注意新舊知識的同化
同化是把新學習的物理概念和物理規律整合到原有認知結構的模式之中,認知結構得到豐富和擴展,但總的模式不發生根本的變化。教師在教學過程中,幫助學生以舊知識同化新知識,使學生掌握新知識,順利達到知識的遷移。高中教師把高中教材研究的問題與初中教材研究的問題在文字表述、研究方法、思維特點等方面進行對比,明確新舊知識之間的聯系與差異。選擇恰當的教學方法,使學生順利地利用舊知識來同化新知識。
2.2改進課堂教學,提高學生思維能力水平改進課堂教學,每一節課都設法創造思維情境,組織學生的思維活動,培養學生的物理抽象能力、概括能力、判斷能力和綜合分析能力
在物理概念和規律教學中,按照物理學中概念和規律建立的思維過程,引導學生運用分析、比較、抽象、概括、類比、等效等思維方法,對感性材料進行思維加功,抓住主要因素和本質聯系,忽略次要因素和非本質聯系,抽象概括出事物的物理本質屬性和基本規律,建立科學的物理概念和物理規律,著重培養、提高學生抽象概括、實驗歸納、理論分析等思維能力水平;在講解習題時,采用進行一題多解或一題多變的方法,培養學生的思維策略的選擇和運用的能力。
2.3加強直觀教學
(1)通過增加演示實驗,圖形分析,用實際問題和小實驗表演編制饒有趣味的習題以及形象生動的語言助以手勢等各種方法,加強形象思維的效果,并注意形象思維到抽象思維的過渡,盡量做到抽象思維形象比。不能讓學生停留在形象思維上,而要讓學生借助于形象思維來進行抽象思維,有意識地進行引導和過渡。(2)化整為零,消化知識硬塊。具體辦法是編制小型的基礎訓練題,這些訓練題概念性強,不需要什么計算,又針對學生思維上的弱點,把抽象思維具體化,把一個復雜的思維過程分割成數個簡單的思維過程,從而幫助學生克服臺階。(3)先快后慢。為使學生有個適應過程,在教材的安排上做到先快后慢,逐步過渡。
2.4加強實驗教學
物理學是一門以實驗為基礎的科學,離開了實驗必將寸步難行,在教學中,教師應通過各種手段加強實驗教學,特別是研究性實驗的教學。
2.5加強物理模型的教學
以簡單的月亮環繞地球的運動來說,如果不引入質點這個模型,月地之間的距離就不知從何算起,運動軌道也就多得數不清。就高中物理來說,無一處不是在研究物理模型,其一是研究對象的理想化,如質點、彈簧振子、單擺等。其二是研究過程的理想化,如勻速直線運動、自由落體運動、簡諧振動等。要充分利用這些模型去教學,培養學生分析問題和解決問題的能力。當然正確的模型畢竟是人類對事物一定層次認識的反映,但在通向真理的征途上起著階梯的作用,對高一學生來講,這個階梯非常重要。
2.6樹立學生學習信心
一、高一物理教師要重視教材與教法研究
根據教育心理學理論“當新知識與原有知識存在著較大梯度,或是形成拐點時;當學生對知識的接受,需要增加思維加工的梯度時,就會形成教學難點。所以要求教師對教材理解深刻,對學生的原有知識和思維水平了解清楚,在會形成教學難點之處,把信息傳遞過程延長,中間要增設驛站,使學生分步達到目標;并在中途經過思維加工,使部分新知識先與原有知識結合,變為再接受另一部分新知識的舊知識,從而使難點得以緩解。”
所以,高一物理教師要研究初中物理教材,了解初中物理教學方法和教材結構,知道初中學生學過哪些知識,掌握到什么水平以及獲取這些知識的途徑,在此基礎上根據高中物理教材和學生狀況分析、研究高一教學難點,設置合理的教學層次、實施適當的教學方法,降低“臺階”,保護學生物理學習的積極性,使學生樹立起學好物理的信心。
二、講清講透物理概念和規律,使學生掌握完整的基礎知識,培養學生物理思維能力
培養能力是物理教學的落腳點。能力是在獲得和運用知識的過程中逐步培養起來的。在銜接教學中,首先要加強基本概念和基本規律的教學。要重視概念和規律的建立過程,使學生知道它們的由來;對每一個概念要弄清它的內涵和外延,來龍去脈。講授物理規律要使學生掌握物理規律的表達形式,明確公式中各物理量的意義和單位,規律的適用條件及注意事項。了解概念、規律之間的區別與聯系,如:運動學中速度的變化量和變化率,力與速度、加速度的關系,動量和沖量,動量和動能,沖量和功,機械能守恒與動量守恒等,通過聯系、對比,真正理解其中的道理。通過概念的形成、規律的得出、模型的建立,培養學生的思維能力以及科學的語言表達能力。
在教學中,要努力創造條件,建立鮮明的物理情景,引導學生經過自己充分的觀察、比較、分析、歸納等思維過程,從直觀的感知進入到抽象的深層理解,把它們準確、鮮明、深刻地納入自己的認知結構中,盡量避免似懂非懂“燒夾生飯”。
三、要重視物理思想的建立與物理方法的訓練
中學物理教學中常用的研究方法是:確定研究對象,對研究對象進行簡化建立物理模型,在一定范圍內研究物理模型,分析總結得出規律,討論規律的適用范圍及注意事項。例如:平行四邊形法則、牛頓第一定律建立都是如此。建立物理模型是培養抽象思維能力、建立形象思維的重要途徑。要通過對物理概念和規律建立過程的講解,使學生領會這種研究物理問題的方法;通過規律的應用培養學生建立和應用物理模型的能力,實現知識的遷移。
物理思想的建立與物理方法訓練的重要途徑是講解物理習題。講解習題要注意解題思路和解題方法的指導,有計劃地逐步提高學生分析解決物理問題的能力。講解習題時,要把重點放在物理過程的分析,并把物理過程圖景化,讓學生建立正確的物理模型,形成清晰的物理過程。物理習題做示意圖是將抽象變形象、抽象變具體,建立物理模型的重要手段,從高一一開始就應訓練學生作示意圖的能力,如:運動學習題要求學生畫運動過程示意圖,動力學習題要求學生畫物體受力與運動過程示意圖,等等,并且要求學生審題時一邊讀題一邊畫圖,養成習慣。
解題過程中,要培養學生應用數學知識解答物理問題的能力。學生解題時的難點是不能把物理過程轉化為抽象的數學問題,再回到物理問題中來,使二者有機結合起來,教學中要幫助學生闖過這一難關。如在運動學中,應注意矢量正、負號的意義以及正確應用;講解相遇或追擊問題時,注意引導學生將物理現象用數學式表達出來;講運動學圖象時,結合運動過程示意圖講解,搞清圖象的意義,進而學會用圖象分析過程、解決問題。
四、培養學生良好的學習物理的習慣