新课程物理教学中建立物理模型的研究

乐山师范学院级毕业论文（设计）1新课程物理教学中建立物理模型的研究物理与电子工程学院物理学学号:[摘要]本文对物理模型概念、分类作了较为详细的阐述，指出了物理模型在新课程物理教学中的意义和作用，提出了在物理教学中建立物理模型的几种方法，并结合具体实例说明了各种方法的应用和引导学生建立物理模型。[关键词]新课程物理模型物理教学建模能力研究1引言新课程就要在今年秋天施行了，《高中物理课程标准（实验）》将课程目标分为了知识与技能、过程与方法和情感态度与价值观，其中把“过程与方法”作为课程目标的重要组成部分，它对全面提高学生是素质和能力有着重要意义。高中新教材一改旧教材的高度抽象、理想化的情境与问题，使物理知识更贴近实际，让学生学习物理时倍感亲切。如若要学生更好的学习物理使用物理模型教学不失为一种有效方法。运用物理模型探索物质的结构和物体的运动规律，使抽象问题具体化形象化，复杂问题简单化，从而使很多的问题迎刃而解。物理教学除了传授知识以外，更重要的是培养学生的能力。在教学中，使学生的思维能力不断提高，进而运用思维很好地理解和掌握物理概念、规律、实验，解决物理问题，这正是新课标中物理教学中的一项重要任务。通过物理模型教学，将最基础、最典型的物理知识、物理问题及其研究方法介绍给学生，引导学生思考、感悟，使学生体验“形成概念，探究规律”的过程，掌握探究物理问题的基本方法，使他们解决物理实际问题的能力得到有效提高。在新课程标准中也特别强调“STS”[1]内容和应用所学物理知识解决实际问题能力的培养和教学，因此，在中学物理教学中要重视物理模型的教学，本文对物理模型概念、分类作了较为详细的阐述，指出了物理模型在物理教学中意义和作用，提出了在物理教学中建立物理模型的几种方法，并结合具体实例说明了各种方法的应用，培养了学生的建立物理模型的能力。2新课程物理模型概念及分类乐山师范学院级毕业论文（设计）22.1新课程强调学生能力培养高中物理是普通高中科学学习领域的一门基础课程，与九年义务教育物理或科学课程相衔接，旨在进一步提高学生的科学素养。高中物理课程有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情；认识物理学对科技进步以及文化、经济和社会发展的影响；为终身发展，形成科学世界观和科学价值观打下基础[2]。新的高中物理课程标准将课程目标制定为三维目标：（一）知识与技能1、学习物理学的基础知识，了解物质结构、相互作用和运动的一些基本概念和规律，了解物理学的基本观点和思想。2、认识实验在物理学中的地位和作用，掌握物理实验的一些基本技能，会使用基本的实验仪器，能独立完成一些物理实验。3、初步了解物理学的发展历程，关注科学技术的主要成就和发展趋势以及物理学对经济、社会发展的影响。4、关注物理学与其他学科之间的联系，知道一些与物理学相关的应用领域，能尝试运用有关的物理知识和技能解释一些自然现象和生活中的问题。（二）过程与方法1、经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。2、通过物理概念和规律的学习过程，了解物理学的研究方法，认识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用。3、能计划并调控自己的学习过程，通过自己的努力能解决学习中遇到的一些物理问题，有一定的自主学习能力。4、参加一些科学实践活动，尝试经过思考发表自己的见解，尝试运用物理原理和研究方法解决一些与生产和生活相关的实际问题。5、具有一定的质疑能力，信息收集和处理能力，分析、解决问题能力和交流、合作能力。（三）情感态度与价值观乐山师范学院级毕业论文（设计）31、能领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。2、有参与科技活动的热情，有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理学问题。3、具有敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神，具有判断大众传媒有关信息是否科学的意识。4.、有主动与他人合作的精神，有将自己的见解与他人交流的愿望，敢于坚持正确观点，勇于修正错误，具有团队精神。5、了解并体会物理学对经济、社会发展的贡献，关注并思考与物理学相关的热点问题，有可持续发展的意识，能在力所能及的范围内，为社会的可持续发展做出贡献。6、关心国内、外科技发展现状与趋势，有振兴中华的使命感与责任感，有将科学服务于人类的意识。从新的高中物理课程课程标准可以看出，新课程物理教学更注重学生学习能力的培养，而培养学生能力的有效措施就是构建物理模型。2.2物理模型的概念模型，是一种理想化的物理形态，是物理知识的一种本质表现。科学家做理论研究，通常都要从“造模型”入手，利用抽象、理想化、简化、类比等手法，把研究对象的本质抽象出来，构成一个概念或实物的体系，即形成模型。自然界中的物质种类繁多，千姿百态，它们之间又互相联系，互相制约，影响其运动规律的因素往往又是多方面的。在物理学上，对如此错综复杂的实际问题转化为理想的简单问题来研究处理，对实际问题进行抽象化处理，保留主要因素、略去次要因素，得到一种能反映原物质本质特性的理想的物质（过程）或假想结构，此即为物理模型[3]。而物理模型则是以实验为基础，以事实为依据，根据所研究的对象和问题之需要，通过一系列分析、综合、抽象、概念等思维过程，准确抽出其本质特征加以概括，从而作出理想化的描述，并能具体、形象、生动、深刻地反映事物的本质和主流。2.3新课程物理模型的分类在中学物理教学中，研究的对象和涉及的问题都是复杂多样的，因此建立的乐山师范学院级毕业论文（设计）4物理模型并不是单一不变的，各种模型都有不同的特点。而新课程物理模型一般可以分为模拟式物理模型和理想化物理模型[4]。2.3.1模拟式物理模型依据由实验得到的规律和抽象出来的概念在内容上的具体性和客观性决定的其本身隐含着形象性这一特点，通过形象思维用可表述的具体形象模拟出来，则该形象就是描述抽象的物理概念和规律的模拟式物理模型。物理概念和规律在形式上式抽象的、主观的，而在内容上是具体的、客观的我们可以用模拟式物理模型来描述某些物理现象。模拟式物理模型的优点是能使一些看不见、摸不着的客观事物变得具体化、形象化，从而便于指示它的特征，研究它的变化规律。例如，卢瑟福根据α粒子散射实验模拟出原子核结构模型：集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。这个模型形象地描述了原子结构。又如，人们在描述磁场时，引入了磁感线模型。磁感线并不是磁场中实际存在的曲线，而是一系列假想出来的曲线。虽说是假想，但是这些曲线并不是人们凭主观愿望臆造出来的，是人们通过在磁铁周围洒上铁屑，观察铁屑的分布特点，得出磁场的性质，从而“模拟”出那样的磁感线。这样就便于人们研究磁场的各种性质。2.3.2理想化物理模型自然界发生的一切物理现象和物理过程，一般都是比较复杂的，会涉及到很多因素，我们往往要把比较复杂的实际问题进行简化或理想化，从而建立起理想化物理模型。所谓理想化物理模型就是在研究复杂问题时，略去影响不大的次要因素，保留起主要影响的因素，建立一个能揭示其本质突出主要矛盾，使问题简单化的一种抽象的理想客体[5]。例如，研究地球绕太阳的公转速率，就可忽略地球的大小和形状而抽象为只有质量和位置的“质点”。理想化物理模型又可以分为以下三类：（1）实体理想化模型：物理学所研究的客观存在的实际物体，通过简化抽象建立起来的物理模型。也称实体理想化模型，是以可挂实体为基础，依据所研究问题的性质和需要直接把实体理想化得物理模型。比如“质点”，忽略重量，不计形变，认为粗细密度都均匀且支点无摩擦的“杠杆”，还有常见的点电荷、电光源、光滑平面、乐山师范学院级毕业论文（设计）5理想变压器、不变形不计质量的绳索、滑轮等都是实体的抽象，是实体理想化的物理模型。（2）系统理想化物理模型：在研究某些物体间相互作用的规律是，可以忽略其他物体对他们影响的物体所组成的特定系统。如研究碰撞时相碰的物体系，研究一定质量气体的压强、温度、体积三个状态量的关系时，“一定质量气体”系统，以相互间遵循牛顿第二定律而联系在一起被称为“力学系统”的物体系，研究热力学问题时组成的“热力学系统”物体系等均属此类。（3）过程理想化物理模型：在自然界中各种物质的变化运动过程往往都是极其复杂的，如考察一个物体的下落过程，物体除受重力作用外还要受到与物体大小形状、空气的密度、湿度等多种因素有关的空气阻力的影响，而这些因素的影响往往是极其复杂的，难以事先精确测量和计算的。这就给实际的研究带来了困难，为了研究其规律，人们抓住重力作用这个本质忽略其他因素，将其变化过程理想化，看成质点近在重力作用下的自由落体运动，像这样将过程理想化得抽象称为过程理想化模型。如平抛运动、运动小球是具有质量而不计大小的“质点”，从抛出到整个运动的过程中，匀速直线运动、自由落体运动、弹性碰撞，匀速转动、匀变速运动、简谐振动。他们来源于实际过程，又不同于实际过程，但比实际过程更本质地反映了主要因素的影响。3新课程物理教学中物理模型的构建3.1物理模型在物理教学中的意义和作用17世纪初，科学家开普勒根据天文观测结果发现行星运动规律，所有的行星围绕太阳运动的轨道都是椭园，太阳处在所有椭圆的一个焦点上，即行星轨道模型，发现所有行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等，牛顿运用开普勒定律，建立球形模型，凭借他超凡的数学能力得出万有引力定律。科学家卢瑟福根据α粒子放射实验，建立核式模型，揭开了原子的奥秘，原子是由原子核和电子组成的[6]。科学家哈勃根据光谱红移和多普勒效应建立宇宙膨胀模型，即所有的星体远离我们而去，运行的速度与离我们的间距成反比，表示为v=Hr，这样可以求出宇宙的年龄。他建立宇宙大爆炸模型，试图揭开宇宙之谜。恒星将演化成什么，科学家又建立了黑洞模型，对这种天乐山师范学院级毕业论文（设计）6体来说，任何天体都逃脱不了它的束缚，甚至连光也射不出去，这样便建立黑体模型，对天体物理、宇宙学都是非常重要的。由此可见，建立物理模型对物理学的研究有非常重大的意义和作用。3.1.1物理模型的意义由于客观事物具有质的多样性，它们的物理性质和运动规律往往是非常复杂的，不可能一下子把它们的规律全面认识和掌握清楚，因而在新课标物理教学中采用理想化物理模型来替代是在的客体，可以使事物的性质和规律具有比较简单简明的形式，从而便于学生认识和掌握它们的概念、运动规律及其本质特征。建立物理模型也是一种科学的研究方法和思维方法，它的运用有助于学生思维品质的提高，建立和正确使用物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力，同时也有助于学生掌握物理学的研究方法。可使学生对物理本质的理解更加细致深入，对物理问题的分析更加清晰明了。所以，物理模型在物理教学中有着重要的物理思维方法、物理研究方法等方面的价值意义。3.1.2物理模型的作用物理模型的在物理教学中的作用大致可以归纳以下几点：（1）培养学生正确的科学思维方法：新课程物理教学中培养学生正确的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，而在整个新课程物理学习中，不同阶段物理学习思维方法有不同要求和特点，对此特点和规律的掌握直接影响学生物理思维的发展和学习的效果，因此引导学生建立和运用正确的思维方法很重要[7]。在物理教学过程中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。（2）理解物理学中的难点：中学物理教材中有许多物理知识比较抽象难懂，学生不容易理解和掌握，理想物理模型就是科学抽象方法的一种形式，它是以客观实体为原型经过科学抽象的产物，是客体特征的反映。通过物理理想模型教学，突出问题的主要因素、约化次要因素，帮助学生建立起清晰地物理研究对象，达到疏通思维渠道，使物理问题化繁为简、化难为易，起到降低教学难度的作用，易于学生理解掌握