物理建模的思想方法

高中《物理建模》课程开发的研究慈溪中学叶全浩本课题获宁波市第五届基础教育教学成果奖教育研究最佳实验室之一就是教室。教师专业发展最佳途径之一就是课题研究。教师执教能力发展最佳途径之一就是课程开发。一、研究的背景及意义1、研究思想的产生1989届、1992届、1995届连续三届学生的高考成绩与全国物理竞赛成绩引起我对自己教学过程的思考，发现课堂教学中重视物理过程的分析与物理思维方法教育对提高学生物理水平比较有效，两者结合起来就是要重视物理建模的过程。因而1996年开始就着手进行物理建模的研究。2、建模是人类预测能力发展、社会文明程度提高的重要标志.建模思想渗透于各个领域，如：房屋建筑模型、航空航天模型、桥梁建筑模型、经济动力学模型等。法国科学方法论学者阿雷指出：科学的基本活动，就是探索和制定模型。3、数学建模活动，引起我对物理建模的进一步思考。物理学原是客观研究物质万象的学科，建模思想源于物理，物理教学本身就是一种物理模型的教学，它是景象与意象相结合的教学，也是具象与抽象相结合的教学。是感性思维与理性思维的统一。在物理学习中培养学生的建模思维，有得天独厚的学科优势。物理建模教育可以使学生冲破现实与经验的局限，对物理概念和规律进行心理成像；用建模作为认知的工具，可形成富有想象力的教学。4、《普通高中物理课程标准》在过程与方法的目标中指出：“通过物理概念和物理规律的学习过程，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发展中的作用。”5、浙江省深化普通高中课程改革（六）增加选修。选修课程分为知识拓展、职业技能、兴趣特长、社会实践等四类。（1）知识拓展类选修课程包括必修内容的拓展课程、大学初级课程、介绍学科最新成果的课程和学科应用性课程等，旨在让学生形成更为扎实的知识基础。（2）职业技能类选修课程是通过中等职业学校合作，从职业教育引入的职业教育课程，旨在让学生掌握一定的职业技能，培养创新精神和动手能力。（3）兴趣特长类选修课程为有助于培养学生兴趣，发展个性特长的各类课程。（4）社会实践类选修课程指指调查探究活动、社会实践活动、校园文化活动、学生社团活动等课程。6、有利于提高学生科学思想方法。物理建模着重解决与物理模型相关的建模问题，为学生之后的学习与工作打下方法论基础。从哲学角度来说，在处理具体问题时，学会抓住事物的主要因素与本质特征，忽略事物的次要因素，从而科学地解决问题。二、《物理建模》课程的构建与实施本课题已经历整整16年的研究与实践，共分三个阶段。第一阶段，1996年到1999年。对高中物理教材中建模过程进行梳理。初步确定物理建模的目标、内容、过程、策略。分析高中物理建模的过程。总是遵循这样一条重要的方法论原则，即从简到繁，先易后难，循序渐进，逐步深入。分析物理模型的特点。物理模型是抽象性和形象性的统一。物理模型的建立是舍弃次要因素，把握主要因素,化复杂为简单，完成由现象到本质、由具体到抽象的过程，而模型的本身又具有直观形象的特点。物理模型是科学性和假定性的辩证统一。理想模型来源于现实，又高于现实，是抽象思维与形象思维相结合的结果。分析物理模型的主要功能。可以使问题大为简化，从中较为方便地得出物理基本规律。可以对模型讨论的结果稍加修正，即可用于实际事物的分析和研究。有助于对客观物理世界的真实认识，达到认识世界，改造世界的目的。总结高中物理模型的类型。根据物理研究的内容进行分类，高中物理模型类型有：研究对象模型化，研究对象所处的条件模型化，理想化实验，物理中的数学模型等。经研究认为物理建模的前提是学生头脑中必须有丰富的物理表象。第二阶段，2000年到2005年，构建《物理建模》课程的结构。第一章物理建模的意义及作用1、什么叫物理模型2、物理模型在物理学发展中的作用3、物理建模有利于形成正确的科学文化第二章物理建模的思想方法4、物理建模的思想方法5、物理建模的原型6、物理建模的基础7、物理建模的科学方法8、物理模型的进化第三章物理模型的分类9、对象模型10、条件模型11、过程模型12、数学模型第四章典型的物理模型13、天体运行模型14、弹簧振子模型15、单摆振动模型16、理想气体模型17、“柱体”导电模型18、原子结构模型第五章物理建模在工程技术中的应用19、房屋建筑模型20、桥梁建筑模型21、航空航天模型第六章物理建模在物理解题中的应用22、物理建模与物理解题(模型法解题）第三阶段，2006年到2013年，撰写纲要，建立比较完整的建模教育体系。《物理建模》课程性质：将物理知识、物理方法、物理思想融为一体，理论性与技能性相结合的课程。物理建模教育的目标：⑴使学生掌握物理建模的过程与方法；⑵使学生正确认识高中教科书中的有关物理模型；⑶要求学生会用物理模型解决一些实际问题。物理建模教育的内容：物理建模教育的内容框架体系（见校本教材）。物理建模教育的基本策略：物理建模教育要尽可能地通过实验、图片、模型等方法丰富学生的表象，在客观事实与实验的基础上抽象与构造物理模型。在课堂教学中不断渗透物理建模教育，介绍科学家物理建模的历史过程与方法。在习题课中有意识地运用物理模型解决实际问题，以物理模型为专题编印训练题。总结确定高中物理建模的总体思路构建物理模型的主要步骤。运用物理模型解决实际问题的步骤。物理建模教育的评价。在此基础上再写课程纲要，按课程纲要对原教材重新进行修改。三、研究成果与反思经过三个阶段的研究与实践，结累了资料，写出《物理建模课程纲要》、《物理建模》的校本教材(另附)，形成了物理建模教育的比较完整的体系。通过物理建模教育的研究得到以下几方面成果：（一）理论成果1、比较完整地界定了物理建模课程的基本概念。1、物理模型。模型是一个广义的概念。有一类称为物质模型，另一类称为理想模型。它是根据人们的抽象思维和想象力，采用理想化和纯粹化的办法，所创造的能再现原型的本质联系和内在特性的一种简化模型。后者是在物理学研究中常用的模型。物理学中的规律就是通过对理想化的物理模型的研究得出来的。本课题研究所指的物理模型就是这一类模型。2、物理建模。将实际问题转化为纯物理问题，运用合适的物理模型加以解决叫物理建模。3、物理建模的思想在客观实际的现象中提取物理问题，为了让问题能变得清晰，自然、有条理，我们常常是忽略某些次要因素或暂时可以不考虑的因素，抓住主要因素各个击破，建立相应的物理模型，利用物理模型，能具体、形象、生动、直观、深刻地反映出事物的本质和特征，明确分析思路，然后利用相关规律给以分析处理，解决问题，这就是物理建模的思想。从哲学层面上明确以下三项建模基本思想：物理模型的建立不是孤立的，而是与周围事物联系在一起的。物理模型成立是有条件的，相对的，不是绝对的，所以要用相对的、联系的观点看待物理模型。（典型例子）物理模型是变化发展的。4、物理建模教育。通过实验与事实，丰富学生头脑中的表象，选取高中物理中若干著名的物理模型，通过剖析它们在科学认识中的作用及它们的建立和发展、演化过程，展示物理模型所包含的丰富内涵及其科学文化。让学生经历物理模型的建立过程，从而理解物理知识深刻的内涵及外延，体会将物理知识应用于解决实际问题的思维和方法。5、物理建模教育的作用。物理模型是形成物理概念建立物理规律的基础。运用物理模型可以简化和纯化研究对象及其过程。运用物理模型有利于发挥想象力和物理抽象思维能力。物理建模有利于形成正确的科学文化。物理建模有利于形成解决物理问题的基本思路。2、形成了《物理建模》课程的教学体系。写出校本教材供全校使用。（二）实践效果1、2009年物理建模教育思想在省内进行推广，物理建模教育论文获浙江省学科教学论文一等奖成果入编普通高中《物理2》必修教师教学用书。研究成果中撰写的“航空航天模型”部分入编人民教育出版社出版的普通高中《物理2》必修教师教学用书，出版时间2007年5月。书号是：课）(109524178631077978GISBN物理建模教育课题获慈溪市第四届教育科研优秀成果一等奖高中物理建模课程获宁波市人民政府第五届基础教学成果二等奖2013年6月评为宁波市第三批精品课程推荐为省第三批普通高中选修课网络课程。立项为2013年浙江省教研重点规划课题。课题有关成果在以下单位作过推广：奉化市、镇海柴桥中学、宁波姜山中学、宁波李惠利中学、宁波二中、宁夏银川市第二中学、慈溪龙山中学、慈溪杨贤江中学、慈溪实验高级中学、慈溪育才中学、余姚市第二中学、余姚市第五中学。在省新教材备课会议上作过介绍，并多次在宁波市教研室组织的和慈溪市教研室组织的高中物理备课会议及高考复习会义上作过介绍。2、通过建模教育，提高了学生物理建模的思想方法，使学生明确物理建模基本思想。3、通过建模教育，使学生学会了构建与运用物理模型解决实际问题的基本策略。①通过物理建模教育使学生解决物理问题的建模过程形成如下总的思路：物理事实物理问题建立物理模型运用物理模型重新解释或修正②学生学会了构建物理模型的一般步骤。第一步：建模中第一件要做的事便是题目的选取，然后利用实体映射影像构建模型存储。第二步：利用对比方法，重视主要的，忽略次要的，构建模型存储。第三步：知识深化，状态——过程构建模型存储。第四步：知识类化，理想实验构建模型存储。第五步：知识交叉，物理——数学构建模型存储。③学生学会了运用物理模型解决实际问题的步骤。Ⅰ、模型准备Ⅱ、模型假设Ⅲ、模型建立Ⅳ、模型求解Ⅴ、模型分析Ⅵ、模型检验Ⅶ、模型应用解题建模的具体步骤可用下面框图表示：模型分析模型检验模型准备模型假设模型建立模型求解模型应用I=Q/t=nqvtS/t=nqvSF=ILBI=nqvSF=（nqvS）LB这段导线中含有电荷数为N=nLS则f=qvB例题、潮汐是一种常见的自然现象，发生在杭州湾钱塘江入海口的“钱江潮”是闻名世界的潮汐现象．在农历初一和十五前后各有一次大潮，在两次大潮之间又各有一次小潮．试把每月中出现两次大潮时地球、月球和太阳的相对位置示意图定性地画在下面．试把每月中出现两次小潮时地球、月球和太阳的相对位置示意图定性地画在下面．4、通过建模教育，使学生掌握了高中物理中典型的物理模型。理解物理模型是对基础知识的高度概括，物理模型具有典型性、抽象性等特点。理解物理模型集基本概念与基本规律于一体。理解物理模型是一个理想化的形态。从不同的角度研究物理模型可以有不同的区分方法。根据中学物理的特点及模型的主要功能，物理模型分为以下几类：（1）研究对象模型化（2）研究对象所处的条件模型化（3）理想化实验（4）物理状态和物理过程的模型化（5）物理中的数学模型(1)对象模型通过对实际问题仔细研究，发现其特点，充分联想，建立某个对象，我们称之为概念或对象模型。主要基于两种情况：一种情况是为了突出客观实体的主要矛盾或本质因素，采用了剪叶去枝的方法，摒弃了一些次要的非本质的因素，使研究客体简化和纯化后，从客观实体中直接抽象出来的，它的目的是为了简化对问题的研究。另一种情况是为了解释某些行为和特性建立起来的模型。同一个客观物体在不同场合可以抽象成不同的对象模型。对于其它对象模型，同样需要注意各自的背景条件。[例题]一间新房即将建成时要封顶，考虑到下雨时落至房顶的雨滴能尽快地淌离房顶，要设计好房顶的坡度，设雨滴沿房顶下淌时做无初速度无摩擦的运动，那么图1中所示四种情况中符合要求的是（）(2)条件模型把研究对象所处的外部条件理想化，排除外部条件中干扰研究对象运动变化的次要因素，突出外部条件的本质特征或最主要的方面，从而建立的物理模型称条件模型。引入条件模型主要是为了简化对问题的研究。把外部条件抽象成一定的物理模型，往往仅同限于某一个范围内，不能任意地无限延扩。(3)理想化实验。在物理实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，把实际过程理想化，找出其规律。例如，伽利略的理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础。(4)过程物理模型把具体物理过程纯粹化、理想化后