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關(guān)于物理模型在高中物理教學(xué)中的討論教育論文
傳統(tǒng)教育在許多方面抹殺了學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性，在教學(xué)過程中以教師向?qū)W生的知識灌輸為中心，遵從“知識輸入→知識儲存→知識提取”這一不變主旋律，把學(xué)生僅僅看做是知識的儲存器。學(xué)生的主動性、創(chuàng)造性得不到充分的發(fā)展，反而受到壓抑。現(xiàn)在大力提倡創(chuàng)新教育，就要求教師轉(zhuǎn)變教育觀念，緊緊抓住以學(xué)生為主體這一教學(xué)特征，讓學(xué)生學(xué)會思維，掌握處理實際問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，而不僅僅是讓學(xué)生學(xué)習(xí)必要的物理基礎(chǔ)知識。
在物理教學(xué)中的教學(xué)方法很多，而物理模型教學(xué)法可以說是其中很重要的一種方法。縱觀物理學(xué)的發(fā)展史，模型方法在物理學(xué)的產(chǎn)生發(fā)展過程中發(fā)揮了重大的作用。物理學(xué)的發(fā)展史可以說是一個建立物理模型和用新的物理模型代替舊的物理模型的過程。物理學(xué)中的概念、規(guī)律和公式等幾乎都是借助于物理模型進(jìn)行抽象概括而來的。可以說，不了解和不掌握物理模型的方法，就學(xué)不好物理。
建立正確鮮明的物理模型本身就是重要的物理內(nèi)容之一，它與相應(yīng)的物理概念、規(guī)律現(xiàn)象相依托，它是物理教學(xué)的重要方法和有力的手段之一。同時了解物理模型的遷移和轉(zhuǎn)化，對于物理邏輯的培養(yǎng)和學(xué)習(xí)能力的提高具有深遠(yuǎn)的影響，所以我們應(yīng)充分重視物理教學(xué)中的物理模型教學(xué)法的作用。
下面，我們就針對在高中物理教學(xué)過程中出現(xiàn)的模型問題從三個方面進(jìn)行討論。
一、利用物理模型強化對物理知識的理解
在高中物理的學(xué)習(xí)中有很多容易混淆的概念和規(guī)律，我們?nèi)绾螀^(qū)分這些知識對與我們理解和運用物理規(guī)律解決實際問題就有重要的指導(dǎo)作用。這里就針對力學(xué)的中的幾種容易混淆的概念模型進(jìn)行比較。
學(xué)生通過比較，可以很清晰地區(qū)分這些相接近的概念間的差異，在解決問題中有了明確的方向，提高了學(xué)習(xí)效率。
二、利用典型物理模型促進(jìn)物理知識的學(xué)習(xí)
在高中物理學(xué)習(xí)中，單擺是一個非常典型的物理模型。學(xué)習(xí)、理解、運用單擺這一模型對于我們學(xué)習(xí)簡諧振動有很重要的意義。現(xiàn)在，我們就來具體討論這個問題。
1.典型物理模型的學(xué)習(xí)
在教學(xué)中設(shè)計對比實驗，觀察并分析實驗現(xiàn)象，逐步建立模型。
先讓學(xué)生觀察下列對比實驗：
�。�1）兩個質(zhì)量不同，但擺長振幅相同的單擺振動。
�。�2）兩個擺長相同，但振幅不同（擺角都小于5度）的單擺的振動。
�。�3）兩個擺長不同的單擺的振動。
通過這一組演示實驗激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探究興趣，形成對單擺這一理想模型的初步認(rèn)識。進(jìn)而展開對物理現(xiàn)象的分析：
�。�1）實驗器材：輕質(zhì)繩（不可伸長）、小重球（密度大）；
�。�2）實驗的條件：小擺角（小于5度）；
（3）實驗的結(jié)論：等時性（來回擺一次時間相等）。
深入分析（運用抽象、近似等方法）可以得出單擺周期T=2π。經(jīng)過分析使單擺模型的物理表面與本質(zhì)特征統(tǒng)一起來。
2.典型物理模型的遷移
在物理學(xué)習(xí)中，不僅要學(xué)習(xí)一些典型的物理模型，而且要鞏固發(fā)展物理模型，將其放在一個更復(fù)雜的新環(huán)境中去加以應(yīng)用，促進(jìn)物理學(xué)習(xí)能力的提升。舉例說明：
豎直平面內(nèi)有一半徑為R的光滑圓弧軌道，a、b兩小球分別置于軌道圓心O點和離軌道底A點很近的B點處，如圖1所示，將它們同時由靜止釋放，忽略空氣阻力，問誰先到達(dá)A點？（此題求解的關(guān)鍵是對兩小球建立物理模型。）
分析如下：
首先，“小球”是一模糊語言，但從題目分析來看，可將球a、b大小忽略，抽象為質(zhì)點模型。
其次，由“靜止釋放”、“忽略空氣阻力”、“A點很近的b點處”、“光滑軌道”等描述。可將a球運動轉(zhuǎn)化為自由落體運動模型，而b球的運動轉(zhuǎn)化為單擺模型（聯(lián)想到光滑軌道對小球b支持力N相當(dāng)于單擺運動過程中擺線對擺球的拉力）如圖2所示。
最后，對兩小球分別運用自由落體運動規(guī)律和簡諧運動規(guī)律進(jìn)行求解。
對典型物理模型的學(xué)習(xí)和遷移可以使我們在解決問題時能夠迅速抓住問題的核心，對于我們學(xué)習(xí)物理有很大的幫助。
三、利用重要物理模型提高物理知識的學(xué)習(xí)能力
在高中物理學(xué)習(xí)的過程中，有許多重要的物理模型是我們在學(xué)習(xí)物理知識的過程中應(yīng)及時總結(jié)并加以應(yīng)用，這就要求我們在教學(xué)過程中有意識地對重要模型加以分析和歸納。
下面我們來討論在高中階段對學(xué)生解決問題有重要幫助作用的柱體微元模型。學(xué)生從單個質(zhì)點牛頓力學(xué)的學(xué)習(xí)，到連續(xù)介質(zhì)（流體、電荷等）問題的求解過程中，研究的對象從一個質(zhì)點躍遷到無數(shù)質(zhì)點組成的連續(xù)介質(zhì)，也要求學(xué)生解決問題時的思維上升一個臺階，通過運用微元柱體這一物理模型可以突破這類學(xué)生感到困難的問題。
1.質(zhì)量柱體微元模型
對于速度為v定向流動的密度為的連續(xù)流體，可在v方向選取一橫截面積為S的柱體微元，則在Δt時間內(nèi)通過S截面的流體質(zhì)量即為以vΔt為高、以S為底的柱體微元的質(zhì)量，如圖3所示。柱體微元質(zhì)量表達(dá)式為：Δm=SvΔt。
舉例說明：
人的心臟每跳一次大約輸送8×1的血液，正常人血壓（可看作心臟壓送血液的壓強）的平均值約為1.5×10Pa，心跳約每分鐘70次。據(jù)此估測心臟的平均功率約為多少瓦？
分析如下：
對該問題的解決不能只停留在原有的情景上，而應(yīng)將問題轉(zhuǎn)換成我們熟悉的問題來解決，即通過認(rèn)真讀題后，把實際問題加工改造成相關(guān)的物理模型來處理。如圖3所示，將心臟每跳動一次輸送的那部分血液視為一長為L，橫截面積為S的液柱。血液柱受到心臟的推力為F，每次心臟推動液柱前進(jìn)的位移為L。由壓強公式P=FS可知，心臟每跳動一次，推動血液做的功為：Ｗ=FL=PSL=PV其中V為心臟跳動一次輸送血液的體積。因心臟每分鐘跳動n=70次，故心臟的平均功率應(yīng)為：P=nW/t=70W/t=1.4W。
2.電荷柱體微元模型
類似于質(zhì)量柱體微元的建立，對于速度v定向連續(xù)移動的電荷（導(dǎo)體中傳導(dǎo)電流或真空中電流），也可以在v方向選取一橫截面積為S的柱體微元，則Δt時間內(nèi)通過S截面的電量即為以vΔt為高、S為底面積的柱體微元中的電荷的電量。柱體微元電荷表達(dá)式為：
ΔQ=NeSvΔt。其中N為單位體積中的自由電子數(shù)，e為電子電量。
舉例說明：
設(shè)導(dǎo)線橫截面積為S，其中單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為N。在電壓作用下，自由電子定向移動速度為v。試求導(dǎo)線中的電流強度。
分析如下：
在Δt時間內(nèi)取一段長vΔt的導(dǎo)線為研究對象，則在Δt時間內(nèi)流過S截面的電為ΔQ=NeSvΔt由電流強度定義I=ΔQ/Δt及上式得：I=NeSv，此式即為電流強度的微觀表式。
對于重要的物理模型，我們在教學(xué)過程中要讓學(xué)生理解透徹，同時逐漸學(xué)會將實際問題轉(zhuǎn)化為物理模型的本領(lǐng)，從而提高學(xué)習(xí)能力。
四、在高中物理教學(xué)中運用物理模型教學(xué)法，對于學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識具有很大的指導(dǎo)作用，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。
�。�1）有利于學(xué)生形成清晰的物理概念。物理概念是反映物理現(xiàn)象和過程的本質(zhì)屬性的思維形式，是物理事實的抽象，這不僅是物理基礎(chǔ)理論知識的一個重要組成部分，而且是構(gòu)成物理規(guī)律和公式的理論基礎(chǔ)，物理概念中有相當(dāng)一部分是以模型的形式出現(xiàn)（概念模型）。它們是物理現(xiàn)象和事實抽象出來的，用來表征物質(zhì)屬性和描述物質(zhì)運動狀態(tài)的。學(xué)生對物理模型這個科學(xué)方法的精髓是否領(lǐng)會，直接影響他對有關(guān)概念的理解、掌握和運用，影響對物理知識整個大廈的構(gòu)建，因為概念是構(gòu)建這個大廈的基石。
�。�2）有利學(xué)生對物理規(guī)律的正確理解。物理規(guī)律是物理知識的骨架，是物理學(xué)的核心的內(nèi)容。物理學(xué)中所總結(jié)出的反映運動變化的規(guī)律實質(zhì)上就是物理模型的運動變化規(guī)律，從研究的主體對象到研究的過程無不體現(xiàn)模型觀點和方法。物理規(guī)律的教學(xué)過程實質(zhì)上是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理模型，運用物理模型，有助于學(xué)生對物理規(guī)律的深刻理解，有利于學(xué)生對物理意義領(lǐng)會，準(zhǔn)確把握物理規(guī)律的成立條件和適用范圍。
（3）有利于學(xué)生解決實際問題。每一個具體的物理問題所描述的物理現(xiàn)象或過程都對應(yīng)著一定的物理模型，要解決問題必須要對對象進(jìn)行抽象簡化和近似處理，以建立起一個合適的物理模型，若模型建立起來了，就等于已經(jīng)揭開了掩蓋著物理現(xiàn)象和過程本質(zhì)的面紗，必要時再用等效、類比等方法將問題進(jìn)行異形處理（異化構(gòu)建模型），問題就迎刃而解了。
在當(dāng)前教育界把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力作為素質(zhì)教育主旋律的大背景下，以及國外物理教育改革的方向，我國的物理教學(xué)也將更多地面向科學(xué)、技術(shù)和社會。因此，在中學(xué)物理的教學(xué)中要有意識地向?qū)W生滲透和灌輸物理模型的思想，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)和掌握物理模型的能力。這不僅是學(xué)好物理書本知識的客觀需要，而且是素質(zhì)教育的必然走向。
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