物理学是研究物理现象及其变化规律的科学。事物之间复杂的相互联系,一方面反映了必然联系的规律性,同时又存在着许多偶然性,使我们的研究产生了复杂性。为了使研究变为可能和简化,常采取先忽略某些次要因素,把问题理想化的方法。这就是先建立物理模型,然后在一定条件下,用于处理某些实际问题。物理模型是把研究对象抽象成某种理想模型,然后研究理想模型的物理过程并选用正确的物理方法。物理模型是在抓住主要因素忽略次要因素的基础上建立起来的,它能具体、形象、生动、深刻地反映事物的本质和主流。
一、物理建模在教学中有巨大的作用
物理模型是对物理现象本质属性的抽象和纯化,突出反映了它所代表的原型的性质和规律。物理学研究的基本方法是通过观察和实验提出模型假设,再经过实际应用与实验加以检验和修正,从而建立正确的物理模型。学生的对物理学的认知过程,也是在原有的认知结构中不断建立一系列新的“物理模型”,从而进行知识的积累与深化的过程。因此在物理教学中,增强“建模”意识,重视物理模型的教学,既有利于学生掌握物理知识,提高应用知识的能力,也可以引导学生形成科学的学习习惯和方法,提高学生素质。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。使学生学习这些新知识时容易理解和接受。建立和正确使用物理模型有利于学生将复杂问题简单化、明了化,使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明,突出了事物间的主要矛盾。建立和正确使用物理模型对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易,起到事半功倍的效果。
二、基本模型的建立
基本物理模型是关于物理现象的一般性模型,反映了物理学的基本规律,因此建立好基本模型是物理教学的基础性工作。学生通过观察、思考,在对物理现象的感性认识基础上形成与相应的物理概念、规律相结合从而在认知结构中建立起崭新的物理模型,这是模型认知的一般规律。物理教学中,可利用多种形象、直观的教学手段,充分展示物理现象中的各状态及过程的物理图景,帮助学生认识模型形式及内含的物理规律,这样既能激发学生的兴趣又可有效地降低学生建立模型的难度,提高学习效率。具体方法举例如下:
1、实验法。物理实验是物理模型教学的主要方法。如“自感”的物理模型是比较抽象的,在演示自感现象时,可在电路中串入电流计观察断电自感时的自感电流方向,使学生直观地认识自感电动势的作用,化抽象为形象。
2、实物模型法。借助于一些实物制作的模型,可以直观地反映出与空间方向、位置有关的物理过程,帮助学生想象、理解物理现象的空间模型。如交流电的教学中,利用放大的线圈及磁体实物模型,可直观地再现交流电产生过程中,线圈平面与中性面、磁感线方向的关系,更可仔细观察到线圈两边在转动中切割磁感线的情况,从而对交流电的方向变化、大小变化有形象化的认识,再推导出交流电的瞬时表达式,绘出正弦图象,建立起交流电的模型。
3、投影片重叠法。这一方法是将与某一物理过程相关的各种图形制作成多张投影片,重叠使用,或平移,或叠加、或翻转,从而形象地展示出变化的规律。如将绘有正弦图象的胶片在绘有坐标的胶片上平移,可以直观地反映波形平移的规律。又如在绘有磁体及其周围磁感线的胶片上叠放绘有线圈的胶片,移动或翻转上面的胶片,可以直观地观察出线圈在各种磁场中运动时磁通量的变化,建立磁通量变化的物理模型。
4、软件模拟法。有些动态的物理过程用通常的手段很难展现出来,而利用计算机软件编制教学课件,则可以克服这一困难。如振荡电路中振荡电流的形成学生很难理解,教学中可以利用软件设计一个反映LC回路中电容器充、放电过程的计算机动画,使学生能够直观地认识电磁振荡的产生过程。
三、在教学中利用物理模型的注意事项
在物理教学中使用模型是要有条件的,在使用模型时,必须注意如下问题:一是模型是在一定条件下适用的。建立物理模型,可使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。二是物理模型是在不断完善发展的。随着社会的不断进步,人类对事物的本质的认识也是不断深入和提高的,物理模型也相应地由初级向高级发展并不断完善。事物千差万别,各门学科的研究、学习都有着各自独特的方法.物理课堂教学不能只满足于知识的传授,让学生记住定律,背出公式,会做习题就行了,而应立足于物理思想方法进行物理教学,在课堂教学中进行方法论的渗透,这对学生提高获取知识的能力会大有帮助,使学生终身受益,因此应予以足够的重视。采用物理模型来代替实在的客体,就可以使事物的规律具有比较简单的形式,从而便于人们去认识和掌握它们。建立正确的物理模型可使我们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,物理模型在教学领域有着重要的价值。
四、模型分析的学法指导
分析物理问题的一般思路应该是:审题→确定研究对象→分析物理状态、过程→建立物理模型→应用物理规律求解→检验。学生往往忽略了从确定对象到建立模型这一关键的过程,而是直接套用公式造成错误。教学中教师要注重对学生进行思考方法的指导,帮助学生克服思维简单化的毛病。通过实例,引导学生学会在审题、分析物理对象所处的状态、过程的基础上还原其中的物理模型,使学生养成全面、深入地认识问题的习惯。实际问题常常是错综复杂的,学生若仅是用脑去想象它的物理模型会觉得很抽象、困难,教师可以指导学生学会通过作图,形象地反映出问题中的物理状态、过程以及各种条件,帮助自己清晰地认识物理图景,还原物理模型,降低思维的难度,使学生养成运用模型分析、解决问题的习惯,提高物理教学效果。