1、構(gòu)建物理模型發(fā)展學(xué)生思維關(guān)鍵詞：建構(gòu)主義、物理模型、抽象思維、形象思維、創(chuàng)造性思維論文概述：本文概述了物理模型的定義和它的理論基礎(chǔ)，詳細介紹了物理模型的構(gòu)建對物理學(xué)發(fā)展和物理思維訓(xùn)練起的作用，及其如何在高中物理課堂教學(xué)中構(gòu)建物理模型，最終達到培養(yǎng)學(xué)生物理創(chuàng)造性思維的目的。一、物理模型的概述物理模型是理論知識的一種初級形式，就是將我們研究的物理對象或物理過程、情境通過抽象、理想化、簡化、和類比等方法，進行“去次取主”、“化繁為簡”的處理，把反應(yīng)研究對象的本質(zhì)特征抽象出來，構(gòu)成一個概念或?qū)嵨锏捏w系，就形成物理模型。物理模型既源于實踐,而又高于實踐，在我們的生活、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域中帶有普遍的共性特征，

2、具有一定的抽象概括性。物理模型的構(gòu)建是一種重要的科學(xué)思維方法，通過對物理現(xiàn)象或過程，從而尋找出反映物理現(xiàn)象或物理過程的內(nèi)在本質(zhì)及內(nèi)在規(guī)律達到認識問題的目的。物理模型的構(gòu)建是建立在建構(gòu)主義的基石上的。建構(gòu)主義對學(xué)習(xí)的解釋主要有以下幾點：、學(xué)習(xí)是一種建構(gòu)的過程。知識來之于人們與環(huán)境的交互過程中。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)新的知識單元時，不是通過教師的傳授而獲得知識，而是通過個體對知識單元的經(jīng)驗解釋從而將知識變成了自己的內(nèi)部表述。因此，教學(xué)的目標是使學(xué)生形成對知識的深刻理解，即"為理解而學(xué)習(xí)"。、學(xué)習(xí)是一種活動的過程。學(xué)習(xí)過程并非是一種機械的接受過程，在知識的傳遞過程中，學(xué)習(xí)者是一個極活躍的因

3、素。教學(xué)的過程就是引導(dǎo)學(xué)生的高級思維活動來解決問題的過程，即"通過問題解決來學(xué)習(xí)"。這就要求教學(xué)要引導(dǎo)學(xué)生不斷思考，不斷地對各種信息和觀念進行加工和轉(zhuǎn)換，通過新、舊知識經(jīng)驗的相互作用完成對知識的建構(gòu)。、學(xué)習(xí)必須處于真實的情境中。學(xué)習(xí)發(fā)生的最佳情境不應(yīng)該是簡單抽象的，相反，只有在真實世界的情境中才能使學(xué)習(xí)變得更為有效。學(xué)習(xí)的目的不僅僅是要讓學(xué)生懂得某些知識，而且要讓學(xué)生能真正運用所學(xué)知識去解決現(xiàn)實世界中的實際問題。二、構(gòu)建物理模型的作用1、物理模型是物理規(guī)律和理論賴以建立的基礎(chǔ)。物理學(xué)的目的是探索自然界廣泛存在的各種最基本的運動形態(tài)、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其相互作用，為自然界物質(zhì)的運動

4、、結(jié)構(gòu)及相互作用提供一幅絢麗多彩、結(jié)構(gòu)嚴謹?shù)膱D畫，以便人們認識世界和改造世界。要達到這樣的目的，必須得出反映物理現(xiàn)象、物理過程在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化的規(guī)律，揭示物理事物本質(zhì)屬性之間的聯(lián)系，此即物理規(guī)律，并要求在此基礎(chǔ)上形成系統(tǒng)的、自洽的、嚴密的物理理論。而由于自然界物質(zhì)的復(fù)雜性和多樣性，完全按照物理客體的本來面目進行研究，問題將變得很復(fù)雜，很難得出定量的物理規(guī)律和系統(tǒng)的物理理論，這就要求我們對其進行抽象，得出反映物理客體本質(zhì)屬性的物理模型。法拉第在1852年，對帶電體、磁體周圍空間存在的物質(zhì)，設(shè)想出電場線、磁場線一類力線的模型，并用鐵粉顯示了磁棒周圍的磁力線分布形狀，從而建立了場的概

5、念，對當前的傳統(tǒng)觀念是一個重大的突破。1905年愛因斯坦受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，大膽地建立了光子模型，并提出著名的愛因斯坦光電效應(yīng)方程，圓滿地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。盧瑟福以特有的洞察力和直覺，抓住粒子轟擊金箔有大角度偏轉(zhuǎn)這一反?，F(xiàn)象，從原子內(nèi)存在強電場的思想出發(fā)，于1911年構(gòu)思出原子的核式結(jié)構(gòu)模型。“哈勃定律”所反映的大爆炸宇宙模型，指出了我們周圍的宇宙并不是靜態(tài)的、恒定的、而是動態(tài)的、膨脹的。從而沖破了傳統(tǒng)觀念的束縛，為研究宇宙的起源和演化掃清了道路。2、利用物理模型可解釋物理現(xiàn)象和實驗定律。利用物理模型，可得出一些是實驗事實相符合的理論結(jié)果，從而解釋物理現(xiàn)象和實驗定律。例如愛因斯坦建立光的

6、波粒二象性模型來解釋光電效應(yīng)實驗事實。光電效應(yīng)是當光照射到金屬上時，有電子從金屬中逸出。這種電子稱為光電子。實驗證明，只有當光的頻率大于一定值時，才有光電子發(fā)射出來；如果光的頻率低于這個值，則不論光的強度多大，照射時間多長，都沒有光電子產(chǎn)生；光電子能量只與光的頻率有關(guān)，而與光的強度無關(guān)，光的頻率越高，光電子的能量就越大；光的強度只影響光電子的數(shù)目，強度增大，光電子的數(shù)目就增多。按照愛因斯坦光的波、粒二象性模型，當光照射到金屬表面時，能量為的光子被電子吸收。電子把這個能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引力做功（逸出功）,另一部分就是電子離開金屬表面后的動能。這個能量關(guān)系可寫為。這樣就利用愛因斯

7、坦光的波粒二象性對光電效應(yīng)的實驗結(jié)果作出了完美的解釋。、利用物理模型可作出科學(xué)的預(yù)言。作為對物理事物簡化描述的物理模型，不僅能夠解釋物理現(xiàn)象和實驗定律，而且也常常能夠作出科學(xué)的預(yù)言，指明進一步研究的方向。比如海王星的發(fā)現(xiàn)就是對物理模型的研究而作出科學(xué)預(yù)言的實例。法國學(xué)者布瓦爾得通過不斷地對天王星觀測后發(fā)現(xiàn)，根據(jù)不同時間的資料計算出的天王星運行軌道互不相同。德國數(shù)學(xué)家貝塞爾為解釋這一實驗事實，利用開普勒行星軌道模型和牛頓引力理論，大膽預(yù)言存在一顆新的行星。1946年9月23日，德國天文學(xué)家伽勒觀測到了這顆行星，即海王星，從而證實了貝塞爾預(yù)言的正確性。4、教學(xué)中物理模型的構(gòu)建實質(zhì)上就是培養(yǎng)物理的創(chuàng)

8、造性思維。所謂物理創(chuàng)造性思維，就是物理思維結(jié)果具有新奇性、獨創(chuàng)性、目的性和價值性的物理思維活動。首先，思維的產(chǎn)品必須是新奇的和有獨創(chuàng)的，其次，思維的產(chǎn)品必須符合物理思維的目的和具有一定的價值。物理思維的獨創(chuàng)性是在思維深刻性的基礎(chǔ)上引申出來的一個思維品質(zhì)，主要表現(xiàn)為善于提出新的物理問題，善于不依賴現(xiàn)成的解決問題的方法及別人的思想和暗示，善于采用新的思路和方法解決問題，善于采用新的實驗方法，設(shè)計新的實驗方案，善于對物理事實和規(guī)律提出新的解釋和理解，允許不尋常的思維自由馳騁。因此，物理創(chuàng)造性思維包括兩方面內(nèi)容：一是重新安排、組合已有的物理知識，創(chuàng)造出新的知識和形象；二是突破已有的物理知識，提出嶄新的

9、見解、設(shè)想、思路和觀點等。當然，實際上，物理創(chuàng)造性思維不是一種基本的思維形式，而是物理抽象思維、形象思維和直覺思維的綜合。物理模型有兩個主要特征。一是抽象性和形象性的統(tǒng)一。一般情況下，物理模型的建立過程是一個抽象思維和形象思維相結(jié)合的過程，而建立的物理模型本身又是抽象性與形象性的統(tǒng)一體。例如，盧瑟福的原子核核式模型。盧瑟福從實驗事實（粒子散射實驗）出發(fā)，分析粒子偏轉(zhuǎn)的三種現(xiàn)象，推翻湯姆生的葡萄干布丁模型，再建立起原子核的核式結(jié)構(gòu)。在這一過程中，既利用了分析、比較、抽象、概括等抽象思維的方法，也利用了形象類比等形象思維的方法，是抽象思維和形象思維共同作用的過程。二是科學(xué)性與假定性的統(tǒng)一。物理模型

10、不僅反映了原型的直觀形象，反映了原型的主要特征，抓住了影響問題的主要因素，而且要以科學(xué)知識和實驗事實為依據(jù)，經(jīng)過分析、綜合、比較、抽象、概括、推理等一系列嚴格的邏輯論證，從而建立起相應(yīng)的物理模型，所以，具有一定的科學(xué)性。三、在高中物理教學(xué)中如何建模？在研究物理問題當中，將物理對象、物理過程或物理情境處理成簡單的模型后進行分析與計算十分常見。例如宏觀現(xiàn)象中的“日心說”、微觀現(xiàn)象中的“原子核式結(jié)構(gòu)模型”等；又如物理概念的建模有：質(zhì)點、點電荷、單擺、彈簧振子、電場線等；物理過程的建模有：勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動、勻速圓周運動、簡諧運動、簡諧波等；物理情境的建模有：碰撞模型

11、、子彈打木塊模型、帶電粒子在電場中運動模型等；物理實驗的建模有：伽利略的理想實驗?zāi)Ｐ?、盧瑟福的粒子散射實驗等。、對物理概念建模。物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是物理事物的抽象，是觀察、實驗和物理思維的產(chǎn)物。任何物理概念的形成都離不開物理思維。例如，雖然人們經(jīng)常能觀察到天體的運動、人的行走、動物的奔跑、車輛的前進、機器的運轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，但如果不通過分析、比較、抽象、概括等物理思維過程，找出它們共同的、本質(zhì)的屬性和特征，即一個物體相對于另一個物體位置的變化，就不可能建立機械運動的概念。而我們在建立物理概念的時候，又必須忽略所研究物理原型的一些次要因素，抓住影響物理事物的

12、主要因素來反映所研究的物理事物的本質(zhì)屬性，這樣就建立理想化的物理模型，如質(zhì)點、理想氣體、點電荷、純電阻、剛體、理想流體、絕對黑體等等。我們在研究地球繞太陽公轉(zhuǎn)時，可忽略地球的大小、形狀，把地球簡化為一個有質(zhì)量的點質(zhì)點來考慮，并可得出許多與觀測數(shù)據(jù)基本相符的結(jié)論。這是由于地球與太陽的平均距離（約為）遠大于地球的半徑（約為），地球上各點相對于太陽的運動可以看成是相同的，質(zhì)點正確地反映了地球繞太陽公轉(zhuǎn)這一過程中地球的特征。但當研究地球自轉(zhuǎn)時，地球的大小和形狀就與影響這一運動的主要因素，不能忽略，質(zhì)點不能反映這一運動中地球的本來面目。、對物理過程建模。在中學(xué)物理中建立的理想化的物理過程有勻速直線運動、

13、勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動、勻速圓周運動、簡諧運動、簡諧波、絕熱過程等。它們從不同的側(cè)面和角度描述和揭示了各種問題中實際過程的特征，也標志著物理學(xué)研究的深化。如高中物理非常重要的一個運動模型單擺，由一根不可伸長的細線，系一可視為質(zhì)點的擺球構(gòu)成，顯然，它是一種抽象化了的理想模型。當單擺振動時，其回復(fù)力由重力沿圓弧切線方向的分力提供，如右圖所示，當單擺的最大擺角時，單擺運動為簡諧運動。其運動周期為。單擺擺球的運動軌跡是一小段圓弧，其軌道半徑R與等效擺長相等，即=R，因此，對于許多形異質(zhì)同的單擺物理模型，不管有無“懸點”，只要搞清了圓弧軌道的半徑R，單擺的周期即可用計算，若是在其它場中的

14、單擺模型，則要找出等效重力加速度“”,周期則用計算。、對物理情境建模?！扒榫场苯虒W(xué)是建構(gòu)主義當然也是物理教學(xué)中特別提倡的，讓學(xué)生在情境中學(xué)，能給枯燥的學(xué)習(xí)生活帶來活力，尤其是從學(xué)生喜聞樂見的生活實際出發(fā)，以圖畫、情境、過程展現(xiàn)出來，使學(xué)生親身體驗物理就在生活當中，物理就在我們身邊，給學(xué)生提供充分動手操作，自主探索和交流的機會，讓學(xué)生主動研究充滿物理規(guī)律的實際問題，思維能力，情感態(tài)度等方面都得到進步。在創(chuàng)設(shè)情境中要注意情境的生活化、現(xiàn)實性。在高中物理常見的物理情境模型在力學(xué)中有碰撞模型、反沖模型、子彈打木塊模型、皮帶運送模型、彈簧模型等，在電學(xué)中有帶電粒子在電場中運動模型、帶電粒子在磁場中運動模

15、型、帶電粒子在復(fù)合場中運動模型、金屬棒運動切割磁感線的模型、金屬框穿過磁場運動的模型等等。下面以“碰撞模型“教學(xué)為例來說明如何構(gòu)建物理情境的模型。第一階段具體講述碰撞的基本定義和所含有的物理規(guī)律。物理學(xué)中出現(xiàn)的“碰撞”是指兩個物體間碰撞力極大而碰撞時間極短的作用過程，相碰撞的兩物體作用時間雖然很短，但作用力很大，所以它們相互作用的沖量不可忽視，兩個物體的動量因而都要發(fā)生變化，在它們相互作用的極短時間里，一般重力、摩擦力（特別大的力除外）在這樣短的時間里可以忽略不計，所以我們可近似地認為一切碰撞過程中，相碰物體組成的系統(tǒng)總動量守恒。碰撞的形式主要分為：（）彈性碰撞，又稱完全彈性碰撞。在這個過程中

16、，無能量損失，故遵循動量守恒定律和機械能守恒定律。（）非彈性碰撞，有一定的能量損失，故機械能不守恒，而系統(tǒng)動量守恒。（）完全非彈性碰撞，碰撞時能量損失最大，但仍遵循動量守恒定律，機械能不守恒。第二階段為了讓學(xué)生對碰撞模型有感性認識，拋出碰撞模型（一）初級資源，讓學(xué)生從最簡單的碰撞情境出發(fā)做了解。第三階段理解碰撞模型在應(yīng)用時要注意與一些實際的限制性條件結(jié)合起來，拋出碰撞模型（二）中級資源的相關(guān)問題。第四階段如何在一些運動情境并不很清晰的實際問題的基礎(chǔ)上提煉出碰撞的情境并構(gòu)建出碰撞模型來，即自己創(chuàng)建模型來解決實際問題。這才是教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)，最能體現(xiàn)學(xué)生建模能力的環(huán)節(jié)。通過以上幾個層次的理解和逐

17、步練習(xí)，讓學(xué)生對碰撞情境的模型的特征及其相關(guān)的物理規(guī)律了如指掌，解決問題時完全可以達到觸類旁通的境界，學(xué)生對建模的興趣和積極性也就被激發(fā)出來了。、對物理實驗建模。實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，真實實驗是一種可實現(xiàn)的、科學(xué)的實踐活動，其目的在于獲得物理思維的材料，檢驗物理理論或假說是否正確；理想實驗也叫“假想實驗”，是人們在真實實驗的基礎(chǔ)上，在理想或極端條件下，充分發(fā)揮想象力，利用邏輯推理又輔助以形象變換的思維過程。是物理學(xué)家源于自身經(jīng)驗而又超出自身經(jīng)驗的一種高級思維活動，它以實踐為基礎(chǔ)，是在科學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，對實際研究過程中出現(xiàn)的問題進行辯證的、深入的、十分抽象的思維。根據(jù)理想實驗的結(jié)果，對某種看法或斷

18、言作出檢驗或評判，有時還能得出一些新的物理規(guī)律，而不必顧慮技術(shù)上的困難。例如著名的伽利略理想實驗：AB、CD是光滑的、無阻力的理想斜面。當小球從高為H的光滑斜面AB上滾下，滾到對面一個光滑斜面CD上時，不論CD斜面的坡度如何，它總會滾到相同的高度H上。如果CD斜面的坡度越來越小，則小球?qū)⒃綕L越遠，當這一光滑斜面CD放至水平位置并無限遠伸時，那么小球?qū)⒂肋h不能達到H這一高度，它將以到達斜面AB底端的速度一直沿平面無止境地運動下去。后來牛頓從該理想實驗出發(fā)總結(jié)出牛頓第一定律，從而也就推翻了自亞里士多德以來一千多年里關(guān)于受力運動的物體，當外力停止作用時便歸于靜止的觀念，為近代力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。四、結(jié)束語筆者在這幾年的教學(xué)中重視物理模型的構(gòu)建和建模意識的培養(yǎng)，自覺效果不錯，首先是大部分學(xué)生感覺在學(xué)習(xí)中不僅僅是只記住一些零碎的、片面的概念、原理，而是獲得結(jié)構(gòu)化的、整合的知識，使學(xué)生對紛呈復(fù)雜的物理現(xiàn)象、物理問題形成多角的、豐富的理解，從而使他們在面對新問題