建構(gòu)物理模型能力的調(diào)查

齊慧玲

山西省大同市勞動(dòng)保障培訓(xùn)中心 山西大同 037004

建構(gòu)物理模型能力的調(diào)查

齊慧玲

山西省大同市勞動(dòng)保障培訓(xùn)中心 山西大同 037004

為了提高學(xué)生的創(chuàng)造性能力，使學(xué)生的思維從知識立意轉(zhuǎn)向能力立意，正確建構(gòu)物理模型是研究物理問題的關(guān)鍵，也是抽象思維的結(jié)果。

物理模型 能力 調(diào)查 分析

一、問題的提出

物理學(xué)科的學(xué)習(xí)除了對知識內(nèi)容的要求外還必須注重能力要求，并應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)能力的重要性，使學(xué)生思維從知識立意轉(zhuǎn)向能力立意，并要合理安排能力考查的內(nèi)容，即獲取信息、推測答案、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)換信息、實(shí)際應(yīng)用和反思評價(jià)等。使能力立意中的建構(gòu)模型、邏輯推理、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)成為解決物理問題的思維過程。其中建構(gòu)物理模型是正確地研究物理問題關(guān)鍵，也是抽象思維的結(jié)果，一旦正確模型建立，可給新的抽象思維、邏輯推理、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)和基礎(chǔ)。

物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最一般的規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的科學(xué)。在實(shí)際情況中影響物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的因素往往是多元的、復(fù)雜的?？墒窃谖锢憩F(xiàn)象和物理規(guī)律的研究中常常忽略一些次要的、非本質(zhì)的因素，只考慮主要的、本質(zhì)的特征，從而建立起抽象的物理模型(以下簡稱“建?！?。并且這種抽象的物理模型能夠反映，而且是更深刻地反映實(shí)際物理現(xiàn)象的變化規(guī)律的。它突出呈現(xiàn)了對應(yīng)原始問題的分析、假設(shè)、抽象的物理加工過程以及物理工具、方法、模型的分析和選擇過程，能夠較完整地體現(xiàn)學(xué)物理和用物理的關(guān)系。

縱觀物理學(xué)史，我們就一定會深深地體會到它是一部物理模型史。伽俐略的理想斜面，牛頓的萬有引力理論模型、盧瑟福、玻爾的原子模型都是物理模型的典型范例。

通常所說的物理模型可分為以下四類：

對象模型：質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子、單擺、點(diǎn)電荷、純電阻、理想的繩和桿等。

條件模型：光滑水平面，無限長導(dǎo)線，足夠長的導(dǎo)軌，忽略空氣阻力和媒質(zhì)阻力。

過程模型：勻速直線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、勻強(qiáng)電場中的類自由落體運(yùn)動(dòng)等。

狀態(tài)模型：理想氣體的狀態(tài)，物體的平衡狀態(tài)。

近幾年,教學(xué)中就是圍繞培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)物理模型這一問題,設(shè)置情景,安排設(shè)問,來考查學(xué)生對物理基礎(chǔ)知識和基本方法掌握的清晰程度及學(xué)生的創(chuàng)造性能力。為了解學(xué)生物理建模水平，我們從近幾年試題和習(xí)題中，抽出部分需建構(gòu)不同類型模型有代表性題目，用考試的方法，進(jìn)行調(diào)查，分析(見表1)。

表1 學(xué)生建模能力調(diào)查表

二、調(diào)查的內(nèi)容和分析

對比表1，我們不難發(fā)現(xiàn)學(xué)生建模正確率與全部答對人數(shù)比較接近，說明構(gòu)建物理模型是解決物理問題的關(guān)鍵組成部分，為了進(jìn)一步了解學(xué)生對建模的思維深度，在講評測試卷之前，我們以調(diào)查問卷的形式，尋找學(xué)生思維過程的障礙及錯(cuò)誤(見圖1)。

圖1

分析結(jié)果，辨析題答錯(cuò)學(xué)生中，有18.8%的學(xué)生不知道解此題需要建構(gòu)理想的繩、理想的彈簧作為對象模型，有27.6%的學(xué)生不能正確理解：理想的繩是完全無彈性剛體模型，在拉力產(chǎn)生或拉力消失時(shí)，受力可以突變，不需要時(shí)間的積累。理想的彈簧是完全彈性模型，在拉力產(chǎn)生或拉力消失時(shí)，受力不可以突變，需要時(shí)間的積累。因此不能正確進(jìn)行受力分析，判斷正誤。另有部分學(xué)生雖然判斷正確，但是猜測的，因?yàn)樗麄儾荒芑卮鹄碛?，這樣的學(xué)生占10.7%。

選擇題主要考查學(xué)生能否明確建立條件模型，屬于比較容易確定的一類題型，正確選項(xiàng)為(A)，正確率為73.2%，從調(diào)查卷得知大多數(shù)學(xué)生可以建構(gòu)出物體在離開飛機(jī)后水平方向上仍與飛機(jī)具有相同的速度的模型，仍有26.8%的學(xué)生存在一定困難，不能理解物體可以同時(shí)參與兩種運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)具有獨(dú)立性原理。

計(jì)算題：提供的物理情景要求學(xué)生建立每個(gè)煙塵做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)模型，而且它們是整體平移模型，同時(shí)可將煙塵在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動(dòng)與重力場中自由落體運(yùn)動(dòng)類比，建構(gòu)出類似自由落體運(yùn)動(dòng)的物理過程模型。調(diào)查結(jié)果85.7%的學(xué)生能夠正確選擇最靠近上表面煙塵為研究對象，建構(gòu)出類似自由落體運(yùn)動(dòng)的物理過程模型。但全題答對率只有8.9%，其中23.2%的學(xué)生進(jìn)行的運(yùn)算過程中有疏漏(多數(shù)沒有考慮到煙塵重力忽略不計(jì))。

進(jìn)一步分析電場力對煙塵做功及煙塵的總動(dòng)能，由于煙塵是均勻分布的，電場力對其做功與它的位移成正比，可認(rèn)為所有的煙塵集中在盒狀容器的中心，應(yīng)該將模型進(jìn)一步建構(gòu)為以所有的煙塵顆粒為研究對象，且研究對象由盒狀容器的中心到容器低部，做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)模型，因?yàn)榭傤w粒數(shù)為NAL，位移為，電場力對所有的煙塵做的功。40.2%學(xué)生沒有深入思考再建模，就倉促的得出錯(cuò)誤的答案W=NALqU，題目中第(3)問求煙塵達(dá)到的最大總動(dòng)能，要求學(xué)生考慮多方面因素：一方面單個(gè)煙塵顆粒動(dòng)能在增大，另一方面煙塵顆粒的數(shù)目在減小，不能套用計(jì)算電場力對煙塵做功時(shí)建立的模型。學(xué)生沒有綜合分析的能力，答對的寥寥無幾。

實(shí)驗(yàn)題是考察學(xué)生是否有創(chuàng)造性思維的能力題，首先要根據(jù)題目給定的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)情景，建構(gòu)合適的狀態(tài)模型，此題難度較大，有46.4%的學(xué)生成功的建構(gòu)出狀態(tài)模型，利用封閉的一定質(zhì)量的氣體的等壓變化過程，測量室溫。但在實(shí)際操作中，其中12.5%不能準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)，表現(xiàn)在測量數(shù)據(jù)比較多，表達(dá)式比較繁，而且利用了不應(yīng)該用的數(shù)據(jù)例如長約40cm也寫在表達(dá)式中。

三、存在的問題和采取的措施

分析調(diào)查試卷結(jié)果，可歸納出目前學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的幾個(gè)問題：

(1)缺乏建構(gòu)物理模型的意識，往往亂用公式。

(2)雖有建構(gòu)物理模型的意識，但由于物理基礎(chǔ)知識、基本概念掌握的不確切，在建構(gòu)模型過程中存在較多的錯(cuò)誤和疏漏。

(3)由于建模分類能力和抽象思維能力均較差，導(dǎo)致選擇實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)失敗。

(4)歸納綜合能力和文字?jǐn)⑹霾煌暾?/p>

正確建構(gòu)模型的前提是對物理情景的透徹分析，和物理基礎(chǔ)知識的準(zhǔn)確應(yīng)用。因此，在今后的教學(xué)中應(yīng)采取的措施：

(1)要教會學(xué)生分析物理情景，明確要研究的對象，以及它的發(fā)展和變化過程，要經(jīng)常不斷地強(qiáng)化建立物理模型的必要性和重要性。

(2)要使學(xué)生掌握扎實(shí)的物理基礎(chǔ)知識、基本原理，正確理解各個(gè)物理量之間的函數(shù)關(guān)系。

(3)設(shè)立專題講座課，訓(xùn)練學(xué)生建構(gòu)各類物理模型的能力，使學(xué)生掌握應(yīng)用數(shù)學(xué)工具處理物理問題的方法，具備熟練完成實(shí)驗(yàn)的能力。

(4)要讓學(xué)生學(xué)會正確地表達(dá)自己思想的本領(lǐng)。

2009-09-27

齊慧玲，本科，講師。