理想化方法在物理學(xué)中的應(yīng)用

呼和滿都拉 王艷華 胡曉穎

摘 要：物理學(xué)中的研究方法有許多種，理想化方法即為其中十分重要的一種，在物理學(xué)建構(gòu)大廈的建設(shè)中起著舉足輕重的地位。理想化實(shí)驗(yàn)是人們?cè)谒枷胫兴茉斓囊环N理想實(shí)驗(yàn)，是邏輯推理的一種十分特殊的形式，理想化實(shí)驗(yàn)并沒有脫離生活實(shí)際隨心所欲的假想，而是以實(shí)際生活的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為想象的基礎(chǔ)點(diǎn)，在已經(jīng)存在的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上建立的、模擬的。理想化方法抓主排次對(duì)實(shí)際的情況進(jìn)行的科學(xué)抽象，最后深入本質(zhì)得到真相。

關(guān)鍵詞：理想化方法；理想化模型；理想化實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)術(shù)語理想化方法，就是一種理論思維的方法，是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)事物、探索事物內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律的過程中形成的。物理建構(gòu)大廈的組成，包含了形形色色的理想化方法。理想化方法包括：理想化模型和理想化實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分。

1.研究的內(nèi)容

1.1理想化模型

將現(xiàn)實(shí)生活中復(fù)雜難辨的各種因素影響下的物理過程，提取出來其受影響的主要因素，進(jìn)行抽象化的過程。舉個(gè)例子，在學(xué)習(xí)電學(xué)時(shí)，我們研究電荷間的相互作用時(shí)，研究電荷作用力的大小受什么因素影響的時(shí)候，可以知道受到帶電體的形狀、大小、所帶電荷量的多少、電荷的分布、電荷之間的相對(duì)位置，以及介質(zhì)等多種因素的影響。這么多的因素夾雜在一起如果我們眉毛胡子一把抓，不分主次地考慮各種因素，就會(huì)感覺無從下手，也根本得不到最終我們想要的結(jié)果。在物理研究歷史以來，大量的實(shí)驗(yàn)表明：起決定作用的就是電荷的電量，以及介質(zhì)的介電常數(shù)。這才是最重要的因素。我們不能眉毛胡子一把抓，要分清主次。建立“理想模型”，行之有效，化繁為簡。

物理學(xué)研究中，理論與實(shí)踐是相輔相成、互相促進(jìn)，缺一不可的，物理學(xué)是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)事實(shí)需要理論知識(shí)的總結(jié)概括和描述，另一方面，理論知識(shí)也需要由實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。這就是理論聯(lián)系實(shí)際的理念。

1.2理想化實(shí)驗(yàn)

理想化實(shí)驗(yàn)（是一種假想的實(shí)驗(yàn)），是人們?cè)谒季S進(jìn)程中塑造的一種理想化的過程，（它是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法），理想化實(shí)驗(yàn)并沒有脫離生活實(shí)際隨心所欲的假想，而是以實(shí)際生活的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為想象的基礎(chǔ)點(diǎn)，在已經(jīng)存在的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上建立的、模擬的，理想化實(shí)驗(yàn)是對(duì)實(shí)際的情況進(jìn)行的科學(xué)抽象，最后深入本質(zhì)得到真相。偉大的物理學(xué)家愛因斯坦就十分重視理想實(shí)驗(yàn)的研究。眾所周知愛因斯坦對(duì)于相對(duì)論的研究使得人類科學(xué)發(fā)生了翻天覆地的變化。愛因斯坦通過設(shè)想的閃電理想實(shí)驗(yàn)，提出了同時(shí)性的相對(duì)性概念。這就是理想化思想在物理學(xué)中重要的運(yùn)用之一。因?yàn)檫\(yùn)用了理想化的思維方式，偉大的物理學(xué)家愛因斯坦，為人類物理科學(xué)的發(fā)展翻開了嶄新的一頁，譜出了震撼宇宙的一首華麗的樂章。

2.研究的方法

2.1對(duì)象模型

理想化模型中的對(duì)象是用來代替研究對(duì)象實(shí)體的理想化模型，比如質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子都屬于對(duì)象模型，是對(duì)實(shí)物的一種理想的簡化，有助于問題的解決。

2.2條件模型

條件模型就更多了，比如很光滑的水平面，平直無摩擦的軌道等，就如一個(gè)神話故事需要為之作為背景的天宮。

2.3過程模型

我們知道在現(xiàn)實(shí)生活中的許多物理過程都是在很多因素的共同作用下發(fā)生的，這個(gè)時(shí)候，我們應(yīng)該分清主次，要忽略次要因素的作用和影響，只考慮主要因素引起的變化，這樣的過程叫過程模型，其實(shí)是對(duì)干擾因素的一種簡化，排除干擾。例如，在平拋的過程中，在高度較小時(shí)，空氣的作用忽略不計(jì)時(shí)，可抽象為豎直方向上的自由落體運(yùn)動(dòng)和水平方向上的勻速直線運(yùn)動(dòng)，但是空氣在物理過程發(fā)生的進(jìn)程中也確實(shí)起到了影響，由于其影響力較小，屬于次要因素，故而將其忽略，這就是化繁為簡的理想化方法。

3.實(shí)踐調(diào)查

在為期半月的實(shí)習(xí)過程中，我通過實(shí)習(xí)過程中對(duì)學(xué)生以及指導(dǎo)教師的問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了一些問題，現(xiàn)在陳述如下：

3.1對(duì)學(xué)生的調(diào)查

3.1.1問題一

解決問題中缺乏模型意識(shí)，對(duì)基本知識(shí)概念不理解。表現(xiàn)在：思維障礙缺乏模型意識(shí)，對(duì)概念和規(guī)律掌握不夠深刻通透。通過對(duì)學(xué)生的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在概念、規(guī)律的學(xué)習(xí)中，對(duì)模型是什么樣的形象認(rèn)識(shí)不清晰，猶如瞎子摸象，知其一面而不知其全貌。通過此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生只知道物理學(xué)習(xí)中有“質(zhì)點(diǎn)”，但是怎樣的情況物體可以被視為質(zhì)點(diǎn)并不清楚。

3.1.2問題二

不清楚建立理想化模型的方法和要求。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中突出的表現(xiàn)出了一個(gè)嚴(yán)重的知識(shí)弊端，那就是對(duì)于理想化方法中的模型化知識(shí)屬于蜻蜓點(diǎn)水一般，認(rèn)識(shí)只是在極其表面的程度。以質(zhì)點(diǎn)為例：絕大部分同學(xué)知道質(zhì)點(diǎn)是理想化模型，但其中只有一半學(xué)生知道為什么要建立？是如何建立的。同樣質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)用過程中也反映出來這個(gè)問題。這就是知識(shí)儲(chǔ)備完全不夠的表現(xiàn)。

3.1.3問題三

思維定式的影響。表現(xiàn)為：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮斐闪宋覀兯熘乃季S定式。造成了思維方向偏離解決問題的正確方向，使得思維發(fā)散受到束縛。潛在性假設(shè)，思維自閉封鎖兩種表現(xiàn)潛在性假設(shè)即為：過去經(jīng)驗(yàn)對(duì)解決當(dāng)前問題的一種影響。課本上或參考資料上的習(xí)題，經(jīng)常是直接給出簡化后的物理模型圖景，學(xué)生自然而然地直接忽略了建模的思想過程，使得學(xué)習(xí)解決問題變成了因成績而必須要做的無謂的事情。這就像我們沒有科學(xué)的世界觀和方法論，不知道學(xué)習(xí)的目的到底是什么，到底該為誰服務(wù)。就像文章《等待戈多》中，兩個(gè)流浪漢都在等待戈多，卻不知道戈多到底是什么，到底是人還是物。這樣長此以往怎么會(huì)有創(chuàng)新意識(shí)？思維身陷囹圄，甚至瀕臨窒息。

3.1.4問題四

沒有掌握相應(yīng)的建模方法和技能。具體表現(xiàn)在：在處理問題的過程中，完全不知道該如何建模。

3.2對(duì)教師的調(diào)查

在實(shí)習(xí)過程中我除了對(duì)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查以外，還對(duì)部分指導(dǎo)教師進(jìn)行了問卷調(diào)查。有一部分教師本身對(duì)物理模型概念的理解不是很深刻，認(rèn)為物理模型就是書上所提到的質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷和單擺是理想化模型；還有一部分教師認(rèn)為學(xué)生功底太差，應(yīng)該好好學(xué)習(xí)掌握基礎(chǔ)知識(shí)，而不是進(jìn)行什么建模思想的訓(xùn)練。這些教師把物理模型建立的責(zé)任推到科學(xué)家的身上，忽略了每一個(gè)孩子都可能成為科學(xué)家的可能。要知道人的潛力是有諸多可能性的。為了自己教學(xué)的簡易，避重就輕，不開發(fā)學(xué)生積極思考的智力。這就猶如將科學(xué)知識(shí)直接灌入學(xué)生的胃中，卻不給學(xué)生咀嚼消化的時(shí)間，試問這怎么可能不會(huì)營養(yǎng)不良呢？另外，有些教師認(rèn)識(shí)到了物理模型的重要性，但不知應(yīng)如何在日常教學(xué)中，系統(tǒng)有效地開展物理模型的教學(xué)。就像我們明知道前方就是伊甸園，卻不知哪條道路是真的通向那里的。

3.3調(diào)查總結(jié)

3.3.1結(jié)論一

通過實(shí)習(xí)過程中對(duì)學(xué)生以及指導(dǎo)教師的問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一些問題，現(xiàn)在陳述如下。發(fā)現(xiàn)九成以上的學(xué)生的解題模式為：拿到習(xí)題先進(jìn)行審題，然后頭腦風(fēng)暴所學(xué)過的公式，直接套用然后求解：然而專家的解題模式大為不同除了跟學(xué)生一樣先進(jìn)行審題以外，要選取研究對(duì)象，建立物理模型，進(jìn)而分析物理過程和狀態(tài)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)母拍詈鸵?guī)律求解，作答后還要進(jìn)行必要的檢查。學(xué)生所形成這樣的解題模式是由于長期以來的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的固有化模式所造就的。

3.3.2結(jié)論二

3.3.3調(diào)查結(jié)束語

通過此次調(diào)查問卷，學(xué)生學(xué)習(xí)的問題只是暴露出了冰山一角。教學(xué)是一個(gè)雙向的過程。我們首先應(yīng)該弄清楚學(xué)生為什么不能很好地理解我們所傳授的知識(shí)，通過現(xiàn)象要看到問題的本質(zhì)。所謂的因材施教，對(duì)癥下藥，不外乎就是這個(gè)道理。同時(shí)，我們應(yīng)該注重教育者本身的作用，不能單方面的、片面的做教學(xué)評(píng)價(jià)，重要的是全方位地理解學(xué)生，選定教學(xué)方法，激起學(xué)生的好奇心和求知欲。這是重中之重。作為新世紀(jì)的物理教師，我們不能拿傳統(tǒng)的傳道授業(yè)解惑的簡單單一性原則來要求我們自己，必須得適應(yīng)時(shí)代變革，與時(shí)俱進(jìn)，開拓創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

劉遠(yuǎn)全.物理學(xué)中的理性化方法[N].科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007-11-01：19.

基金項(xiàng)目：本文系內(nèi)蒙古自治區(qū)高等教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題項(xiàng)目基金（NGJGH2013048）。

作者簡介：呼和滿都拉，男，1982年2月出生，碩士，就職于內(nèi)蒙古烏蘭察布市集寧師范學(xué)院物理系，研究方向：大學(xué)物理課程建設(shè)。

王艷華，女，1982年1月出生，碩士，就職于內(nèi)蒙古烏蘭察布市集寧師范學(xué)院物理系，研究方向：大學(xué)物理課程建設(shè)。

胡曉穎，女，1979年6月出生，碩士，就職于內(nèi)蒙古烏蘭察布市集寧師范學(xué)院物理系，研究方向：大學(xué)物理課程建設(shè)。