4、物理建模的思想方法

1、高中《物理建?！氛n程開發(fā)的研究,慈溪中學 葉 全 浩,本課題獲寧波市第五屆基礎(chǔ)教育教學成果獎,教育研究最佳實驗室之一就是教室。教師專業(yè)發(fā)展最佳途徑之一就是課題研究。教師執(zhí)教能力發(fā)展最佳途徑之一就是課程開發(fā)。,一、研究的背景及意義,1、 研究思想的產(chǎn)生 1989屆、1992屆、1995屆連續(xù)三屆學生的高考成績與全國物理競賽成績引起我對自己教學過程的思考，發(fā)現(xiàn)課堂教學中重視物理過程的分析與物理思維方法教育對提高學生物理水

2、平比較有效，兩者結(jié)合起來就是要重視物理建模的過程。因而1996年開始就著手進行物理建模的研究。,2、 建模是人類預測能力發(fā)展、社會文明程度提高的重要標志.,建模思想滲透于各個領(lǐng)域，如：房屋建筑模型、航空航天模型、橋梁建筑模型、經(jīng)濟動力學模型等。法國科學方法論學者阿雷指出：科學的基本活動，就是探索和制定模型。,3、數(shù)學建?；顒?，引起我對物理建模的進一步思考。,物理學原是客觀研究物質(zhì)萬象的學科，建模思想源于物理，物理教學本身就是一種物理模

3、型的教學，它是景象與意象相結(jié)合的教學，也是具象與抽象相結(jié)合的教學。是感性思維與理性思維的統(tǒng)一。在物理學習中培養(yǎng)學生的建模思維，有得天獨厚的學科優(yōu)勢。物理建模教育可以使學生沖破現(xiàn)實與經(jīng)驗的局限，對物理概念和規(guī)律進行心理成像；用建模作為認知的工具，可形成富有想象力的教學。,4、《普通高中物理課程標準》,在過程與方法的目標中指出：“通過物理概念和物理規(guī)律的學習過程，了解物理學的研究方法，認識物理實驗、物理模型和數(shù)學工具在物理發(fā)展中的作用。”,

4、5、浙江省深化普通高中課程改革,（六）增加選修。選修課程分為知識拓展、職業(yè)技能、興趣特長、社會實踐等四類。（1）知識拓展類選修課程包括必修內(nèi)容的拓展課程、大學初級課程、介紹學科最新成果的課程和學科應(yīng)用性課程等，旨在讓學生形成更為扎實的知識基礎(chǔ)。（2）職業(yè)技能類選修課程是通過中等職業(yè)學校合作，從職業(yè)教育引入的職業(yè)教育課程，旨在讓學生掌握一定的職業(yè)技能，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和動手能力。（3）興趣特長類選修課程為有助于培養(yǎng)學生興趣，發(fā)展個性特長的各類

5、課程。（4）社會實踐類選修課程指指調(diào)查探究活動、社會實踐活動、校園文化活動、學生社團活動等課程。,6、有利于提高學生科學思想方法。,物理建模著重解決與物理模型相關(guān)的建模問題，為學生之后的學習與工作打下方法論基礎(chǔ)。從哲學角度來說，在處理具體問題時，學會抓住事物的主要因素與本質(zhì)特征，忽略事物的次要因素，從而科學地解決問題。,二、《物理建?！氛n程的構(gòu)建與實施,本課題已經(jīng)歷整整16年的研究與實踐，共分三個階段。第一階段，1996年到1999年

6、。對高中物理教材中建模過程進行梳理。初步確定物理建模的目標、內(nèi)容、過程、策略 。分析高中物理建模的過程?？偸亲裱@樣一條重要的方法論原則，即從簡到繁，先易后難，循序漸進，逐步深入。,分析物理模型的特點。,物理模型是抽象性和形象性的統(tǒng)一。 物理模型的建立是舍棄次要因素，把握主要因素,化復雜為簡單，完成由現(xiàn)象到本質(zhì)、由具體到抽象的過程，而模型的本身又具有直觀形象的特點。 物理模型是科學性和假定性的辯證統(tǒng)一。理想模型來源于現(xiàn)實，又高于

7、現(xiàn)實，是抽象思維與形象思維相結(jié)合的結(jié)果。,分析物理模型的主要功能。,可以使問題大為簡化，從中較為方便地得出物理基本規(guī)律。 可以對模型討論的結(jié)果稍加修正，即可用于實際事物的分析和研究。 有助于對客觀物理世界的真實認識，達到認識世界，改造世界的目的。,總結(jié)高中物理模型的類型。,根據(jù)物理研究的內(nèi)容進行分類，高中物理模型類型有：研究對象模型化，研究對象所處的條件模型化，理想化實驗，物理中的數(shù)學模型等。經(jīng)研究認為物理建模的前提是學生頭腦中必

8、須有豐富的物理表象。,第二階段，2000年到2005年，構(gòu)建《物理建?！氛n程的結(jié)構(gòu) 。,第一章 物理建模的意義及作用1、什么叫物理模型 2、物理模型在物理學發(fā)展中的作用 3、物理建模有利于形成正確的科學文化 第二章 物理建模的思想方法4、物理建模的思想方法 5、物理建模的原型 6、物理建模的基礎(chǔ),7、物理建模的科學方法 8、物理模型的進化 第三章 物理模型的分類 9、對象模型 10、條件模型11

9、、過程模型12、數(shù)學模型 第四章 典型的物理模型13、天體運行模型14、彈簧振子模型,15、單擺振動模型16、理想氣體模型17、“柱體”導電模型18、原子結(jié)構(gòu)模型 第五章 物理建模在工程技術(shù)中的應(yīng)用19、房屋建筑模型20、橋梁建筑模型21、航空航天模型 第六章 物理建模在物理解題中的應(yīng)用22、物理建模與物理解題(模型法解題）,第三階段，2006年到2013年，撰寫綱要，建立比較完整的建模教育體系。,《

10、物理建?！氛n程性質(zhì)：將物理知識、物理方法、物理思想融為一體，理論性與技能性相結(jié)合的課程。物理建模教育的目標：⑴使學生掌握物理建模的過程與方法；⑵使學生正確認識高中教科書中的有關(guān)物理模型；⑶要求學生會用物理模型解決一些實際問題。物理建模教育的內(nèi)容：物理建模教育的內(nèi)容框架體系（見校本教材） 。,物理建模教育的基本策略：,物理建模教育要盡可能地通過實驗、圖片、模型等方法豐富學生的表象，在客觀事實與實驗的基礎(chǔ)上抽象與構(gòu)造物理模型。在課堂教學

11、中不斷滲透物理建模教育，介紹科學家物理建模的歷史過程與方法。在習題課中有意識地運用物理模型解決實際問題，以物理模型為專題編印訓練題。,總結(jié)確定高中物理建模的總體思路,構(gòu)建物理模型的主要步驟。 運用物理模型解決實際問題的步驟。物理建模教育的評價。在此基礎(chǔ)上再寫課程綱要，按課程綱要對原教材重新進行修改。,三、研究成果與反思,經(jīng)過三個階段的研究與實踐，結(jié)累了資料，寫出《物理建模課程綱要》、《物理建?！返男１窘滩?另附)，形成了物理建模教

12、育的比較完整的體系。通過物理建模教育的研究得到以下幾方面成果： （一）理論成果 1、比較完整地界定了物理建模課程的基本概念。,1、物理模型。模型是一個廣義的概念。有一類稱為物質(zhì)模型，另一類稱為理想模型。它是根據(jù)人們的抽象思維和想象力，采用理想化和純粹化的辦法，所創(chuàng)造的能再現(xiàn)原型的本質(zhì)聯(lián)系和內(nèi)在特性的一種簡化模型。后者是在物理學研究中常用的模型。物理學中的規(guī)律就是通過對理想化的物理模型的研究得出來的。本課題研究所指

13、的物理模型就是這一類模型。2、物理建模。將實際問題轉(zhuǎn)化為純物理問題，運用合適的物理模型加以解決叫物理建模。,3、物理建模的思想,在客觀實際的現(xiàn)象中提取物理問題，為了讓問題能變得清晰，自然、有條理，我們常常是忽略某些次要因素或暫時可以不考慮的因素，抓住主要因素各個擊破，建立相應(yīng)的物理模型，利用物理模型，能具體、形象、生動、直觀、深刻地反映出事物的本質(zhì)和特征，明確分析思路，然后利用相關(guān)規(guī)律給以分析處理，解決問題，這就是物理建模的思想。,從

14、哲學層面上明確以下三項建?；舅枷耄?物理模型的建立不是孤立的，而是與周圍事物聯(lián)系在一起的。 物理模型成立是有條件的，相對的，不是絕對的，所以要用相對的、聯(lián)系的觀點看待物理模型。（典型例子） 物理模型是變化發(fā)展的。,4、物理建模教育。,通過實驗與事實，豐富學生頭腦中的表象，選取高中物理中若干著名的物理模型，通過剖析它們在科學認識中的作用及它們的建立和發(fā)展、演化過程，展示物理模型所包含的豐富內(nèi)涵及其科學文化。讓學生經(jīng)歷物理模型的建立過

15、程，從而理解物理知識深刻的內(nèi)涵及外延，體會將物理知識應(yīng)用于解決實際問題的思維和方法。,5、物理建模教育的作用。,物理模型是形成物理概念建立物理規(guī)律的基礎(chǔ)。 運用物理模型可以簡化和純化研究對象及其過程。 運用物理模型有利于發(fā)揮想象力和物理抽象思維能力。 物理建模有利于形成正確的科學文化。物理建模有利于形成解決物理問題的基本思路。,2、形成了《物理建?！氛n程的教學體系。,寫出校本教材供全校使用。,（二）實踐效果,1、2009年物理建

16、模教育思想在省內(nèi)進行推廣，物理建模教育論文獲浙江省學科教學論文一等獎,成果入編普通高中《物理2》必修教師教學用書 。,研究成果中撰寫的“航空航天模型”部分入編人民教育出版社出版的普通高中《物理2》必修教師教學用書，出版時間2007年5月。 書號是：,,物理建模教育課題獲慈溪市第四屆教育科研優(yōu)秀成果一等獎,高中物理建模課程獲寧波市人民政府 第五屆基礎(chǔ)教學成果二等獎,2013年6月評為寧波市第三批精品課程,推薦為省第三批

17、普通高中選修課網(wǎng)絡(luò)課程 。立項為2013年浙江省教研重點規(guī)劃課題。,課題有關(guān)成果在以下單位作過推廣：,奉化市、鎮(zhèn)海柴橋中學、寧波姜山中學、寧波李惠利中學、寧波二中、寧夏銀川市第二中學、慈溪龍山中學、慈溪楊賢江中學、慈溪實驗高級中學、慈溪育才中學、余姚市第二中學、余姚市第五中學。 在省新教材備課會議上作過介紹，并多次在寧波市教研室組織的和慈溪市教研室組織的高中物理備課會議及高考復習會義上作過介紹。,2、通過建模教育，提高了學生物理建模

18、的思想方法，使學生明確物理建?；舅枷搿?3、通過建模教育，使學生學會了構(gòu)建與運用物理模型解決實際問題的基本策略。,①通過物理建模教育使學生解決物理問題的建模過程形成如下總的思路：,②學生學會了構(gòu)建物理模型的一般步驟。,第一步：建模中第一件要做的事便是題目的選取，然后利用實體映射影像構(gòu)建模型存儲。 第二步：利用對比方法，重視主要的，忽略次要的，構(gòu)建模型存儲。 第三步：知識深化，狀態(tài)——過程構(gòu)建模型存儲。 第四步：知識類化，理想

19、實驗構(gòu)建模型存儲。 第五步：知識交叉，物理——數(shù)學構(gòu)建模型存儲。,③學生學會了運用物理模型解決實際問題的步驟。,Ⅰ、模型準備 Ⅱ、模型假設(shè) Ⅲ、模型建立 Ⅳ、模型求解 Ⅴ、模型分析 Ⅵ、模型檢驗 Ⅶ、模型應(yīng)用,解題建模的具體步驟可用下面框圖表示：,,模型分析模型檢驗,,,,I=Q/t =nqvtS/t =nqvS,F=ILBI=nqvSF=（ nqvS）LB這段導線中含有電荷數(shù)為N=nLS 則f=qvB,例題、潮汐

20、是一種常見的自然現(xiàn)象，發(fā)生在杭州灣錢塘江入?？诘摹板X江潮”是聞名世界的潮汐現(xiàn)象．在農(nóng)歷初一和十五前后各有一次大潮，在兩次大潮之間又各有一次小潮．試把每月中出現(xiàn)兩次大潮時地球、月球和太陽的相對位置示意圖定性地畫在下面．試把每月中出現(xiàn)兩次小潮時地球、月球和太陽的相對位置示意圖定性地畫在下面．,4、通過建模教育，使學生掌握了高中物理中典型的物理模型 。,理解物理模型是對基礎(chǔ)知識的高度概括，物理模型具有典型性、抽象性等特點。 理解物理模

21、型集基本概念與基本規(guī)律于一體。 理解物理模型是一個理想化的形態(tài)。從不同的角度研究物理模型可以有不同的區(qū)分方法。,根據(jù)中學物理的特點及模型的主要功能，物理模型分為以下幾類：,（1）研究對象模型化 （2）研究對象所處的條件模型化 （3）理想化實驗（4）物理狀態(tài)和物理過程的模型化（5）物理中的數(shù)學模型,(1)對象模型,通過對實際問題仔細研究，發(fā)現(xiàn)其特點，充分聯(lián)想，建立某個對象，我們稱之為概念或?qū)ο竽Ｐ汀?主要基于兩種情況： 一種

22、情況是為了突出客觀實體的主要矛盾或本質(zhì)因素，采用了剪葉去枝的方法，摒棄了一些次要的非本質(zhì)的因素，使研究客體簡化和純化后，從客觀實體中直接抽象出來的，它的目的是為了簡化對問題的研究。,,另一種情況是為了解釋某些行為和特性建立起來的模型。 同一個客觀物體在不同場合可以抽象成不同的對象模型。 對于其它對象模型，同樣需要注意各自的背景條件。,[例題]一間新房即將建成時要封頂，考慮到下雨時落至房頂?shù)挠甑文鼙M快地淌離房頂，要設(shè)計好房頂?shù)钠露?，設(shè)

23、雨滴沿房頂下淌時做無初速度無摩擦的運動，那么圖1中所示四種情況中符合要求的是（ ）,(2)條件模型,把研究對象所處的外部條件理想化，排除外部條件中干擾研究對象運動變化的次要因素，突出外部條件的本質(zhì)特征或最主要的方面，從而建立的物理模型稱條件模型。 引入條件模型主要是為了簡化對問題的研究。 把外部條件抽象成一定的物理模型，往往僅同限于某一個范圍內(nèi)，不能任意地無限延擴。,(3)理想化實驗。,在物理實驗的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要

24、矛盾，把實際過程理想化，找出其規(guī)律。例如，伽利略的理想實驗為牛頓第一定律的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。,(4)過程物理模型,把具體物理過程純粹化、理想化后所抽象出來的一種物理過程，稱過程模型。 建立過程模型的目的，也是為了簡化對問題的研究，以便得出基本符合實際的結(jié)果。,[例題]跳繩運動是一種健身運動。設(shè)某運動員的質(zhì)量是50kg，他每分鐘跳繩180次。假定每一次跳躍中，腳與地面的接觸時間占跳躍一次所需時間的2/5，則運動員克服重力做功的平均

25、功率是多少？,(5)數(shù)學模型,把物理學的研究對象、運動變化中的狀態(tài)和經(jīng)歷的過程、以及客觀物理規(guī)律數(shù)學化都可稱為數(shù)學模型。,數(shù)學模型具有下述一些特點：,①數(shù)學模型是從客觀實際事物中高度抽象概括出來的． ②應(yīng)用數(shù)學模型既可進行理論分析，又可進行算法設(shè)計、變量計算與邏輯演繹和推導。③數(shù)學模型是物理學上的抽象，在數(shù)值上可以作為公式應(yīng)用，還可推廣到與原物相近的一些問題。,,④經(jīng)若干次修改后的數(shù)學模型，所獲得的結(jié)果可以再回到實際中檢驗，從而指導

26、實踐，為實踐服務(wù)。 ⑤ 數(shù)學模型可以作為某事物的數(shù)學語言。,如圖所示，有兩條相同的曲線狀金屬導線，將它們兩端分別用電阻R1=3Ω、R2=6Ω彼此連接，且中間用絕緣材料彼此隔開。現(xiàn)將該閉合回路置于磁感應(yīng)強度為B=2T的勻強磁場中，磁場方向與閉合回路垂直。兩電阻的尺寸忽略不計，兩條導線的電阻忽略不計。以R1所在位置為坐標原點，以由R1到R2方向為x軸正方向建立直角平面坐標系，兩條導線的形狀符合曲線方程

27、 m?，F(xiàn)有一根電阻不計、足夠長的金屬棒MN從與y軸重合開始以速度v=5m／s勻速向x軸正方向運動，且在運動過程中與曲線狀金屬導線保持良好接觸。以下正確的是（ ）A．整個過程中通過R1的電流方向不變B．整個過程中通過金屬棒MN的電流方向有變化C．整個過程中回路產(chǎn)生的焦耳熱1280J D．在金屬棒運動到導軌中央的過程中通過R1的電荷量,,答案：C D,這是物理模型與數(shù)學模型的有機結(jié)合。這是交流電模型與穩(wěn)恒電路模型的有

28、機結(jié)合。這是物理模型的構(gòu)建與轉(zhuǎn)換的典型問題。,5、通過建模教育，使學生理解物理模型的進化。,物理模型的發(fā)展類似于生物進化的過程，物理模型需要在實踐中不斷檢驗、評價、轉(zhuǎn)換和發(fā)展中進化。,物理模型需在實踐中不斷發(fā)展與進化的。理想化的物理模型是一個歷史范疇。,如天體運行模型的進化：托勒密的“均輪十本輪”組合運動模型 哥白尼的太陽系運動組合模型 開普勒的橢圓軌道模型宇宙大爆炸模型量子力學模型,如原子結(jié)構(gòu)模型的進化：,湯姆孫的“糟糕”

29、原子模型 盧瑟福原子的有核模型玻爾原子模型量子模型夸克模型,5、通過建模教育，學生的物理學習成績有較大提高。,通過物理建模教育的歷屆實驗班學生在多次全國高考中物理成績或理科綜合能力測試成績處于寧波市、省領(lǐng)先地位；在歷屆全國中學生物理競賽中，獲全國一等獎4個，其中2個分別獲浙江省第一名和第二名，其中1個獲全國筆試第一名；最近，在第25屆全國中學生物理競賽中，實驗班學生獲全國一等獎1個，三等獎3個；浙江賽區(qū)二等獎1個，三等獎3個。,