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物理模型教学实践硕士学位论文

延边大学硕士学位论文

物理模型教学实践

以03-08年万有引力高考题为例

摘要

新课程要求物理教学注重过程，重视学生能力的培养。

这就要求我们教的不仅仅是知识本身，而且应该教给学生解决问题的方法，思考问题的方式。

其中一个非常行之有效的方法就是开展模型教学，教会学生运用模型解决问题。

传统的物理教育主要注重知识的传授,不重视学生对知识的领悟过程。

物理知识本身抽象程度高，与实际联系紧密，运用物理知识解决实际问题时灵活多变，而教材的编写比较有原则，缺少形象化的说明。

由于我们平时缺少训练学生思路的典型范例，学生没有把握住学习物理的科学方法，不善于从多方面去理解物理概念，不善于作比较分类工作，没有掌握解决实际问题的科学思维方法。

做物理题的过程应该是分析题意——抽象出物理模型——确定遵循的规律——找出已知和未知的联系——建立方程——得出题解并探讨答案的物理过程。

而很多的学生并没有掌握这一解题的技巧。

一部分学生在学了物理之后，对物理现象的观察还仅仅停留在日常生活经验的水平上，心理层次未得到发展，错误未得到纠正，新观念未曾建立。

当遇到实际问题、进行探索性的工作时,就显得力不从心,不知如何下手,这样一来学生就会认为物理难学,缺乏对物理学习的兴趣热情。

产生这些问题的原因之一就是我们在教学中忽略了一个重要的内容：

让学生学会建构物理模型。

在教学中，我们往往忽视了学生运用模型方法去理解物理学的概念、原理、规律，运用物理模型解决问题的能力的培养。

教师的职责不仅是要使学生明确学什么，为什么学，更重要的是要让学生知道怎么学，培养学生掌握科学的思维方式和方法。

开展模型教学将有利于以上内容的实施。

我们知道，物理问题是千变万化的，物理方法也是多种多样，但再复杂再纷繁也有它的内在规律。

抓住主要矛盾，略去次要因素，就可建立起物理模型。

建立了物理模型，可以删繁就简，从纷繁的物理问题中抓住要害。

掌握了物理模型，就能做到举一反三，触类旁通。

本文主要以万有引力为例来说明怎样建立模型及探讨如何运用模型来解决问题，主要从实践角度讨论模型解题的应用。

在这种教学模式下培养出的学生对知识掌握比较牢固,遇到新题型、新问题能够灵活变通，从而有效地解决问题。

关键词：

万有引力物理模型现实问题

Abstract

Newcoursesrequirephysicaleducationfocusingonprocessandtheabilityofstudents.Thisrequiresustoteachnotonlytheknowledgeitself,andshouldteachstudentstosolvetheproblem,thinkabouttheproblem,developmodelteachingandteachstudentstousethemodeltosolvetheproblem.Traditionalphysicaleducationmajoremphasisonknowledge,doesn’tpayattentiontostudents'understandingtheprocessofknowledge.Physicsitselfwithahighdegreeofabstraction,andtheactualphysicallinkages,applyingknowledgetosolvepracticalproblemsisflexible，whiletextbookscompareprinciplesandmissimagedescription.Sinceweusuallylackoftypicalexamplesofthestudents’trainofthought,studentshavenotgraspthescientificmethodtostudyphysics.Theyarenotverygoodatunderstandingthephysicalconceptswithanumberofways,theyhavenomastertosolvepracticalproblemsofscientificthinking.Theprocessofdoingphysicsproblemsshouldbeanalyzingthemeaningofthequestion,bstractingthephysicalmodel,determinetherulestofollow,identifyingknownandunknown,contactequition,discussingoftheproblemandtheanswerstothephysicalprocess,Whilemanystudentsdonothavethisproblem-solvingskills.

Partofthestudentsinlearningthephysicsobservofphysicalphenomenononlyindailylifeexperiencelevel,theirpsychologicallevelisnotdeveloped.Theerrorisnotcorrectedandthenewconcepthasnotbeenestablished.Whenitcomestosolvepracticalproblems,exploratorywork,thestudentsdon'tknowhowtostart,sotheygenerallyconsiderphysicalbothdifficult,uselessandlackofinterestingandpassionoflearningit.

Theproblemispartlybecauseofweignoretheteachingvalueduringtheconstructionofthephysicalmodel,neglectetoteachstudentstounderstandthephysicsmodelfromthemethodsofconcepts,principles,lawsandtheskillsofsolvingproblemusingaphysicalmodel.Therefore,trainingandmentoringstudents,allowingthemlearningmethodisanimportantaspectoffurtherphysicaleducationreform.Theteacher'sresponsibilitiesistomakeclearwhatstudentslearn,whylearnit,moreimportantistoletthestudentsknowhowtolearn,trainthestudentstomasterthescientificwayofthinkingandmethods.Developingmodelteachingwillbeconducivetotheimplementationoftheabovecontent.

Physicsisverydynamic,therearealotofphysicalmethods,thoughcomplexandintricate,thereareinherentlaws.Byestablishaphysicalmodel,youcansimplifyacomplexproblem,graspthecomplexquestionofthepoint.Inthepalmofaphysicalmodel,youcanresolvetheproblemsmorequick-witted.

Thisarticlemainlyforceontheexampleofthegravitationaltoshowhowtobuildmodelsandhowtousethemodeltosolvetheproblem,mainlyfromthepracticalpointofviewtodiscusshowtoapplythemodeltosolveproblems.Withthismode,thestudentswillmastertheknowledgemorefirmly,theycansolvenewproblemsflexibilitybyusingmodel.

Keywords:

Gravitationphysicsmodelrealityproblem.

目录

摘要1

Abstract3

目录5

第一章绪论6

1.1研究问题的提出6

1.2阐述所研究的问题7

1.3研究的现状8

1.4研究的目的及意义8

1.5研究的方法9

第二章理论概述10

2.1物理模型理论概述10

2.2皮亚杰认知心理学10

2.3皮亚杰认知心理学对高中物理教学的启示13

第三章帮助学生建立有效的物理模型14

3.1建立正确的“图式”14

3.2建立有效的物理模型15

3.3模型实例17

第四章有效模型解决高中物理习题的应用20

4.1有效模型解决08年万有引力部分高考题20

4.2有效模型教学实践25

四、结论28

参考文献29

致谢30

第一章绪论

1.1问题的研究背景

我们正处于一个变革的时代，一个创新与超越的时代，全球化、信息化、民主化、民族化和知识经济的迅猛发展在改变着我们的生活，改变着我们的社会，也在改变着我们每一个人。

在这场前所未有的变革中，教育正在迅速从社会边缘走向社会中心，成为影响一个国家和民族竞争力，影响一个人终身发展的主要因素之一。

为此，世界各国的教育改革与发展从来没有像今天这样备受瞩目，教育也从来没有像今天这样承载着如此沉重的历史使命，面临着如此多的挑战，科教兴国,科技立国成为世人的共识。

21世纪是知识经济时代，是一个发展的时代，挑战的时代，激烈竞争的时代。

中华民族要实现她的伟大复兴，务必要求全民素质的提高。

因此，科教兴国称为我们国家的国策。

而对于初高中的教育来说，原有的基础教育课程已不能完全适应时代的要求。

当前，全面实施素质教育，深化基础教育改革，正在全国范围内展开，而基础教育课程改革是基础教育改革的核心内容。

新的基础教育课程体系是以邓小平“教育要面向现代化，面向世界，面向未来”和“三个代表”重要思想为指导，全面贯彻新时期国家教育方针，以提高国民素质为宗旨，以培养创新精神和实践能力为重点，强调课程要促进每一个学生身心健康发展，培养良好品德，强调基础教育要满足每个学生终身发展的需要，培养学生终身学习的愿望和能力。

与此相适应的，国家推出了新课程、新教材。

新课程、新教材是在全新的教育理念指导下编制的，而教师是新课程的直接执行者，要使这种全新的教育理念得以实践，每个教师都要有一个深入学习、理解和适应的过程，都要经受新课程的洗礼。

 然而，与此同时，我国的教育体系有暴露出了种种的弊端，很多的人称我国的教育是“应试教育”，对书本知识热衷追求，学生的学习负担和厌学情绪不断加重，学生为考试而学，教师为考试而教等等。

如果不根治这些弊端，素质教育就不能顺利推行，科教兴国就不能顺利实现。

以往暴露的教育危机，并不在于对知识、能力训练本身，而是我们走向了“科学主义”的极端，一方面知识、能力训练陷入了繁琐哲学，一方面又忽略排除了作为教育的根本——对人的心灵、智慧的开发，对人的性情的陶冶，人格与个性的教育，独立、自由精神的养成。

高中阶段主要通过习题练习来提高学生的能力，但也存在很大的弊端。

学生通过大量的练习，只会做与练习题相似的题，对一些创新型的新题和以现实生活为背景的题感到无从下手，这是我们高中物理教学的一个困境。

如何解决这个问题，使我们的习题训练真正能提高学生的能力，增强学生解决现实问题的能力。

在以往几轮的高中教学过程，笔者一直在思考这个问题，在实际的教学中也一直在探索。

1.2阐述所研究的问题

传统教育过分强调记忆，忽视较高水平的应用和评价能力的培养。

对知识的掌握，能够通过学习形成自己的见解，独立地作出价值判断，是最高水平；应用知识解决问题，次之；能够解释和说明知识，再次之；“知道”是最低水平。

在发达国家，无论教学或考试均弱化对知识记忆的要求，但在我国，死记硬背的东西太多，使学生背上了过重的负担。

面对新课程，今后高考的命题中肯定会加强能力考查，以此来引导教师注重过程教学；注重知识的有机综合，引导教学形成知识网络；注重开放性试题，联系生活、生产实际试题，引导教学增强应用意识，培养学生的创新精神和实践探究能力。

这就要求我们高中教师有针对性的改革教学，侧重培养学生的能力。

培养学生建立模型的能力正是从新课程理念出发，同时也是培养学生的“最高水平”。

由于现行的高中物理教材和相关资料上都有不少涉及万有引力定律应用的试题，万有引力也是历年高考考查的重点之一，而对于这一部分学生又常常感到无从下手，信心不足、无所适从，因此，本论文挑选万有引力的解题作为线索，阐述如何培养学生运用有效模型解决问题，运用知识解决问题的能力。

1.3所研究问题的现状

对于培养模型教学在高中物理教学中研究的不多，传统的这样的结果是高分低能，学生只会做做过的题，或者是与做过的题类似以及同类型的题。

教师总是习惯于将一个类型的题归纳总结出来呈现给学生，而从学生的角度来说，他们不知道为什么这一类的题要这样解决。

当学生面对同样的知识内容，而是在一个全新的背景下出题时往往就又会感到无从下手，此时，学生在模糊的意识下就会生搬硬套，思路混乱，得不到问题的答案，甚至得到可笑的结论。

纵览这几年高考越来越多的题是以全新的背景出现，尽管考查的知识点及解决方法没有变，但注重考查学生对知识的深入理解，运用知识的能力，及分析问题解决问题的能力。

面对全新的知识考查方式，面对全新的出题背景，建模的思想就显得尤为重要。

将知识内容整理为清晰地物理模型将对学生今后的物理学习，以及其他学科知识的学习都会有着非常大的作用。

1.4研究的目的及意义

本人多年的高三带班经验，每年高考结束，学生总会慨叹高考就是高考，跟平时就是不一样。

总有一部分学生“发挥失常”，这其中不排除心理的因素，由于种种的原因赞成学生的心理压力过大，从而影响了学生的正常发挥。

但更多的学生表示高考题使他们感到无从下手。

都是在平时学习和训练过的知识，怎么会到高考时就会没有思路了呢？

大部分学生就是在通读问题后没有有效地将题目中的信息收集起来，从而建立起以往熟知的模型。

由此可见，培养学生的建模思想很重要，它能使学生在高考中遇到新题型时，把貌离神合的新题与典型模型题进行比较，去认识和把握新、旧模型物理本质上的共性，从而找到解决问题的方法。

我们在此举万有引力的相关知识为例子，不仅由于这部分知识在高中物理中至关重要，高考出题率颇高，还因为万有引力定律揭示了自然界物体间普遍存在的一种基本相互作用规律和行星运动的本质原因，把地上和天上的运动统一起来，是具有重要应用价值的定律。

万有引力定律的具体应用有：

发现新天体，测算天体质量，计算天体密度，研究天体运动规律等，同时也是现代空间技术的理论基础。

现在我们就以2003-2008年各省市高考试题中与万有引力定律有关的题为例分析有关万有引力知识的部分模型。

1.5研究的方法

在研究中采用文献法、调查法，在研究与实践中不断观察、总结、反思、修正、完善。

采用边实践、边研究、边总结、边改进的方针。

课题研究过程中，边学习，边实践，边探索，边交流，及时吸取失败的教训，总结成功经验，再实践、再研究，逐渐上升到理性认识。

（1）文献法：

文献法是根据研究目的或课题，通过阅读有关图书、资料和文件来全面地正确地掌握所要研究的情况，并在大量掌握第一手材料的基础上，进行分析综合，找出科学的结论，为课题研究提供理论指导与理论支持。

这种方法具有历史性，灵活性，继承性和创造性。

本论文主要通过网络期刊资源、图书馆资源、著作等进行资料收集，对课题研究进行理论方面的记录和实践方面的参考。

（2）调查法：

调查法是为了达到设想的目的，制定某一计划全面或比较全面地收集研究对象的某一方面情况的各种材料，并作出分析、综合，得到某一结论的研究方法，就是调查法。

它的目的可以是全面把握当前的状况，也可以是为了揭示存在的问题，弄清前因后果，为进一步的研究或决策提供观点和论据。

本文就是在笔者进行的多年的教学过程基础上，认真搜集学生反馈的各方面的信息，再对这些信息进行了不断地分析，从而得到的观点、看法和结论。

（3）比较法：

比较法是通过观察，分析，找出研究对象的相同点和不同点，它是认识事物的一种基本方法。

本文在运用比较法的过程中，主要进行了横向比较。

通过与对照班的横向比较，可以体现建模思想教学的优势所在。

第二章理论概述

2.1物理模型理论概述

模型一词起源于拉丁文的“moldulus”，其初始含义是样本、标准和尺度。

粗略地讲就是为了某种特定的目的而对研究对象所作的一种简化的描述。

模型是人类认识自然的必要途径，也是理论思维的一种方式。

在物理学的研究中，往往是先提出恰当的模型，然后才能得出简明的运动规律，建立适宜的理论体系。

恰当的模型，可以概括已知的事实，这些事实经一定的理论联系在一起，得到统一的解释，而建立在可靠事实基础上的理论进一步又能预言新的事实，指导人们做出新的发现。

虽然中学物理教材中介绍了较多的物理模型，但未明确模型的分类，致使学生，甚至部分教师认为只有质点、单摆、薄透镜、点电荷等才是物理模型。

关于物理模型，首先要理解其概念实质。

物理模型根据研究对象大致分为四类：

（1）实体模型，也称对象模型，即理想化的研究对象。

如“质点”、“点电荷”、“单摆”、“点光源”等。

（2）过程模型，即理想化的物理过程。

如“匀速直线运动”、“自由落体运动”、“简谐运动”等。

（3）条件模型，即理想化的环境条件，如“光滑水平面”、“不可伸长的绳”、“真空”等不作为研究对象的实体模型。

（4）结构模型，即理想化的物体结构模型。

如原子结构的“枣糕模型”和“核式模型”等。

本文所要论述属于第二类模型，即过程模型。

【太原教育学院学报2004年第4期沈伟强】

物理学是由一系列原理相关联的物理模型组成的复杂网络。

物理模型是物理学知识结构的基本单元。

我们的学习是通过建立和使用科学模型来描述、解释、揭示物理现象和规律的。

在物理学习中我们经常会将物理图景、本质相近的问题归为一类，并对他们的条件、过程进行合理的抽象、简化并归纳总结出这类问题的研究模式，使这类问题的思维程序化，这就是物理模型。

2.2皮亚杰认知心理学

皮亚杰认为智力结构的基本单位是图式，它是指有组织的思考或行动的模式，是用来了解周围世界的认知结构。

他认为心理结构的发展涉及图式、同化、顺应和平衡。

2.2.1图示

图式是指个体对世界的知觉、理解和思考的方式，动作的结构或组织。

这些动作在相同或类似环境中由于不断重复而得到迁移或概括。

主体之所以对环境因素的刺激做出不同的反应，这是因为每个主体的图式不同，以不同的内在因素去同化这种刺激，做出不同的反应。

图示是皮亚杰理论中的一个核心概念。

同化是指个体将外界信息纳入到已有的认知结构的过程，但是有些信息与现存的认知结构不十分吻合，这时个体就要改变认知结构，这个过程即是顺应。

平衡是一种心理状态，当个体已有的认知结构能够轻松地同化环境中的新经验时，就会感到平衡，否则就会感到失衡。

心理状态的失衡驱使个体采取行动调整或改变现有的认知结构，以达到新的平衡。

平衡是一个动态的过程，个体在平衡—失衡—新的平衡中，实现了认知的发展。

我们可以把图式看作是心理活动的框架或组织结构。

在皮亚杰看来，图式可以说是认知结构的起点和核心，或者说是人类认识事物的基础。

因此，图式的形成和变化是认知发展的实质。

　　2.2.2同化（assimilation）

　　同化原本是一个生物学的概念，它是指有机体把外部要素整合进自己结构中去的过程。

在认知发展理论中，同化是指个体对刺激输入的过滤或改变的过程。

（邵瑞珍，1990年）。

　　2.2.3顺应（accommodation）

　　顺应是指有机体调节自己内部结构以适应特定刺激情境的过程。

顺应是与同化伴随而行的。

当个体遇到不能用原有图式来同化新的刺激时，便要对原有图式加以修改或重建，以适应环境，这就是顺应的过程。

可见就本质而言，同化主要是指个体对环境的作用；顺应主要是指环境对个体的作用。

皮亚杰用同化和顺应过程来说明认识，旨在表明这样的观点：

一切认识都离不开认知图式的同化与顺应。

认识既是认知图式顺化于外物，又是外物同化于认知图式这两个对立统一过程的产物同化只是数量上的变化，不能引起图式的改变或创新；而顺应则是质量上的变化，促进创立新图式或调整原有图式。

   2.2.4平衡（equilibration）

 　平衡是指个体通过自我调节机制使认知发展从一个平衡状态向另一种较高平衡状态过滤的过程。

平衡状态不是绝对静止的，一种较低水平的平衡状态，通过个体与环境相互作用，就会过渡到一种较高水平的平衡状态。

平衡的这种连续不断的发展，就是整个认知发展的过程（皮亚杰，1981）。

2.3皮亚杰认知心理学对高中物理教学的启示

皮亚杰的发展理论对教育教学实践有很大的影响。

许多心理发展研究与课程论都是建立在皮亚杰理论基础上的。

他的理论对教育工作者的理论研究和实践探索都有重要的价值。

在皮亚杰看来，认知发展是以学生已有的认知结构为基础的，并以已有图式与环境相互作用而产生的认知需要为动力。

教师要成为学生认知的帮助者，就要求教师在教学过程中从以下几个方面发挥指导作用：

（1）激发学生的学习兴趣，帮助学生形成学习动机；

（2）通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建立有效的认知图式；（3）为了使意义认知更有效，教师应在可能的条件下组织协作学习（开展讨论与交流），并对协作学习过程进行引导使之朝有利于学生建立有效图式的方向发展。

引导的方法包括：

提出适当的问题以引起学生的思考和讨论；在讨论中设法把问题一步步引向深入以加深学生对所学内容的理解；要启发诱导学生自己去发现规律、自己去纠正和补充错误的或片面的认识。

通过同化和顺应建立有效的图式。

第三章帮助学生建立有效的物理模型

3.1建立正确的“图式”

从皮亚杰认知理论我们知道，图式是认知的核心，图式的正确是解决问题的前提，所以应该首先建立正确的图式，在这里也就是对物理知识有清晰的认识，物理知识主要是物理概念和规律。

3.1.1知识点清晰

高中物理的知识点是由概念和规律组成，任何一个物理