建构物理模型能力的调查

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　　摘要:为了提高学生的创造性能力,使学生的思维从知识立意转向能力立意,正确建构物理模型是研究物理问题的关键,也是抽象思维的结果。
　　关键词:物理模型 能力 调查 分析
　　
　　一、问题的提出
　　
　　物理学科的学习除了对知识内容的要求外还必须注重能力要求,并应特别强调能力的重要性,使学生思维从知识立意转向能力立意,并要合理安排能力考查的内容,即获取信息、推测答案、设计实验、转换信息、实际应用和反思评价等。使能力立意中的建构模型、逻辑推理、创新实验成为解决物理问题的思维过程。其中建构物理模型是正确地研究物理问题关键,也是抽象思维的结果,一旦正确模型建立,可给新的抽象思维、逻辑推理、创新实验提供依据和基础。
　　物理学是研究物质运动最一般的规律和物质基本结构的科学。在实际情况中影响物质运动变化的因素往往是多元的、复杂的。可是在物理现象和物理规律的研究中常常忽略一些次要的、非本质的因素,只考虑主要的、本质的特征,从而建立起抽象的物理模型(以下简称“建模”)。并且这种抽象的物理模型能够反映,而且是更深刻地反映实际物理现象的变化规律的。它突出呈现了对应原始问题的分析、假设、抽象的物理加工过程以及物理工具、方法、模型的分析和选择过程,能够较完整地体现学物理和用物理的关系。
　　纵观物理学史,我们就一定会深深地体会到它是一部物理模型史。伽俐略的理想斜面,牛顿的万有引力理论模型、卢瑟福、玻尔的原子模型都是物理模型的典型范例。
　　通常所说的物理模型可分为以下四类:
　　对象模型:质点、弹簧振子、单摆、点电荷、纯电阻、理想的绳和杆等。
　　条件模型:光滑水平面,无限长导线,足够长的导轨,忽略空气阻力和媒质阻力。
　　过程模型:匀速直线运动、平抛运动、匀强电场中的类自由落体运动等。
　　状态模型:理想气体的状态,物体的平衡状态。
　　近几年,教学中就是围绕培养学生建构物理模型这一问题,设置情景,安排设问,来考查学生对物理基础知识和基本方法掌握的清晰程度及学生的创造性能力。为了解学生物理建模水平,我们从近几年试题和习题中,抽出部分需建构不同类型模型有代表性题目,用考试的方法,进行调查,分析(见表1)。
　　
　　
　　二、调查的内容和分析
　　
　　对比表1,我们不难发现学生建模正确率与全部答对人数比较接近,说明构建物理模型是解决物理问题的关键组成部分,为了进一步了解学生对建模的思维深度,在讲评测试卷之前,我们以调查问卷的形式,寻找学生思维过程的障碍及错误(见图1)。
　　
　　分析结果,辨析题答错学生中,有18.8%的学生不知道解此题需要建构理想的绳、理想的弹簧作为对象模型,有27.6%的学生不能正确理解:理想的绳是完全无弹性刚体模型,在拉力产生或拉力消失时,受力可以突变,不需要时间的积累。理想的弹簧是完全弹性模型,在拉力产生或拉力消失时,受力不可以突变,需要时间的积累。因此不能正确进行受力分析,判断正误。另有部分学生虽然判断正确,但是猜测的,因为他们不能回答理由,这样的学生占10.7%。
　　选择题主要考查学生能否明确建立条件模型,属于比较容易确定的一类题型,正确选项为(A),正确率为73.2%,从调查卷得知大多数学生可以建构出物体在离开飞机后水平方向上仍与飞机具有相同的速度的模型,仍有26.8%的学生存在一定困难,不能理解物体可以同时参与两种运动,运动具有独立性原理。
　　计算题:提供的物理情景要求学生建立每个烟尘做初速度为零的匀加速直线运动模型,而且它们是整体平移模型,同时可将烟尘在匀强电场中的运动与重力场中自由落体运动类比,建构出类似自由落体运动的物理过程模型。调查结果85.7%的学生能够正确选择最靠近上表面烟尘为研究对象,建构出类似自由落体运动的物理过程模型。但全题答对率只有8.9%,其中23.2%的学生进行的运算过程中有疏漏(多数没有考虑到烟尘重力忽略不计)。
　　进一步分析电场力对烟尘做功及烟尘的总动能,由于烟尘是均匀分布的,电场力对其做功与它的位移成正比,可认为所有的烟尘集中在盒状容器的中心,应该将模型进一步建构为以所有的烟尘颗粒为研究对象,且研究对象由盒状容器的中心到容器低部,做初速度为零的匀加速直线运动模型,因为总颗粒数为NAL,位移为,电场力对所有的烟尘做的功。40.2%学生没有深入思考再建模,就仓促的得出错误的答案W=NALqU,题目中第(3)问求烟尘达到的最大总动能,要求学生考虑多方面因素:一方面单个烟尘颗粒动能在增大,另一方面烟尘颗粒的数目在减小,不能套用计算电场力对烟尘做功时建立的模型。学生没有综合分析的能力,答对的寥寥无几。
　　实验题是考察学生是否有创造性思维的能力题,首先要根据题目给定的实验器材,设计实验情景,建构合适的状态模型,此题难度较大,有46.4%的学生成功的建构出状态模型,利用封闭的一定质量的气体的等压变化过程,测量室温。但在实际操作中,其中12.5%不能准确测量数据,表现在测量数据比较多,表达式比较繁,而且利用了不应该用的数据例如长约40cm也写在表达式中。
　　
　　三、存在的问题和采取的措施
　　
　　分析调查试卷结果,可归纳出目前学生学习中存在的几个问题:
　　(1)缺乏建构物理模型的意识,往往乱用公式。
　　(2)虽有建构物理模型的意识,但由于物理基础知识、基本概念掌握的不确切,在建构模型过程中存在较多的错误和疏漏。
　　(3)由于建模分类能力和抽象思维能力均较差,导致选择实验器材、设计实验失败。
　　(4)归纳综合能力和文字叙述不完整。
　　正确建构模型的前提是对物理情景的透彻分析,和物理基础知识的准确应用。因此,在今后的教学中应采取的措施:
　　(1)要教会学生分析物理情景,明确要研究的对象,以及它的发展和变化过程,要经常不断地强化建立物理模型的必要性和重要性。
　　(2)要使学生掌握扎实的物理基础知识、基本原理,正确理解各个物理量之间的函数关系。
　　(3)设立专题讲座课,训练学生建构各类物理模型的能力,使学生掌握应用数学工具处理物理问题的方法,具备熟练完成实验的能力。
　　(4)要让学生学会正确地表达自己思想的本领。

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