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讲座:高中物理学生建模能力的培养

发布日期:2013/10/16 16:49:18浏览次数:1698 作者:yindongping

高中物理学生建模能力的培养

尊敬的各位老师:

上午好,非常荣幸有机会在此和大家交流高中物理学生建模能力的培养。讲得不对之处请老师们批评指正。

对比近几年的江苏卷,总体感觉今年的难度明显低于往年:比如计算题顺序虽然还是一电一力再一电,但是13题没有了去年的审题陷阱容易上手,14题也是学生很熟悉的摩擦拖动问题,命题不再刻意回避常规模型;同时也注意到让考题贴近学生的生活:如选择题2“旋转秋千”是转台模型的立体“变式”,选择题3带电圆弧是点电荷的变式,这些题要求学生能从题干中摄取信息,构建物理模型。可见对基本模型的掌握及面对新情景的建模能力是高考命题的方向。接下来我从三个方面谈自己在教学中是怎样帮助学生建立物理模型的。

第一方面,在物理概念和规律教学中怎样培养学生的建模能力?

“物理模型”的建立,是一种严密的正确的思维方法,分析好每一个“模型”的建立思维很重要。以“质点”为例:它的概念很简单,一个有质量而没有大小的点,但这在实际生活中是不存在的,怎样打破学生的思维障碍让他们能忽略某些次要因素,建立起质点这个理想化模型呢?我会创设这样一个情景:假设一列火车从火车站出发,以10米每秒匀速直线前进,求10秒钟后火车离车站多远?一个小时后火车离车站多远?对于前一问,学生会算出10×10 =100 m;也有学生觉得不能确定,因为未指定是研究车头还是车尾。而对于第二问,学生会得出36000 m。这时候不要考虑车头或车尾了吗?火车现在就没有自身长度了吗?教师这样问能引起学生的思维冲突,进而想到火车长度相对36000米来说已经很小了,可以忽略。再通过地球公转、自转时能否看成质点等实例的研究,引导学生逐步建立质点模型并探究物体可看着质点的条件。

其次认真研究教材,将各章节知识系统化,在此基础上形成物理模型,并以此为教学切入点。如“万有引力与航天”一章,众多的情景和大量的信息可归结为两个物理模型:一、万有引力提供向心力的环绕模型;二、万有引力等于重力的星表模型。我会从课本上学生最熟悉的行星绕太阳做圆周运动入手,学生审题画情景图,对行星受力分析写出向心力方程求解。然后改成飞船绕地球的情景,或含有大量信息的环绕问题,学生按照基本思路求解,会发现画的情境图、列的方程几乎都一样,自然构建出了环绕模型。同样的思路建构星表模型。如江苏09卷第3题,是一道有关黑洞的信息给予题。要求黑洞表面的重力加速度学生很容易选择星表模型作答

最后多研究题目,尤其是具有代表性和导向性的各地模拟题、高考题等,并作适当拓展。如我们对“不计质量”的轻质物体缺乏感性认识,平时遇到这类条件往往不重视或不处理,但对近几年江苏高考试题研究中发现,这类知识考查频率较高且学生失分较多。我们可引导学生应用牛顿第二定律分析轻质物体一定受平衡力的受力特点。那么江苏11卷第9题水平面上固定等腰三角形斜面上有一足够长的轻质绸带这个问题。学生就很容易把两物块所受摩擦力的大小总是相等的A选项即挑选出来,也就轻轻松松拿到了2分。若在帮助学生建构好轻质绸带这个理想模型的同时再选择一些轻质模型的情题景展示给学生,那么学生对江苏12卷中由轻质弹簧和轻杆相连作为缓冲装置的14题在审题上就会感到比较熟悉。

第二方面,在物理习题教学中怎样培养学生的建模能力?

培养学生审题能力是一个重要方面,审题是阅读题目,提取重要信息,通过画情景图再现物理场景,进行逻辑推理、类比联想将新情景难题转化为常规命题的过程.

例.电阻为R0边长为L的正方形单匝导线框,水平放置于方向竖直向上、磁感应强度的大小按BB0sinωt规律变化的磁场中,外接一电阻R,求线圈中产生的感应电流以及在R上消耗的电功率。

若直接用法拉第电磁感应定律求解,对数学知识的要求比较高。但若抓住“磁通量变化是产生感应电动势的根本原因”这一本质,并类比课本上正弦式交变电流产生的基本模型:线圈绕垂直于匀强磁场的轴匀速转动,相当于有效面积在变化,引起磁通量变化率按正弦式变化,不难想到此题中面积不变,磁感应强度B大小在变,引起磁通量变化率按余弦式变化,使问题迎刃而解。

教学中同时也要注意对题目进行变式训练,以培养学生的思辨能力,防止思维定势。如水平放置的正方形线圈 abcd处于竖直向上和竖直向下的方向交替变化的匀强磁场中,每部分磁场的宽度都等于线圈的边长。ab绕cd顺时针旋转180o至水平,接下来cd绕ab顺时针旋转180o至水平,如此循环往复,其中有一问要画出线圈中感应电流随时间变化的图像。部分学生会直接画成正弦式变化图像,其实稍加分析就可发现后半个反向磁场导致了与基本模型的区别就在于产生感应电流的方向是一直不变的。通过这种变式训练,可以养成学生通过分析情景建立模型的良好的思维习惯,而不是直接机械地套用模型。再看江苏12卷第13题是线圈在辐向磁场中匀速转动,学生有能力分析出此过程产生的是大小恒定的交变电流,。但若没有认真审题的习惯,很容易就当成课本上的模型认为产生的是正弦式交变电流而错解。

第三方面,在物理实验教学中怎样培养学生的建模能力?

一般可以在建立模型前先做有关的实验, 使学生在脑海里留下一个直观的物理模型, 再抽象引导, 形成具有思维特征的物理模型。如单摆模型的建立,可以演示几种实例:或用短而粗的绳子或用橡皮筋系住小铁球或用细长的细线系住一只小铁球。让学生对照直观的情景来建立单摆模型:对线、摆球及悬点各有什么要求。用数学方法还可知当摆角很小时,单摆做的是简谐振动。如竖直放置的光滑圆弧槽内有一个小球,已知圆弧的半径远大于小球的半径,将小球分别从离O点较近的A点和B点无初速释放,比较到O点的速度大小和时间长短?速度大小容易从功能关系得出,比较时间学生一般是从运动学公式出发,但这是一个变速圆周运动。遇到问题时可以让学生再审题,“所谓书读百遍,其义自现”题目多审几遍,一些突破口就会浮现。再次的审题会让学生注意到圆弧的半径远大于小球的半径这个条件,从而构建出单摆模型,再由A点和B点离O点较近说明小球做简谐振动而得到时间相等。

总之,高中物理的模型很多,培养学生建模能力的方法也很多,以上只是我个人一点不成熟的想法。请各位老师多提宝贵意见。谢谢!

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