Transcript 叶全浩ppt - 宁波市基础教学研究网

本课题获宁波市第五届基础教育教学成果奖
高中《物理建模》课程开发的研究
慈溪中学
叶 全 浩
 教育研究最佳实验室之一就是教室。
 教师专业发展最佳途径之一就是课题研究。
 教师执教能力发展最佳途径之一就是课程
开发。
一、研究的背景及意义
1、 研究思想的产生
1989届、1992届、1995届连续三届学生的高
考成绩与全国物理竞赛成绩引起我对自己教学过程
的思考，发现课堂教学中重视物理过程的分析与物
理思维方法教育对提高学生物理水平比较有效，两
者结合起来就是要重视物理建模的过程。因而1996
年开始就着手进行物理建模的研究。
2、 建模是人类预测能力发展、社会
文明程度提高的重要标志.
 建模思想渗透于各个领域，如：房屋建筑
模型、航空航天模型、桥梁建筑模型、经
济动力学模型等。
 法国科学方法论学者阿雷指出：科学的基
本活动，就是探索和制定模型。
3、数学建模活动，引起我对物理建模的
进一步思考。
物理学原是客观研究物质万象的学科，建模思
想源于物理，物理教学本身就是一种物理模型的
教学，它是景象与意象相结合的教学，也是具象
与抽象相结合的教学。是感性思维与理性思维的
统一。在物理学习中培养学生的建模思维，有得
天独厚的学科优势。物理建模教育可以使学生冲
破现实与经验的局限，对物理概念和规律进行心
理成像；用建模作为认知的工具，可形成富有想
象力的教学。
4、《普通高中物理课程标准》
在过程与方法的目标中指出：
“通过物理概念和物理规律的学习过
程，了解物理学的研究方法，认识物
理实验、物理模型和数学工具在物理
发展中的作用。”
5、浙江省深化普通高中课程改革
（六）增加选修。选修课程分为知识拓展、职业
技能、兴趣特长、社会实践等四类。（1）知识拓展类
选修课程包括必修内容的拓展课程、大学初级课程、
介绍学科最新成果的课程和学科应用性课程等，旨在
让学生形成更为扎实的知识基础。（2）职业技能类选
修课程是通过中等职业学校合作，从职业教育引入的
职业教育课程，旨在让学生掌握一定的职业技能，培
养创新精神和动手能力。（3）兴趣特长类选修课程为
有助于培养学生兴趣，发展个性特长的各类课程。（4）
社会实践类选修课程指指调查探究活动、社会实践活
动、校园文化活动、学生社团活动等课程。
6、有利于提高学生科学思想方法。
 物理建模着重解决与物理模型相关的建模
问题，为学生之后的学习与工作打下方法
论基础。从哲学角度来说，在处理具体问
题时，学会抓住事物的主要因素与本质特
征，忽略事物的次要因素，从而科学地解
决问题。
二、《物理建模》课程的构建与实施
 本课题已经历整整16年的研究与实践，
共分三个阶段。
 第一阶段，1996年到1999年。对高中
物理教材中建模过程进行梳理。初步确定
物理建模的目标、内容、过程、策略 。
 分析高中物理建模的过程。总是遵循这样
一条重要的方法论原则，即从简到繁，先
易后难，循序渐进，逐步深入。
分析物理模型的特点。
 物理模型是抽象性和形象性的统一。
 物理模型的建立是舍弃次要因素，把握主
要因素,化复杂为简单，完成由现象到本
质、由具体到抽象的过程，而模型的本身
又具有直观形象的特点。
 物理模型是科学性和假定性的辩证统一。
 理想模型来源于现实，又高于现实，是抽
象思维与形象思维相结合的结果。
分析物理模型的主要功能。
 可以使问题大为简化，从中较为方便
地得出物理基本规律。
 可以对模型讨论的结果稍加修正，即
可用于实际事物的分析和研究。
 有助于对客观物理世界的真实认识，
达到认识世界，改造世界的目的。
总结高中物理模型的类型。
 根据物理研究的内容进行分类，高中物理
模型类型有：研究对象模型化，研究对象
所处的条件模型化，理想化实验，物理中
的数学模型等。
 经研究认为物理建模的前提是学生头
脑中必须有丰富的物理表象。
第二阶段，2000年到2005年，
构建《物理建模》课程的结构 。
第一章 物理建模的意义及作用
1、什么叫物理模型
2、物理模型在物理学发展中的作用
3、物理建模有利于形成正确的科学文化
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、物理建模的基础
7、物理建模的科学方法
8、物理模型的进化
第三章 物理模型的分类
9、对象模型
10、条件模型
11、过程模型
12、数学模型
第四章 典型的物理模型
13、天体运行模型
14、弹簧振子模型
15、单摆振动模型
16、理想气体模型
17、“柱体”导电模型
18、原子结构模型
第五章 物理建模在工程技术中的应用
19、房屋建筑模型
20、桥梁建筑模型
21、航空航天模型
第六章 物理建模在物理解题中的应用
22、物理建模与物理解题(模型法解题）
第三阶段，2006年到2013年，撰
写纲要，建立比较完整的建模教育体系。
 《物理建模》课程性质：将物理知识、物
理方法、物理思想融为一体，理论性与技
能性相结合的课程。
 物理建模教育的目标：⑴使学生掌握物理
建模的过程与方法；⑵使学生正确认识高
中教科书中的有关物理模型；⑶要求学生
会用物理模型解决一些实际问题。
 物理建模教育的内容：物理建模教育的内
容框架体系（见校本教材） 。
物理建模教育的基本策略：
 物理建模教育要尽可能地通过实验、图片、
模型等方法丰富学生的表象，在客观事实
与实验的基础上抽象与构造物理模型。在
课堂教学中不断渗透物理建模教育，介绍
科学家物理建模的历史过程与方法。在习
题课中有意识地运用物理模型解决实际问
题，以物理模型为专题编印训练题。
总结确定高中物理建模的总体思路
 构建物理模型的主要步骤。
 运用物理模型解决实际问题的步骤。
 物理建模教育的评价。
 在此基础上再写课程纲要，按课程纲要对
原教材重新进行修改。
三、研究成果与反思
经过三个阶段的研究与实践，结累了资
料，写出《物理建模课程纲要》、《物理
建模》的校本教材(另附)，形成了物理建
模教育的比较完整的体系。通过物理建模
教育的研究得到以下几方面成果：
（一）理论成果
1、比较完整地界定了物理建模课程的
基本概念。
 1、物理模型。模型是一个广义的概念。有
一类称为物质模型，另一类称为理想模型。
它是根据人们的抽象思维和想象力，采用理
想化和纯粹化的办法，所创造的能再现原型
的本质联系和内在特性的一种简化模型。后
者是在物理学研究中常用的模型。物理学中
的规律就是通过对理想化的物理模型的研究
得出来的。本课题研究所指的物理模型就是
这一类模型。
 2、物理建模。将实际问题转化为纯物理问
题，运用合适的物理模型加以解决叫物理建
模。
3、物理建模的思想
 在客观实际的现象中提取物理问题，为了
让问题能变得清晰，自然、有条理，我们
常常是忽略某些次要因素或暂时可以不考
虑的因素，抓住主要因素各个击破，建立
相应的物理模型，利用物理模型，能具体、
形象、生动、直观、深刻地反映出事物的
本质和特征，明确分析思路，然后利用相
关规律给以分析处理，解决问题，这就是
物理建模的思想。
从哲学层面上明确以下三项建
模基本思想：
 物理模型的建立不是孤立的，而是与
周围事物联系在一起的。
 物理模型成立是有条件的，相对的，
不是绝对的，所以要用相对的、联系
的观点看待物理模型。（典型例子）
 物理模型是变化发展的。
4、物理建模教育。
 通过实验与事实，丰富学生头脑中的表象，
选取高中物理中若干著名的物理模型，通
过剖析它们在科学认识中的作用及它们的
建立和发展、演化过程，展示物理模型所
包含的丰富内涵及其科学文化。让学生经
历物理模型的建立过程，从而理解物理知
识深刻的内涵及外延，体会将物理知识应
用于解决实际问题的思维和方法。
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规律的
基础。
 运用物理模型可以简化和纯化研究对象及
其过程。
 运用物理模型有利于发挥想象力和物理抽
象思维能力。
 物理建模有利于形成正确的科学文化。
 物理建模有利于形成解决物理问题的基本
思路。
2、形成了《物理建模》课程的教学体系。
 写出校本教材供全校使用。
（二）实践效果
 1、2009年物理建模教育思想在省内进行
推广，物理建模教育论文获浙江省学科教
学论文一等奖
成果入编普通高中《物理2》必修教
师教学用书 。
 研究成果中撰写的“航空航天模型”部分
入编人民教育出版社出版的普通高中《物
理2》必修教师教学用书，出版时间2007年
5月。
书号是：
ISBN978  7  107  17863 4
G  10952(课）
物理建模教育课题获慈溪市第
四届教育科研优秀成果一等奖
高中物理建模课程获宁波市人民政府
第五届基础教学成果二等奖
2013年6月评为宁波市第三批精品课程
 推荐为省第三批普通高中选修课网络课程 。
 立项为2013年浙江省教研重点规划课题。
课题有关成果在以下单位作过推广：
 奉化市、镇海柴桥中学、宁波姜山中学、
宁波李惠利中学、宁波二中、宁夏银川市
第二中学、慈溪龙山中学、慈溪杨贤江中
学、慈溪实验高级中学、慈溪育才中学、
余姚市第二中学、余姚市第五中学。
 在省新教材备课会议上作过介绍，并多次
在宁波市教研室组织的和慈溪市教研室组
织的高中物理备课会议及高考复习会义上
作过介绍。
 2、通过建模教育，提高了学生物理建模的
思想方法，使学生明确物理建模基本思想。
 3、通过建模教育，使学生学会了构建与
运用物理模型解决实际问题的基本策略。
①通过物理建模教育使学生解决物理问
题的建模过程形成如下总的思路：
物理事
实物理
问题
建立物
理 模
型
运用物
理 模
型
重新解释或
修
正
②学生学会了构建物理模型的一般步骤。
 第一步：建模中第一件要做的事便是题目的
选取，然后利用实体映射影像构建模型存储。
 第二步：利用对比方法，重视主要的，忽略
次要的，构建模型存储。
 第三步：知识深化，状态——过程构建模型
存储。
 第四步：知识类化，理想实验构建模型存储。
 第五步：知识交叉，物理——数学构建模型
存储。
③学生学会了运用物理模型解决实
际问题的步骤。
 Ⅰ、模型准备
 Ⅱ、模型假设
 Ⅲ、模型建立
 Ⅳ、模型求解
 Ⅴ、模型分析
 Ⅵ、模型检验
 Ⅶ、模型应用
解题建模的具体步骤可用下面框图表示：
模型准备
模型应用
模型假设
模型分析
模型检验
模型建立
模型求解
I=Q/t =nqvtS/t
=nqvS
F=ILB
I=nqvS
F=（ nqvS）LB
这段导线中含有
电荷数为N=nLS
则f=qvB
 例题、潮汐是一种常见的自然现象，发生
在杭州湾钱塘江入海口的“钱江潮”是闻
名世界的潮汐现象．在农历初一和十五前
后各有一次大潮，在两次大潮之间又各有
一次小潮．试把每月中出现两次大潮时地
球、月球和太阳的相对位置示意图定性地
画在下面．
 试把每月中出现两次小潮时地球、月球和
太阳的相对位置示意图定性地画在下面．
4、通过建模教育，使学生掌握了
高中物理中典型的物理模型 。
理解物理模型是对基础知识的高度概括，物
理模型具有典型性、抽象性等特点。
理解物理模型集基本概念与基本规律于一体。
理解物理模型是一个理想化的形态。从不同
的角度研究物理模型可以有不同的区分方法。
根据中学物理的特点及模型的主要功
能，物理模型分为以下几类：
 （1）研究对象模型化
 （2）研究对象所处的条件模型化
 （3）理想化实验
 （4）物理状态和物理过程的模型化
 （5）物理中的数学模型
(1)对象模型
 通过对实际问题仔细研究，发现其特点，充分
联想，建立某个对象，我们称之为概念或对象
模型。
 主要基于两种情况： 一种情况是为了突出客观
实体的主要矛盾或本质因素，采用了剪叶去枝
的方法，摒弃了一些次要的非本质的因素，使
研究客体简化和纯化后，从客观实体中直接抽
象出来的，它的目的是为了简化对问题的研究。
 另一种情况是为了解释某些行为和特
性建立起来的模型。
 同一个客观物体在不同场合可以抽象
成不同的对象模型。
 对于其它对象模型，同样需要注意各
自的背景条件。
 [例题]一间新房即将建成时要封顶，考虑到下
雨时落至房顶的雨滴能尽快地淌离房顶，要设
计好房顶的坡度，设雨滴沿房顶下淌时做无初
速度无摩擦的运动，那么图1中所示四种情况
中符合要求的是（ ）
(2)条件模型
 把研究对象所处的外部条件理想化，排除
外部条件中干扰研究对象运动变化的次要
因素，突出外部条件的本质特征或最主要
的方面，从而建立的物理模型称条件模型。
 引入条件模型主要是为了简化对问题的研
究。
 把外部条件抽象成一定的物理模型，往往
仅同限于某一个范围内，不能任意地无限
延扩。
(3)理想化实验。
 在物理实验的基础上，抓住主要矛盾，
忽略次要矛盾，把实际过程理想化，
找出其规律。例如，伽利略的理想实
验为牛顿第一定律的产生奠定了基础。
(4)过程物理模型
把具体物理过程纯粹化、理想化后
所抽象出来的一种物理过程，称过程模
型。
建立过程模型的目的，也是为了简
化对问题的研究，以便得出基本符合实
际的结果。

[例题]跳绳运动是一种健身运动。
设某运动员的质量是50kg，他每
分钟跳绳180次。假定每一次跳跃
中，脚与地面的接触时间占跳跃一
次所需时间的2/5，则运动员克服
重力做功的平均功率是多少？
(5)数学模型
把物理学的研究对象、运动变
化中的状态和经历的过程、以及客
观物理规律数学化都可称为数学模
型。
数学模型具有下述一些特点：
 ①数学模型是从客观实际事物中高度
抽象概括出来的．
 ②应用数学模型既可进行理论分析，
又可进行算法设计、变量计算与逻辑
演绎和推导。
 ③数学模型是物理学上的抽象，在数
值上可以作为公式应用，还可推广到
与原物相近的一些问题。
④经若干次修改后的数学模型，
所获得的结果可以再回到实际中
检验，从而指导实践，为实践服
务。
 ⑤ 数学模型可以作为某事物的
数学语言。
 如图所示，有两条相同的曲线状金属导线，将它们两端分别用电阻
R1=3Ω、R2=6Ω彼此连接，且中间用绝缘材料彼此隔开。现将该
闭合回路置于磁感应强度为B=2T的匀强磁场中，磁场方向与闭合回
路垂直。两电阻的尺寸忽略不计，两条导线的电阻忽略不计。以R1
所在位置为坐标原点，以由R1到R2方向为x轴正方向建立直角平面
坐标系，两条导线的形状符合曲线方程
m。现有一根

y  2 2 sin
4
x
 电阻不计、足够长的金属棒MN从与y轴重合开始以速度v=5m／s
匀速向x轴正方向运动，且在运动过程中与曲线状金属导线保持良好
接触。以下正确的是（ ）
 A．整个过程中通过R1的电流方向不变
 B．整个过程中通过金属棒MN的电流方向有变化
 C．整个过程中回路产生的焦耳热1280J
 D．在金属棒运动到导轨中央的过程中通过R1的电荷量
 这是物理模型与数学模型的有机结合。
 这是交流电模型与稳恒电路模型的有机
结合。
 这是物理模型的构建与转换的典型问题。
答案：C D
5、通过建模教育，使学生理解物
理模型的进化。
物理模型的发展类似于生物进化的过
程，物理模型需要在实践中不断检验、评
价、转换和发展中进化。
物理模型需在实践中不断发展与进化
的。理想化的物理模型是一个历史范畴。
如天体运行模型的进化：
 托勒密的“均轮十本轮”组合运动模型
 哥白尼的太阳系运动组合模型
 开普勒的椭圆轨道模型
 宇宙大爆炸模型
 量子力学模型
如原子结构模型的进化：
 汤姆孙的“糟糕”原子模型
 卢瑟福原子的有核模型
 玻尔原子模型
 量子模型
 夸克模型
5、通过建模教育，学生的物理学习成
绩有较大提高。
通过物理建模教育的历届实验班学生在多
次全国高考中物理成绩或理科综合能力测试成
绩处于宁波市、省领先地位；在历届全国中学
生物理竞赛中，获全国一等奖4个，其中2个分
别获浙江省第一名和第二名，其中1个获全国
笔试第一名；最近，在第25届全国中学生物理
竞赛中，实验班学生获全国一等奖1个，三等
奖3个；浙江赛区二等奖1个，三等奖3个。
有待进一步研究的问题：
物理建模教育是一种长效应的教育，
很难在短时间内进行比较具体的量化与考
核，这是不可回避事实。其教育效果评价
的问题有待进一步研究。
谢谢各位老师
请多指导