我們真的理解了「質點」模型嗎?—從理想氣體模型反饋來看(二)

姚鐸俟教育 發佈 2022-04-14T18:41:39.825779+00:00

上一期,提出了思考問題:雖然我們對「質點」概念能夠「背書」,但我們真的理解了「質點」模型嗎?是否真正理解「質點」模型,號主提出了一個判據:是否真正理解了「質點」背後的物理方法——物理模型思維方法?


上一期,提出了思考問題:雖然我們對「質點」概念能夠「背書」,但我們真的理解了「質點」模型嗎?是否真正理解「質點」模型,號主提出了一個判據:是否真正理解了「質點」背後的物理方法——物理模型思維方法?是否能夠實現這一方法的靈活運用?


昨天的「首論」,從輕物模型的教學觀察角度指出,我們對「質點」模型的理解或許還有所欠缺。


我們真的理解了「質點」模型嗎?——從理想氣體模型反饋來看(一)|教研分享系列279


這一期繼續討論。


​三、續論


有一位同事在交流探討時提出了一個問題:「空氣是否可以視為理想氣體?」


號主認為,如此提問,說明提問者對理想氣體模型認識不到位,確切地講,是對物理模型的認識還有所欠缺。


說及此,還得插一句題外話。號主如上評論,並不是說不理解物理模型的同仁朋友一定是不合格的教師;相反,不理解物理模型思維方法的教師,還可能是優秀的教師,因為他(她)很可能有其他人沒有的雄厚的知識儲備、豐富的教學經驗;他(她)很有可能已經培養了一批又一批的優秀人才。總之,作為教學交流探討,我們著重於教學問題本身,而不是對交流對象的才能評判,更不能涉及品德人格的評判。事實上,教育教學是一個複雜的系統,「摘取一隅而概全貌」,不免引來「反轉」的尷尬。


面對這樣一個問題,又如何回答呢?是肯定回答呢,還是否定回答,亦或是不予回答。若是前兩者,那麼說明回答者本身對物理模型的理解有所欠缺;若是後者,或許就是一個不太真誠的交流對象了。


那麼,對於物理模型理解深刻的人,面對這個問題會怎樣回答呢?


號主想,簡潔地回答應該是這樣的:空氣是否可視為理想氣體,由問題的性質和需要決定,在有一些問題中,可視為理想氣體;在另一些問題中,則不可視為理想氣體。


如上簡潔回答,似乎給人於「空洞」之感。事實上,「入道」之人的頓悟之語,對於還未「入道」之人而言,往往就是「高深莫測」的——近乎空洞之感。例如,高校教育教學專家的一些高深理論,初聽起來就是「空洞」的,只有他們結合案例進行講述或直接指導教學實踐,經過一個理論與實踐相結合的過程,才有可能消除「空洞」之感。


結合具體案例再講解,或許就消除了前述簡潔回答的「空洞感」了。


例如,運用打氣筒給輪胎打氣,把空氣視為理想氣體,如果已知輪胎容積和打氣筒容積,理論計算出來的輪胎壓強與實際壓強的吻合度估計還是很高的。也就是說,就打氣筒打氣問題,把空氣視為理想氣體是可行的。然而,如果我們要估算整個地球的大氣質量,顯然不可忽略氣體分子所受重力作用,也即不能把空氣視為理想氣體。


事實上,一個研究對象、物理過程或外界條件是否可以視為某種物理模型,幾乎都可以這樣回答:這主要取決於問題的性質和需要,就有些問題可以,就另一些問題則不可以。而且,這樣回答恰恰是正確的精闢之語,也說明理解了物理模型之精髓。


如果號主上面論述是正確的,那麼「就'空氣是否可以視為理想氣體?',你怎麼看?」或許是一個很好地檢測工具,可以檢測出對物理模型的認識水平。果真調查檢測,號主大膽預測:我們對物理模型的認識水平還較低。


​四、再論


人教版新舊教材對比而言,新教材就物理模型思維方法的顯化水平具有顯著性提高,除了多處進行了旁批說明之外,還專門開闢了「科學方法」專欄進行闡述,而且這個專欄安排在選擇性必修三「氣體實驗定律」內容之中。那麼,教材就物理模型思維方法闡述得如何?關於理想氣體模型之教學內容編寫得又如何呢?


下面是新教材截圖內容:



號主基本上認可教材對「理想模型(物理模型)」的闡述,但是對「應該說,理想模型在現實中並不存在」一句不滿意。

號主認為,就這句話,用對錯去評判是無意義的。一句正確的話,如果不能帶來更多的「知識」,阻礙了更多知識的探索,甚至造成了思維障礙,那麼這句話不僅僅毫無意義,而且必須給予否定批判。


從認知邏輯而言,這句話就容易陷入思維障礙:理想模型既然實際不存在的,那麼研究理想模型就是無意義的,因為它是不切實際的。


我們時不時聽到這樣的論調:「學習物理是沒有用的」、「學習是無用的」、「學了物理能解決實際問題嗎?」……


注意到,有一些大學生也有這樣的論調,這不是匪夷所思的問題,而是值得教育者深度反思的問題——號主認為:這跟我們的不良教學有很大關係。


「理想模型在現實中並不存在」就是一句容易產生思維障礙的「正確」的話。


為此,號主認為有必要修改這句話,如何修改呢?為了前後銜接,號主如下修改:「可見,基於認知需要或探索需要,我們總是會無意或有意地對研究對象進行簡單化、理想化、純粹化處理而建構為某種理想模型,通過它有利於對實際問題進行本質探討,並得到幾乎符合實際的有價值的結論。


建構物理模型,不是故弄玄虛,亦不是有意脫離實際,而恰恰是遵循客觀實際,使得實際問題有利於得到有效解決。


為什麼說,模型建構過程可能是有意識狀態,也可能是無意識狀態呢?從科學發現的事實來看,絕大多數科學發現都得經歷無意注意向有意注意的過程,無意注意啟動了有意的科學探究過程,而在有意探究過程中將獲得更多的、更深入的、更本質的科學知識(誠然,無意注意是長期有意注意的結果,所謂機遇傾向於有準備的人。但號主認為,前面論述與此沒有實質性矛盾)。


例如波義耳等科學家所研究的氣體,雖然都可視為理想氣體,但是波義耳等科學家眼中的氣體並沒有「理想」與「非理想」之分。隨著實驗研究的深入,發現只有「壓強不太大、溫度不太低」的氣體才嚴格或較嚴格地遵循實驗定律,因此把遵循波義耳定律、蓋—呂薩克定律和查理定律等實驗規律的氣體稱之為理想氣體。那麼理想氣體與非理想氣體區別在何處?如此經歷比較、抽象、綜合、分析、直覺等思維過程,才逐漸對理想氣體建立了假設(或條件)。具體假設如下:


假設① 分子自身大小可忽略不計;


假設② 分子間作用力可忽略不計;


假設③ 分子受到重力可忽略不計;


假設④ 熱平衡狀態下,分子與分子之間、分子與器璧之間的碰撞為彈性碰撞;


假設⑤ 分子朝各個方向運動的概率是相等的(速度方向各向同性)。


基於如上假設,不僅僅可以定性解釋氣體的一些熱學現象,還可以定量推導實驗定律。


注意到,教材編寫完全遵循了物理史學邏輯,陳述實驗定律時,使用的是「氣體」一詞,而後再結合「反例」才提出「理想氣體」模型。

值得指出,我們不僅僅對研究對象(系統)進行建模,而且對物理過程、物理狀態、外界條件也需進行建模,例如勻變速直線運動、平衡態、真空環境等等。因此,教材就「理想模型」科學方法的闡述具有狹隘化的嫌疑。


​五、結論

在某教研微信群交流時,同仁朋友就「物理問題是以生活實踐類,即實際情景為宜,還是以學習探索類,即模型化情景為宜」進行了糾纏性辯論。為此,號主評論到:「我們總是有意或無意識的建構物理模型,我們解決問題的過程幾乎可以說是從無模到有模,然後再到無模的過程,摘取解決問題某一段來看,要麼是建模過程,要麼是解模過程,建模過程著眼於實際情景,解模過程立足於物理模型。」


在這裡,號主還得補充:在解決實際問題中,還需要經歷解模結論到實際問題的反饋過程,根據反饋情況做出是否需要重新建模。也就是說,解決實際問題需要經歷「實際問題—物理建模—物理解模—實際問題—物理建模—…」的否定知否的螺旋前進過程。


也就是說,就「實際情景」和「物理模型」之間,包括教材編寫專家在內,總是會呈現出「對立」的思維障礙形態。這兩期的討論正是指出了這一教學現象。


基於這樣的實際情況,得出結論:關於「物理模型」的認識還存在頑固的認知誤區,還需要經歷教學研共同體積極教研、反覆交流,才能從整體上提升物理模型思維水平。



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