范泰洋 周桓

摘? ?要

新高考背景下需要通過物理建模教學(xué)提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。文章圍繞教育部《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中的目標(biāo)培養(yǎng)體系，結(jié)合若干高中物理模型問題的教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)階式物理建模教學(xué)中的建立模型、運(yùn)用模型、升華模型等三個(gè)螺旋形提升環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)施情況作些探討。

關(guān)鍵詞

進(jìn)階式? 物理模型? 問題驅(qū)動(dòng)? 科學(xué)思維

在新高考綜合改革的背景下，如何提升建模教學(xué)的實(shí)效性，如何通過建模教學(xué)促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，是值得廣大教師深入思考的問題。

一、進(jìn)階式物理建模教學(xué)的結(jié)構(gòu)流程

為了將“接受—理解—鞏固—解題”教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皡⑴c—體驗(yàn)—內(nèi)化—外延”的新型教學(xué)模式[1]，進(jìn)階式物理建模教學(xué)，首先要基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，從物理學(xué)視角通過抽象概括建構(gòu)起某種物理模型;其次要通過分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法，內(nèi)化客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系;最后還要鼓勵(lì)基于事實(shí)證據(jù)對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性的見解[2]?？梢娺M(jìn)階式建模教學(xué)包含有模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等遞進(jìn)式內(nèi)涵要素[3]，其教學(xué)結(jié)構(gòu)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

二、進(jìn)階式物理建模教學(xué)的實(shí)施

1.教學(xué)環(huán)節(jié)一：“建立模型”實(shí)施策略—抽象概括，模型建構(gòu)

（1）常見物理模型的分類

常見物理模型有如下幾種類型：理想化模型、科學(xué)假說模型和科學(xué)理論模型。

（2）建立模型的主要方法

①抽象法。即根據(jù)從具體事物中抽取出的某一方面特征或?qū)傩詠順?gòu)建物理模型。抽象法建模主要應(yīng)用于確定的研究對(duì)象;研究范圍等。例如，某類物體在外力作用時(shí)其形狀發(fā)生改變，而一旦外力撤去此類物體形狀又將恢復(fù)原狀，因此便可以根據(jù)其具有的共同特性來建立彈簧模型[2]。

②理想法。即在建模過程中將所研究的物理對(duì)象進(jìn)行理想化處理。理想化建模主要應(yīng)用于：理想化物理形態(tài);理想化物理環(huán)境;理想化物理過程。例如，理想剛性是將物理形態(tài)進(jìn)行理想化，絕熱、光滑是將其所處環(huán)境進(jìn)行理想化，而等壓過程是將運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行理想化。

③歸納法。即在大量物理實(shí)驗(yàn)以及所得數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行歸納，然后依據(jù)歸納出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論演繹出新的物理規(guī)律。例如，通過牛頓三大定律可延伸出許多其他力學(xué)規(guī)律[2]。

對(duì)于比較復(fù)雜和隱蔽的物理問題，還可采用類比法、等效替代法等方法來建立物理模型。

案例1? 在講授電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先帶領(lǐng)學(xué)生回顧楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律，明確感應(yīng)電流的判斷方法以及感應(yīng)電動(dòng)勢的大小計(jì)算;然后演示電磁感應(yīng)小實(shí)驗(yàn)：如圖2，當(dāng)通電線圈（其中連接一振蕩器可使線圈中形成變化電流）靠近接有LED小電珠的另一個(gè)線圈時(shí)，LED小電珠會(huì)發(fā)光（磁生電），引導(dǎo)學(xué)生解釋并回答：本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的感生型還是動(dòng)生型感應(yīng)電動(dòng)勢？兩線圈靠得更近時(shí)，小電珠為什么會(huì)越亮？最后，師生共同總結(jié)出楞次定律的實(shí)質(zhì)其實(shí)是體現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化與守恒規(guī)律，通過克服感應(yīng)電流在原磁場中所受安培力的作用將其它形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，即為“磁生電”的本質(zhì)。如此設(shè)計(jì)的意圖是溫故而知新，激發(fā)探究欲，引起學(xué)生積極思維，更為重要的是向?qū)W生示范如何從實(shí)際生活問題中提煉出感生型感應(yīng)電動(dòng)勢的物理模型，使模型的建立變得水到渠成。

圖2? 神奇的電磁感應(yīng)線圈

2.“運(yùn)用模型”實(shí)施策略—推理論證，質(zhì)疑創(chuàng)新

進(jìn)階式建模教學(xué)的模型運(yùn)用環(huán)節(jié)，教師要搭建腳手架幫助學(xué)生探索科學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生親自體驗(yàn)舊理論與新理論的認(rèn)知沖突[2]，學(xué)會(huì)使用質(zhì)疑的眼光去反思問題、初步形成批判性思維。求解復(fù)雜物理問題的思維方法，一般是采用“先拆后合”的辦法，即通過創(chuàng)設(shè)層進(jìn)式問題串，引導(dǎo)學(xué)生將一個(gè)復(fù)雜的物理大問題拆分為若干較為簡單的小問題，再引導(dǎo)學(xué)生利用物理知識(shí)、數(shù)學(xué)工具進(jìn)行推理論證、討論交流，探尋各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互制約關(guān)系[4]，并允許學(xué)生在問題探究中出現(xiàn)失敗，同時(shí)，訓(xùn)練中力求一題多解、一題多變。

案例2? 如圖3甲，光滑平行金屬導(dǎo)軌的水平部分處于豎直向下的的勻強(qiáng)磁場B中，兩導(dǎo)軌間距為L，軌道足夠長。金屬棒a和b的質(zhì)量都為m，接入電路的有效電阻Ra=Rb。b棒靜止于軌道水平部分，現(xiàn)將a棒從h高處自靜止沿弧形軌道下滑，通過C點(diǎn)進(jìn)入軌道的水平部分，已知兩棒在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持與導(dǎo)軌垂直，且兩棒始終不相碰。從a棒下滑至C點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，可定性畫出此后兩棒的v-t圖象如圖3乙，圖中v0表示a棒到達(dá)C點(diǎn)時(shí)的速度大小，v表示兩棒的最終速度大小。其教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

圖3? 案例2圖

問題驅(qū)動(dòng)：通過創(chuàng)設(shè)層進(jìn)式問題串，分析為什么兩棒最終會(huì)以共速v做勻速運(yùn)動(dòng)？

問題1我們先從電源正反串這個(gè)角度去分析，起初兩棒速度如何變化？

問題2從電源正反串這個(gè)角度去分析，電路中總電動(dòng)勢E總?cè)绾巫兓?/p>

問題3兩棒的加速度a如何變化？

問題4兩棒達(dá)到穩(wěn)定速度條件？

問題5若從穿過回路的磁通量Φ不變這個(gè)角度，又如何分析？

綜上所述，定性畫出如圖3乙所示的兩棒v-t圖象。類似于等間距雙桿型模型的分析，還可同理分析板塊模型的v-t圖象變化規(guī)律如圖4甲、乙所示。

圖4? 板塊模型

拓展延伸：如圖5甲，設(shè)寬、窄導(dǎo)軌均足夠長。若L1≠L2，兩棒達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，同理可推導(dǎo)出它們速度要滿足va/vb=L2/L1?？僧嫵鰞砂舻膙-t圖象如圖5乙所示。

圖5? 不等間距雙桿型模型

上述案例2采用了問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，以問題1～問題5為引導(dǎo)，分別從電源正反向串聯(lián)和穿過回路的磁通量不變這兩個(gè)角度詮釋為什么兩棒穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)達(dá)到共速這個(gè)思維難點(diǎn)，體現(xiàn)層進(jìn)式問題串在突破解題思維瓶頸束縛中的作用。求解中將“雙桿型”模型與板塊模型相對(duì)運(yùn)動(dòng)作類比，繪制出不同的v-t圖象，體現(xiàn)了對(duì)科學(xué)思維、科學(xué)探究等學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展要求。“拓展延伸”設(shè)計(jì)較新穎，是在原題的基礎(chǔ)上作了變式、遷移和延伸，若軌道寬、窄不同，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)兩棒還是共速嗎？對(duì)該問題進(jìn)一步的深入探究有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，充分體現(xiàn)了對(duì)創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的要求。

3.“深化模型”實(shí)施策略—方法總結(jié)，內(nèi)化提升

許多高中物理問題，包括高中物理教材內(nèi)容，其中蘊(yùn)含有典型的、富有豐富模型化教學(xué)資源的內(nèi)容，常涉及微元法、類比法、動(dòng)態(tài)分析等重要的物理思想方法，具有典型物理抽象元素，教授這些內(nèi)容時(shí)是讓學(xué)生體驗(yàn)物理建模的良好契機(jī)。實(shí)踐表明，學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)得以內(nèi)化提升，物理建模教學(xué)才能得到深化。從教師教學(xué)層面來說，一是揭示規(guī)律性，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生分析不同題型的不同特點(diǎn)，注重教給學(xué)生分析解決問題的方法和思路;二是突出專題性，集問題方法和規(guī)律于一體，集中解決專題中的一些難點(diǎn)問題。從學(xué)生學(xué)習(xí)層面來說，要積極參加兩類活動(dòng)的探索，一是問題解決活動(dòng)：提出問題——形成假設(shè)——驗(yàn)證假設(shè);二是實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)活動(dòng)：融入情境——生成體驗(yàn)——反思體驗(yàn)。本教學(xué)環(huán)節(jié)要重視從不同側(cè)面闡述觀點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生具體分析問題的習(xí)慣，根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用模型規(guī)律而不是死套“方法”，其中特別要注意求解物理問題動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)、能量的觀點(diǎn)、動(dòng)量的觀點(diǎn)等三種方法的互譯互換。

案例3? “桿+導(dǎo)軌”模型是電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的動(dòng)力學(xué)問題高考命題的“基本道具”，主要考查導(dǎo)體桿在磁場中受力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，考查的知識(shí)點(diǎn)多，物理情景變化空間大[5]。教學(xué)中在完成“桿+導(dǎo)軌”的模型建立和模型運(yùn)用后，可引導(dǎo)學(xué)生依托不同類型的典例分析，總結(jié)歸納出電磁感應(yīng)動(dòng)力學(xué)問題求解方法如下：

電磁學(xué)方程：

I感=■，

其中：

E感=BLv或E感=n■=nS■（感生型）nB■（動(dòng)生型）

（常畫出等效電路圖分析）

動(dòng)力學(xué)方程：

F合=ma（平衡狀態(tài)：F合=0），其中：F安=BI感L，有時(shí)還涉及使用功能和動(dòng)量的方法

（常畫出受力分析圖分析，其中I感方向由右手定則或楞次定律判斷;F安方向由左手定則判斷）

上述電磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)兩類方程常聯(lián)立求解。

三、結(jié)語

進(jìn)階式物理建模教學(xué)彰顯了“建立模型→運(yùn)用模型→深化模型”螺旋形的思維發(fā)展。教學(xué)實(shí)踐表明，在建立模型階段，要注意創(chuàng)設(shè)真實(shí)學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到建模研究是對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象概括的創(chuàng)造性工作;在運(yùn)用模型階段，要通過設(shè)置若干層進(jìn)式問題串，促使學(xué)生由淺入深、由表及里地從多維角度進(jìn)行探究，特別是要能突破關(guān)鍵問題的思維瓶頸;在深化模型階段，要幫助學(xué)生從物理本質(zhì)出發(fā)探尋有關(guān)問題的內(nèi)在聯(lián)系，使碎片化知識(shí)走向結(jié)構(gòu)化的知識(shí)，形成科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，最終完成知識(shí)的自主建構(gòu)。比如，建構(gòu)天體“追及”運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，如圖6，先引導(dǎo)學(xué)生觀察改造后的時(shí)鐘，秒針和分針模擬不同軌道半徑的天體追及運(yùn)動(dòng)情況，用實(shí)物幫助建立運(yùn)動(dòng)圖景，總結(jié)模型特點(diǎn)，然后再用flash程序模擬天體追及運(yùn)動(dòng)的完整圖景，使模型刻印在學(xué)生頭腦中。

參考文獻(xiàn)

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