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      核心素養(yǎng)理念下的高中物理模型教學(xué)方法的理論與實(shí)踐研究

      2024-12-06 00:00:00劉向
      少男少女·教育管理 2024年11期

      摘 要:文章旨在深入探討高中物理核心素養(yǎng)的理論架構(gòu),細(xì)致剖析物理模型教學(xué)的基礎(chǔ)理論,并通過(guò)實(shí)證研究探索高中物理模型教學(xué)的有效策略。文章首先闡釋了核心素養(yǎng)理念的內(nèi)涵,隨后明確了物理模型教學(xué)的定義,最后深入分析物理模型教學(xué)案例,進(jìn)一步探討了模型應(yīng)用的教學(xué)策略。

      關(guān)鍵詞:高中物理;核心素養(yǎng);物理模型教學(xué);理論與實(shí)踐融合

      一、高中物理核心素養(yǎng)概述

      學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要涵蓋“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”以及“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”這四個(gè)維度。這四個(gè)維度雖各有側(cè)重,但彼此間存在內(nèi)在聯(lián)系。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)深入挖掘教材內(nèi)容,充分利用教學(xué)資源,以實(shí)現(xiàn)物理學(xué)核心素養(yǎng)的有效落實(shí)。

      二、物理模型教學(xué)法的理論研究

      (一)物理模型教學(xué)法的理論基礎(chǔ)

      物理模型教學(xué)法基于構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論,旨在探究物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用。構(gòu)建主義理論主張以學(xué)生為中心,強(qiáng)調(diào)學(xué)生在知識(shí)獲取過(guò)程中的主動(dòng)探索、發(fā)現(xiàn)以及對(duì)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。該理論區(qū)分了以學(xué)生為中心的“學(xué)”和以教師為中心的“教”。在模型構(gòu)建過(guò)程中,學(xué)生積極參與知識(shí)的構(gòu)建,這一過(guò)程充分體現(xiàn)了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。因此,物理模型教學(xué)法特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生的“學(xué)”。

      認(rèn)知學(xué)習(xí)理論致力于通過(guò)探究人類(lèi)的認(rèn)知過(guò)程,揭示學(xué)習(xí)活動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律。該理論框架下,學(xué)生在獲取新信息后,通過(guò)加工、知識(shí)轉(zhuǎn)化、建模及輸出等環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化與應(yīng)用。在此過(guò)程中,教師扮演著至關(guān)重要的引導(dǎo)角色,旨在激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)思考,促進(jìn)其科學(xué)思維能力的發(fā)展,并優(yōu)化其認(rèn)知結(jié)構(gòu)?;诖死碚摚锢砟P徒虒W(xué)法體現(xiàn)為一種在教師引導(dǎo)和啟發(fā)下的探索性學(xué)習(xí)過(guò)程。

      (二)物理模型教學(xué)法的內(nèi)涵

      物理模型的構(gòu)建旨在針對(duì)特定的物理問(wèn)題,通過(guò)抽象化和簡(jiǎn)化研究對(duì)象的特定屬性,以深入探究事物的本質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律。該方法是物理學(xué)家研究自然界現(xiàn)象的基礎(chǔ)手段。在高中物理教育實(shí)踐中,采用物理模型教學(xué)法,引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建精確且適宜的物理模型,不僅能夠增進(jìn)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解,而且有助于提升其思維能力,滿足素質(zhì)教育對(duì)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的需求。

      物理模型建構(gòu)過(guò)程如圖1所示:

      如圖1所示,物理模型教學(xué)法的核心在于將物理問(wèn)題抽象化為模型,通過(guò)構(gòu)建物理模型的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。該模型構(gòu)建過(guò)程與學(xué)生掌握科學(xué)知識(shí)的認(rèn)知邏輯相契合。

      (三)物理模型教學(xué)法與物理核心素養(yǎng)的關(guān)系

      在物理模型構(gòu)建的過(guò)程中,貫徹新課程理念,將物理學(xué)科的核心素養(yǎng)——包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”以及“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”——貫穿始終?;谛抡n程改革的理念,遵循新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求,物理模型教學(xué)法作為一種創(chuàng)新的教育實(shí)踐方法,為物理教學(xué)提供了新的探索路徑,并為物理學(xué)科教學(xué)研究注入了新的活力,有效地促進(jìn)了學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

      物理模型的建構(gòu)過(guò)程與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)系如圖2所示。

      由圖中可以看出物理學(xué)科核心素養(yǎng)伴隨著物理建模的全過(guò)程,物理模型教學(xué)是落實(shí)核心素養(yǎng)的有效途徑。

      三、高中物理模型教學(xué)法的教學(xué)實(shí)踐

      在人教版高中物理選擇性必修第三冊(cè)的“恒定電流”章節(jié)中,電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)占據(jù)核心地位,是教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)難點(diǎn)內(nèi)容,并且是高考的常規(guī)考查點(diǎn)。以滑動(dòng)變阻器的教學(xué)為例,初中階段僅對(duì)其進(jìn)行了基礎(chǔ)性的闡述,學(xué)生對(duì)于滑動(dòng)變阻器的工作原理缺乏深入理解。進(jìn)入高中階段,學(xué)生在應(yīng)用滑動(dòng)變阻器時(shí)需掌握限流式接法與分壓式接法的區(qū)別。本研究嘗試通過(guò)以下五個(gè)遞進(jìn)式問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型,并運(yùn)用該模型解決實(shí)際問(wèn)題。

      問(wèn)題一:如圖3所示,對(duì)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行拆解,以探究其電阻變化機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),滑動(dòng)變阻器由一段較長(zhǎng)的電阻絲構(gòu)成,其工作原理基于電壓與電阻絲長(zhǎng)度的正比關(guān)系,這一現(xiàn)象是歐姆定律及電阻定律在部分電路中的具體體現(xiàn)?;瑒?dòng)變阻器的電阻絲雖然長(zhǎng)度較大并纏繞成特定結(jié)構(gòu),但其基本原理與直線型變阻器相同,如圖4所示。

      問(wèn)題二:滑動(dòng)變阻器是如何實(shí)現(xiàn)限流功能的?依據(jù)部分電阻定律,通過(guò)調(diào)整電阻絲在電路中的接入長(zhǎng)度,可以改變其接入電路的電阻值。進(jìn)而,依據(jù)部分電路的歐姆定律,可以調(diào)節(jié)電路中的電流大小。具體操作方法可參照?qǐng)D5所示的接線方式。

      問(wèn)題三:如何理解滑動(dòng)變阻器的分壓式接法呢?

      如圖6所示的原理圖中,當(dāng)AB兩端接入電源并有電流通過(guò)時(shí),CP兩端的電壓如何計(jì)算?顯然,AB兩端的電壓與CP兩端的電壓均與這兩段電路導(dǎo)線的長(zhǎng)度呈正比關(guān)系。該現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)在于串聯(lián)電路的分壓規(guī)律,即分壓電路的工作原理。

      問(wèn)題四:在實(shí)際應(yīng)用中,變壓器的分壓式接線方法應(yīng)如何實(shí)施?

      首先,需明確四個(gè)接線柱的功能,通過(guò)分析其原理圖,結(jié)合實(shí)際電路圖進(jìn)行闡述。具體而言,將電源連接于A與B兩個(gè)接線柱之間,而將負(fù)載接入A與P或B與P之間的接線柱,即可形成分壓電路。具體的接線方式可參照?qǐng)D7所示。

      問(wèn)題五:以分壓式接法為例,探討控制電路的分壓式接法在測(cè)量小電阻與大電阻方面的適用性。

      通過(guò)以下方法進(jìn)行闡釋?zhuān)航Y(jié)合串并聯(lián)電路的特點(diǎn),按照一定的規(guī)律,利用Excel表格進(jìn)行數(shù)據(jù)精確計(jì)算(在教學(xué)實(shí)踐中依據(jù)探究原理也可以估算數(shù)據(jù)),本文將采用精確數(shù)據(jù)來(lái)闡明問(wèn)題。

      在本研究中,采用兩種不同阻值的滑動(dòng)變阻器,其標(biāo)稱(chēng)總阻值分別為R0=1000Ω和R0=10Ω,以及一個(gè)恒定電壓電源U=10V。同時(shí),采用兩種不同阻值的負(fù)載電阻,分別為Rx=1000Ω和Rx=10Ω。本研究旨在探討在使用分壓式接法測(cè)量負(fù)載電阻時(shí),哪種接法在技術(shù)上更為適宜。

      探究一,分壓式接法測(cè)量負(fù)載電阻Rx=10Ω,滑動(dòng)變阻器總阻值R0=1000Ω為例,電路圖如圖8所示,測(cè)量電路采用電流表外接法,控制電路為分壓式接法。

      計(jì)算原理圖如圖8,滑動(dòng)變阻器的總電阻分為R1和R2兩部分阻值。滿足關(guān)系式:R0=R1+R2,被測(cè)量的負(fù)載電阻Rx與滑動(dòng)變阻器的R1部分并聯(lián),并聯(lián)阻值R并=[R1RxR1+Rx],電路中的總阻值為R總,由電路圖可知R總=R2+R并,測(cè)量電路部分的電壓為Ux,Ux=[R并R總]U。

      如表1所示,在上述公式中輸入相應(yīng)的電阻數(shù)值,計(jì)算出精確數(shù)據(jù)填入表格。當(dāng)移動(dòng)滑片P,改變滑動(dòng)變阻器的阻值時(shí),注意到被測(cè)量電路的電壓數(shù)值很小,電壓變化非常不明顯。

      結(jié)論:分壓式接法不適合用阻值大的滑動(dòng)變阻器測(cè)量阻值小的被測(cè)電阻。

      探究二,滑動(dòng)變阻器分壓式接法測(cè)量負(fù)載電阻Rx=1000Ω,滑動(dòng)變阻器總阻值R0=10Ω為例,電路如圖9,計(jì)算原理同上。按照上述公式輸入電阻數(shù)值,計(jì)算出精確數(shù)據(jù)填入表格,結(jié)果如表2所示。

      表中數(shù)據(jù)揭示,在滑動(dòng)變阻器阻值R隨滑片P的移動(dòng)而改變的過(guò)程中,觀察到被測(cè)電路的電壓Ux與電源電壓U之比值趨近于電阻R1與R0的比值,且電壓變化趨于線性變化,呈現(xiàn)顯著性。

      結(jié)論:分壓式接法適合用阻值小的滑動(dòng)變阻器測(cè)量阻值大的被測(cè)電阻。

      滑動(dòng)變阻器的使用是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一,滑動(dòng)變阻器的建模分析過(guò)程綜合了恒定電流理論、電阻定律、部分電路歐姆定律以及對(duì)串聯(lián)電路和并聯(lián)電路這兩種基礎(chǔ)電路模型的理解與應(yīng)用。用串聯(lián)電路中的分壓原理針對(duì)分壓式接法的適用條件進(jìn)行深入探究,突破了教學(xué)難點(diǎn),取得了很好的教學(xué)效果。

      四、結(jié)語(yǔ)

      現(xiàn)行的課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。依據(jù)新課程理念的指導(dǎo),探索實(shí)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)的具體路徑、策略以及有效的教學(xué)媒介,成為教育工作者必須深思熟慮并付諸實(shí)踐的課題。物理模型的構(gòu)建,為學(xué)生提供了連接物理知識(shí)的橋梁。物理模型作為物理知識(shí)與思維方法的媒介,在知識(shí)傳遞過(guò)程中被賦予了更深層次的意義,有助于建立科學(xué)的思維模式,并在理解與應(yīng)用物理模型解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題方面發(fā)揮作用。因此,“物理模型教學(xué)法”在物理教學(xué)中具有一定的指導(dǎo)價(jià)值,并被視為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效手段。

      參考文獻(xiàn):

      [1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)[M].北京:人民教育出版社,2020.

      [2]周后升.高中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展研究及教學(xué)實(shí)踐[M].廣州:廣東高等教育出版社,2019.

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