基于社团协作的地理天文学基础教学
时间：2020-12-16 10:03:16 来源：达达文档网 本文已影响 人 
范泰洋 周桓
摘 要
新高考背景下需要通过物理建模教学提升学生的学科核心素养。文章围绕教育部《普通高中物理课程标准（2017年版）》中的目标培养体系，结合若干高中物理模型问题的教学设计，对进阶式物理建模教学中的建立模型、运用模型、升华模型等三个螺旋形提升环节的设计与实施情况作些探讨。
关键词
进阶式 物理模型 问题驱动 科学思维
在新高考综合改革的背景下，如何提升建模教学的实效性，如何通过建模教学促进学生学科核心素养的发展，是值得广大教师深入思考的问题。
一、进阶式物理建模教学的结构流程
为了将“接受—理解—巩固—解题”教学模式转变为“参与—体验—内化—外延”的新型教学模式[1]，进阶式物理建模教学，首先要基于经验事实，从物理学视角通过抽象概括建构起某种物理模型;其次要通过分析综合、推理论证等科学思维方法，内化客观事物的本质属性、内在规律及相互关系;最后还要鼓励基于事实证据对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性的见解[2]。可见进阶式建模教学包含有模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等递进式内涵要素[3]，其教学结构流程设计如图1所示。
二、进阶式物理建模教学的实施
1.教学环节一：“建立模型”实施策略—抽象概括，模型建构
（1）常见物理模型的分类
常见物理模型有如下几种类型：理想化模型、科学假说模型和科学理论模型。
（2）建立模型的主要方法
①抽象法。即根据从具体事物中抽取出的某一方面特征或属性来构建物理模型。抽象法建模主要应用于确定的研究对象;研究范围等。例如，某类物体在外力作用时其形状发生改变，而一旦外力撤去此类物体形状又将恢复原状，因此便可以根据其具有的共同特性来建立弹簧模型[2]。
②理想法。即在建模过程中将所研究的物理对象进行理想化处理。理想化建模主要应用于：理想化物理形态;理想化物理环境;理想化物理过程。例如，理想刚性是将物理形态进行理想化，绝热、光滑是将其所处环境进行理想化，而等压过程是将运动变化进行理想化。
③归纳法。即在大量物理实验以及所得数据基础上对实验结论进行归纳，然后依据归纳出的实验结论演绎出新的物理规律。例如，通过牛顿三大定律可延伸出许多其他力学规律[2]。
对于比较复杂和隐蔽的物理问题，还可采用类比法、等效替代法等方法来建立物理模型。
案例1 在講授电磁感应现象的实际应用时，首先带领学生回顾楞次定律和法拉第电磁感应定律，明确感应电流的判断方法以及感应电动势的大小计算;然后演示电磁感应小实验：如图2，当通电线圈（其中连接一振荡器可使线圈中形成变化电流）靠近接有LED小电珠的另一个线圈时，LED小电珠会发光（磁生电），引导学生解释并回答：本实验中产生的感生型还是动生型感应电动势？两线圈靠得更近时，小电珠为什么会越亮？最后，师生共同总结出楞次定律的实质其实是体现了能量的转化与守恒规律，通过克服感应电流在原磁场中所受安培力的作用将其它形式的能量转化为电能，即为“磁生电”的本质。如此设计的意图是温故而知新，激发探究欲，引起学生积极思维，更为重要的是向学生示范如何从实际生活问题中提炼出感生型感应电动势的物理模型，使模型的建立变得水到渠成。
图2 神奇的电磁感应线圈
2.“运用模型”实施策略—推理论证，质疑创新
进阶式建模教学的模型运用环节，教师要搭建脚手架帮助学生探索科学知识，让学生亲自体验旧理论与新理论的认知冲突[2]，学会使用质疑的眼光去反思问题、初步形成批判性思维。求解复杂物理问题的思维方法，一般是采用“先拆后合”的办法，即通过创设层进式问题串，引导学生将一个复杂的物理大问题拆分为若干较为简单的小问题，再引导学生利用物理知识、数学工具进行推理论证、讨论交流，探寻各物理量之间的内在联系和相互制约关系[4]，并允许学生在问题探究中出现失败，同时，训练中力求一题多解、一题多变。
案例2 如图3甲，光滑平行金属导轨的水平部分处于竖直向下的的匀强磁场B中，两导轨间距为L，轨道足够长。金属棒a和b的质量都为m，接入电路的有效电阻Ra=Rb。b棒静止于轨道水平部分，现将a棒从h高处自静止沿弧形轨道下滑，通过C点进入轨道的水平部分，已知两棒在运动过程中始终保持与导轨垂直，且两棒始终不相碰。从a棒下滑至C点开始计时，可定性画出此后两棒的v-t图象如图3乙，图中v0表示a棒到达C点时的速度大小，v表示两棒的最终速度大小。其教学设计如下：
图3 案例2图
问题驱动：通过创设层进式问题串，分析为什么两棒最终会以共速v做匀速运动？
问题1我们先从电源正反串这个角度去分析，起初两棒速度如何变化？
问题2从电源正反串这个角度去分析，电路中总电动势E总如何变化？
问题3两棒的加速度a如何变化？
问题4两棒达到稳定速度条件？
问题5若从穿过回路的磁通量Φ不变这个角度，又如何分析？
综上所述，定性画出如图3乙所示的两棒v-t图象。类似于等间距双杆型模型的分析，还可同理分析板块模型的v-t图象变化规律如图4甲、乙所示。
图4 板块模型
拓展延伸：如图5甲，设宽、窄导轨均足够长。若L1≠L2，两棒达到稳定运动状态时，同理可推导出它们速度要满足va/vb=L2/L1。可画出两棒的v-t图象如图5乙所示。
图5 不等间距双杆型模型
上述案例2采用了问题驱动式教学，以问题1～问题5为引导，分别从电源正反向串联和穿过回路的磁通量不变这两个角度诠释为什么两棒稳定运动时会达到共速这个思维难点，体现层进式问题串在突破解题思维瓶颈束缚中的作用。求解中将“双杆型”模型与板块模型相对运动作类比，绘制出不同的v-t图象，体现了对科学思维、科学探究等学科素养的发展要求。“拓展延伸”设计较新颖，是在原题的基础上作了变式、迁移和延伸，若轨道宽、窄不同，达到稳定运动状态时两棒还是共速吗？对该问题进一步的深入探究有利于激发学生的学习兴趣，培养实事求是的科学态度，充分体现了对创新思维能力培养的要求。
3.“深化模型”实施策略—方法总结，内化提升
许多高中物理问题，包括高中物理教材内容，其中蕴含有典型的、富有丰富模型化教学资源的内容，常涉及微元法、类比法、动态分析等重要的物理思想方法，具有典型物理抽象元素，教授这些内容时是让学生体验物理建模的良好契机。实践表明，学生学科素养得以内化提升，物理建模教学才能得到深化。从教师教学层面来说，一是揭示规律性，有意识地引导学生分析不同题型的不同特点，注重教给学生分析解决问题的方法和思路;二是突出专题性，集问题方法和规律于一体，集中解决专题中的一些难点问题。从学生学习层面来说，要积极参加两类活动的探索，一是问题解决活动：提出问题——形成假设——验证假设;二是实验体验活动：融入情境——生成体验——反思体验。本教学环节要重视从不同侧面阐述观点，培养学生具体分析问题的习惯，根据实际情况灵活运用模型规律而不是死套“方法”，其中特别要注意求解物理问题动力学的观点、能量的观点、动量的观点等三种方法的互译互换。
案例3 “杆+导轨”模型是电磁感应现象中的动力学问题高考命题的“基本道具”，主要考查导体杆在磁场中受力与运动的关系，考查的知识点多，物理情景变化空间大[5]。教学中在完成“杆+导轨”的模型建立和模型运用后，可引导学生依托不同类型的典例分析，总结归纳出电磁感应动力学问题求解方法如下：
电磁学方程：
I感=■，
其中：
E感=BLv或E感=n■=nS■（感生型）nB■（動生型）
（常画出等效电路图分析）
动力学方程：
F合=ma（平衡状态：F合=0），其中：F安=BI感L，有时还涉及使用功能和动量的方法
（常画出受力分析图分析，其中I感方向由右手定则或楞次定律判断;F安方向由左手定则判断）
上述电磁学、动力学两类方程常联立求解。
三、结语
进阶式物理建模教学彰显了“建立模型→运用模型→深化模型”螺旋形的思维发展。教学实践表明，在建立模型阶段，要注意创设真实学习情境，使学生充分认识到建模研究是对自然现象进行抽象概括的创造性工作;在运用模型阶段，要通过设置若干层进式问题串，促使学生由浅入深、由表及里地从多维角度进行探究，特别是要能突破关键问题的思维瓶颈;在深化模型阶段，要帮助学生从物理本质出发探寻有关问题的内在联系，使碎片化知识走向结构化的知识，形成科学的认知结构，最终完成知识的自主建构。比如，建构天体“追及”运动模型时，如图6，先引导学生观察改造后的时钟，秒针和分针模拟不同轨道半径的天体追及运动情况，用实物帮助建立运动图景，总结模型特点，然后再用flash程序模拟天体追及运动的完整图景，使模型刻印在学生头脑中。
参考文献
[1] 罗翀.中学物理教育中课题探究教学的实践与思考[J].福建基础教育研究，2015（05）.
[2] 廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.
[3] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
[4] 魏有莲.数学课堂中情感霸权现象及其破除[J].教学与管理，2016（08）.
[5] 王芳.创新设计·复习用书·物理[M].第1版.西安：陕西新华出版传媒集团，陕西人民出版社，2014.
【责任编辑 孙晓雯】
