核心素養(yǎng)視角下物理模型建構(gòu)教學(xué)的思考

楊 柳

(廣東省深圳市西鄉(xiāng)中學(xué) 518102)

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是什么？1.形成物理基本觀念.2.掌握科學(xué)探究的方法.3.形成良好的科學(xué)思維.4.培養(yǎng)正確科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.

物理教學(xué)中的概念，規(guī)律，公式等，都是借助于一定的物理模型抽象和推導(dǎo)出來的，模型是物理現(xiàn)象和物理規(guī)律的中介物.因此，物理教學(xué)的核心問題就突出表現(xiàn)在由具體到抽象的“建模過程”和由抽象到具體的“物理模型運(yùn)用”——即利用物理模型規(guī)律去分析和解決具體的實(shí)際問題.模型方法是科學(xué)方法的核心.

一、抓住物理模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理聯(lián)想，活躍思路，化繁為簡(jiǎn)

圖1

例1 空間存在兩個(gè)等量的負(fù)電荷和一個(gè)正電荷附近的電場(chǎng)線分布如圖，c位于兩負(fù)電荷連線的中點(diǎn)，d點(diǎn)在正電荷的正上方，c、d到正電荷的距離相等，則( ).

A．a(chǎn)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度比b點(diǎn)的大

B．a(chǎn)點(diǎn)的電勢(shì)比b點(diǎn)的高

C．c點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度比d點(diǎn)的大

D．c點(diǎn)的電勢(shì)比d點(diǎn)的低

例2 如圖2，空間中固定有四個(gè)等量的點(diǎn)電荷，它們分別位于正四面體的四個(gè)頂點(diǎn)處，A點(diǎn)為棱的中點(diǎn)，B點(diǎn)位于右側(cè)面的中心，C點(diǎn)位于底面的中心，D點(diǎn)到四個(gè)頂點(diǎn)的距離均相等.關(guān)于A、B、C、D四點(diǎn)的電勢(shì)高低，下列判斷正確的是( ).

圖2

A．φA=φB

B．φA=φD

C．φB>φC

D．φC>φD

例3 已知通過直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式為B=kI/r,I為通電導(dǎo)線的電流大小,r為距通電導(dǎo)線的垂直距離,k為常量,空間中有三根通電長(zhǎng)直導(dǎo)線P、Q、R，彼此平行且位于正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處,導(dǎo)線中通過的電流大小相等、方向如圖3所示.則通電導(dǎo)線R受到的磁場(chǎng)力的方向是( ).

圖3

A.垂直R,指向y軸負(fù)方向

B.垂直R,指向y軸正方向

C.垂直R,指向x軸負(fù)方向

D.垂直R,指向x軸正方向

化繁為簡(jiǎn)，將復(fù)雜的物理情境和過程，變?yōu)楹?jiǎn)單的，易于處理的物理情境和過程，是物理研究的一種重要的方法與手段.

二、挖掘物理模型中隱含的相關(guān)知識(shí)，把握特征，強(qiáng)化應(yīng)變能力

2014年四川高考理綜第九題：

石墨烯是近些年發(fā)現(xiàn)的一種新材料，其超高強(qiáng)度及超強(qiáng)導(dǎo)電、導(dǎo)熱等非凡的物理化學(xué)性質(zhì)有望使21世紀(jì)的世界發(fā)生革命性的變化，其發(fā)現(xiàn)者由此獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).用石墨烯制作超級(jí)纜繩，人類搭建“太空電梯”的夢(mèng)想有望在本世紀(jì)實(shí)現(xiàn).科學(xué)家們?cè)O(shè)想，通過地球同步軌道站向地面垂下一條纜繩至赤道基站，電梯倉(cāng)沿著這條纜繩運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)外太空和地球之間便捷的物資交換.

(1) 若”太空電梯”將貨物從赤道基站運(yùn)到距地面高度為h1的同步軌道站，求軌道站內(nèi)質(zhì)量為m1的貨物相對(duì)地心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能.設(shè)地球自轉(zhuǎn)角速度為ω，地球半徑為R.

(2)當(dāng)電梯倉(cāng)停在距地面高度h2=4R的站點(diǎn)時(shí)，求倉(cāng)內(nèi)質(zhì)量m2=50 kg的人對(duì)水平地板的壓力大小.取地面附近重力加速度g=10 m/s2，地球自轉(zhuǎn)角速度ω=7.3×10-5rad/s，地球半徑R=6.4×103km.

物理教學(xué)的本質(zhì)到底是什么？我們究竟應(yīng)該教給學(xué)生什么？

在講解例題之前，教師可以提出一個(gè)質(zhì)疑：第二問，倉(cāng)內(nèi)的人對(duì)水平地板有壓力嗎？太空中的物體不是處于完全失重狀態(tài)嗎？

針對(duì)這個(gè)質(zhì)疑，學(xué)生展開相互討論：雖然是太空電梯倉(cāng)，但是電梯是與赤道連接，并不是繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星.也就是電梯倉(cāng)里的物體，必須提供隨地球自轉(zhuǎn)所需要的向心力，即物體受到的地球引力減去電梯地板的支持力，等于電梯倉(cāng)隨地球自轉(zhuǎn)的向心力.

挖掘人造地球衛(wèi)星模型與赤道上物體運(yùn)動(dòng)的條件不同：衛(wèi)星與地球之間的萬有引力全部用來提供，衛(wèi)星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需要的向心力；而赤道上隨地球一起自轉(zhuǎn)的物體則是，引力減去支持力來提供自轉(zhuǎn)所需的向心力.

三、緊扣物理模型的物理本質(zhì)，抓住關(guān)鍵，活化知識(shí)結(jié)構(gòu)

圖4

例4 如圖4,一帶弧面的光滑的滑槽,質(zhì)量為M,靜止在光滑的水平地面上.現(xiàn)一質(zhì)點(diǎn)物體質(zhì)量為m,以水平速V0從右端飛上滑槽,設(shè)弧面部分高度足夠長(zhǎng),質(zhì)點(diǎn)物體向左飛不出滑槽,當(dāng)物體再次離開滑槽時(shí)( ).

A.做自由落體運(yùn)動(dòng) B.向左做平拋運(yùn)動(dòng)

C向右做平拋運(yùn)動(dòng) D.以上情況都有可能

圖5

例5 如圖5，光滑水平導(dǎo)軌上靜止質(zhì)量為M的小車，通過一輕繩下懸一質(zhì)量為m的物體，當(dāng)m獲得一水平初速度向上擺起不斷進(jìn)行的過程中，某時(shí)擺到最低點(diǎn)時(shí)，懸繩突然脫落，物體將做( ).

A.做自由落體運(yùn)動(dòng) B.向左做平拋運(yùn)動(dòng)

C.向右做平拋運(yùn)動(dòng) D.以上情況都有可能

以上兩個(gè)問題，基本物理模型是什么？彈性碰撞的模型.而彈性碰撞模型的本質(zhì)是什么？是碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量守恒，系統(tǒng)機(jī)械能也守恒.

應(yīng)用到兩個(gè)問題中，系統(tǒng)相互作用的全過程，系統(tǒng)水平方向動(dòng)量守恒，總機(jī)械能守恒.

四、建構(gòu)合理的知識(shí)體系，巧用類比，觸發(fā)聯(lián)想

在高中物理教學(xué)過程中，提高學(xué)生的建模能力，彰顯科學(xué)方法的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，就需要引導(dǎo)學(xué)生，不是被動(dòng)接受知識(shí)所構(gòu)建的知識(shí)體系，而是在關(guān)聯(lián)與對(duì)比學(xué)習(xí)后對(duì)知識(shí)進(jìn)行更為深入的探索研究，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行匯總與歸納，構(gòu)建出自己的知識(shí)體系.

創(chuàng)設(shè)滑塊與長(zhǎng)木板模型的簡(jiǎn)單試題結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)模型已知求例1光滑地面上靜止放長(zhǎng)木板A,質(zhì)量為M=2kg,滑塊B可視為質(zhì)點(diǎn),質(zhì)量為m=1kg,以初速度v0=6m/s滑上A的左端;A、B間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2,B不從A掉下.(1)A、B共同速度v;(2)A的最小長(zhǎng)度L;(3)A的位移s.學(xué)生甲光滑地面上,質(zhì)量為M=2 kg長(zhǎng)木板A,以初速度v0=6 m/s向右滑動(dòng),滑塊B可視為質(zhì)點(diǎn),質(zhì)量為m=1 kg,輕放長(zhǎng)木板A右端;A、B間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2,B不從A掉下(1)A、B共同速度v;(2)A的最小長(zhǎng)度L;(3)B的位移s.學(xué)生乙光滑地面上,質(zhì)量為M=2 kg長(zhǎng)木板A,以初速度v0=6 m/s向右滑動(dòng),滑塊B可視為質(zhì)點(diǎn),質(zhì)量為m=1 kg,從長(zhǎng)木板A右端也以v0=6 m/s向左滑動(dòng);A、B間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2,B不從A掉下.(1)A、B共同速度v;(2)A的最小長(zhǎng)度L;(3)B向右滑動(dòng)的最大位移s.學(xué)生丙質(zhì)量為M=2 kg長(zhǎng)木板A,放置粗糙地面上,它們間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ1=0.1;滑塊B可視為質(zhì)點(diǎn),質(zhì)量為m=1 kg,以初速度v0=6 m/s滑上A的左端;A、B間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ2=0.5,B不從A掉下.(1)A、B共同速度v;(2)A的最小長(zhǎng)度L;(3)A向右滑動(dòng)的最大位移s.

教師只有將人類社會(huì)積累的知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的個(gè)體知識(shí)和觀念，將前人從事智力活動(dòng)的思想、方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力和思維方式—實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的轉(zhuǎn)化，將蘊(yùn)含在知識(shí)載體中的觀念、態(tài)度轉(zhuǎn)化為學(xué)生的行為準(zhǔn)則.這才是物理模型教學(xué)的真正價(jià)值.