指向物理核心素養的“主線”深度教學實踐研究
——以電磁感應單桿模型微專題復習為例

陸永華

(南京航空航天大學蘇州附屬中學,江蘇 蘇州 215000)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中指出，模型建構是科學思維的核心要素.基于模型的建構與解決實施深度教學，圍繞物理核心素養的培養，以生活情境構建模型驅動學習任務，通過物理模型的深度解構，對相關物理知識進行深度加工，提升對情境物理模型的問題解決能力，通過模型微專題促進深度學習，使物理核心素養的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等要素培育由理論走向教學實踐.

1 教學設計結構思路

教學設計結構思路如圖1所示，圍繞培養學生的物理核心素養為主線，教學過程中設置模型線、情境線、問題線、知識線4線并行，教學實施以模型線為“明線”展開，以“磁力緩降高樓安全逃生裝置”作為任務情境驅動教學，通過簡化抽象構建電磁感應單桿切割模型，然后以模型為基礎設置多維度問題，按照由表及里的順序具體解構模型，將模型涉及的電磁感應綜合物理知識、科學思維等作為“暗線”“溶解”轉化為系列問題助推教學，從問題的角度、梯度、深度、廣度、難度等方面將“問題串珠成線”進一步解構模型，引導學生在模型問題解決過程中逐步將知識和科學思維等內化“結晶”，優化構建模型解決的認知結構，從而提升學生的物理問題解決能力，促進深度學習，培養學生的物理核心素養.

圖1 “主線”深度教學設計結構思路

2 教學設計具體環節設置

教學環節1： 情境建構模型.

任務情境： 磁力緩降高樓安全逃生裝置(圖2).

圖2 情境構建單桿切割模型

設計意圖： 將“磁力緩降高樓安全逃生裝置”真實情境作為教學的驅動任務情境，引導學生簡化抽象為電磁感應單桿切割模型，通過對情境的物理建模促進學生的情境關聯能力和素養達成水平.

教學環節2： 教材回歸模型.

圖3 教材情境、構建單桿切割模型

回歸教材： 人教版高中物理教材《選修3-2》第38頁“思考與討論(圖3)”.

問題鏈如下.

(1) 自由電荷會隨著導體棒運動，并因此受到洛倫茲力.導體中自由電荷的合運動在空間大致沿什么方向？

(2) 導體棒一直運動下去，自由電荷是否也會沿著導體棒一直運動下去？為什么？

(3) 導體棒的哪端電勢比較高?

(4) 如果用導線把C、D兩端連到磁場外的一個用電器上，導體棒中電流是沿什么方向？

設計意圖：由教材出發回歸模型解構是對教材知識的再審視，促使學生深化對物理模型的起點本質認識，為打破涉及電磁感應綜合問題不同知識模塊壁壘進行融合奠定基礎.

教學環節3： 模型的理解與運用.

圖4

模型條件設置： 如圖4所示，間距為L，電阻不計的足夠長平行光滑金屬導軌水平放置，導軌左端用一阻值為R的電阻連接，導軌上橫跨一根質量為m，電阻為r的金屬棒，金屬棒與導軌接觸良好，整個裝置處于豎直向下的勻強磁場B中.

問題： 要使金屬棒向右運動起來，可以采用什么辦法？

學生回答預設： (1) 給初速度； (2) 施加外力； (3) 提供電源.

圖5

教學片段設計意圖： 通過問題引入模型分析，引導學生理解“動—電—動”發電式導軌和“電—動—電”電動式導軌兩種基本單桿切割模型，本節課重點研究“動—電—動”類型.

情況1：電磁感應中的電路問題(條件：給導體棒一個初速度v0,如圖5).

問題鏈如下.

問題1：畫出整個裝置的等效電路圖；

問題2：當運動速度為v0時，求ab兩端的電勢差，并指出哪端電勢高？

問題3：當運動速度為v0時，電阻R的電功率？

問題4：若一段時間后，向右運動距離為x，則該過程中流過電阻R的電荷量？

問題5：定性的畫出通過電阻R的電荷量q隨導體棒運動距離x的變化圖；

問題6：若導體棒在整個運動過程中通過的電荷量為q，求導體棒在導軌上的運動距離x？

教學片段設計意圖：通過對電路問題涉及的與電磁感應結合的電學知識進行整合設置“問題鏈”，并在教學過程中引導學生對電磁感應電路問題求解方法進行自我小結，通過“3步走”思路分析電磁感應中的電路問題.

圖6

情況2：電磁感應中的動力學問題(條件：導體棒在一個恒力F作用下從靜止開始運動，如圖6).

問題鏈如下.

問題1：畫出導體棒ab在運動過程中的平面受力分析圖；

問題2：當運動速度為v時，求安培力表達式；

問題3：分析導體棒的運動情況，并畫出v-t圖像；

問題4：若改變拉力F，則最終速度vm也會相應改變，請畫出vm-F圖像；

問題5：若要使得導體棒做勻加速運動，求F隨時間t的變化關系，并畫出F-t圖像.

教學片段設計意圖：通過對動力學問題涉及的與電磁感應結合的動力學知識進行整合設置“問題鏈”，并在教學過程中引導學生對電磁感應動力學問題求解方法進行自我小結，在分析電學問題基礎上，通過“4步法”思路分析電磁感應中的動力學問題.

情況3：電磁感應中的能量問題.

問題：導體棒在一個恒力F作用下從靜止開始運動(與情況2相同)，若運動一段距離x后，導體棒恰好達到vm，求該過程電阻R上產生的焦耳熱？

問題分層解析.

問題1：能否用Q=I2Rt直接計算？試畫出I-t圖像；

問題2：(1) 列出棒運動過程中的動能定理；(2) 列出棒運動過程中的功能關系方程或能量守恒方程；

問題3：求出的Q與所要求的電阻R上產生的焦耳熱QR什么關系？

教學片段設計意圖：通過“問題鏈”設置，一方面階梯式設問降低焦耳熱求解的難度，另一方面通過階梯式設問體現求解焦耳熱的常見思路方法.

設計意圖：對于整個教學環節3，通過對單桿導軌切割模型層層精心設計問題鏈，逐步推進思維進階，將“問題串珠成線”，逐步解決電磁感應中的電路問題、動力學問題、能量問題，并在3類問題中分別穿插圖像問題分析，將4類問題進行有機融合建構模型的知識網絡結構，豐富完善學生腦中該模型的物理認知結構.

教學環節4：模型的拓展變式(圖7).

圖7 模型的拓展變式

圖8

拓展變式：如圖8所示，兩根足夠長的光滑平行直導軌與水平面成θ=37°角放置，兩導軌間距為L=0.5 m，在導軌間接有阻值為R=0.3 Ω的電阻．一根質量m=0.5 kg的均勻直金屬桿ab放在兩導軌上，并與導軌垂直，金屬桿電阻r=0.2 Ω，整套裝置處于勻強磁場B中，磁場方向垂直于導軌平面向上，導軌和金屬桿接觸良好，其他電阻均不計．(g=10 m/s2)

(1) 若ab棒由靜止釋放，當運動過程中最大速度vm=6 m/s，則磁感應強度B應為多少？

(2) 當ab棒勻速時，ab兩端的電壓Uab為多少？

(3) 若ab棒從釋放到速度達最大速度vm的過程中沿導軌下滑的距離x=4 m，則電阻R上產生的熱量Q為多少？

(4) 上問中流過電阻R的電荷量q為多少？

(5) 若只改變金屬桿質量m的大小，則最大速度vm也會相應改變，vm-m圖線應該怎樣？

(6) 若ab棒從靜止開始向下做勻加速直線運動a=1 m/s2，則當t=6 s時外力F為多少？外力的瞬時功率P為多少？

(7) 若導軌粗糙，如ab棒能靜止在導軌上離最高處h=3 m高處，且磁場B按B=1+0.5t(T)的規律變化，則當t=2 s時，ab棒所受的摩擦力大小和方向如何？

設計意圖： 通過改變現成水平放置、傾斜放置、豎直放置等模型的結構形式，改變研究對象的物理環境，改變提問或題給物理量等對基本模型進行適度拓展.通過斜面放置單桿切割模型進行系列問題設置解決，融合電磁感應電路問題、動力學問題、能量問題和圖像問題，進一步提升對模型的深層次認知.

圖9

教學環節5： 模型的深度解構(圖9).

問題鏈如下.

(1) 洛倫茲力做功嗎？

(2) 能量是怎樣轉化的呢？

典例分析：2017年北京理綜第24題(如圖10所示，具體題目內容略)

圖10

設計意圖：澄清學生腦中的模型疑難點，理清模型中洛倫茲力的認識，通過典型高考真題分析動生電動勢的產生機理，導體棒ab中的自由電荷所受洛倫茲力對運動電荷不做功，洛倫茲力通過兩個分力做功起到“傳遞”能量的作用，進一步促進對模型解構的深層次認知.

教學環節6：模型的總結.

圖11 模型的問題解決方法總結

設計意圖：通過模型問題的“發散”，從“源”、“路”、“力”、“運動”、“能量”等方面將電磁感應與電路問題、動力學問題、能量問題以及圖像問題進行“收斂”融會貫通，引導學生感悟模型解決路徑，從碎片化走向體系化，提升模型問題解決的有序化與組織化程度.

教學環節7：情境模型的問題解決.

學生活動(自編自導)： 根據構建的模型自主設置已知物理量，設置定性或定量求解的不同物理量，自主搭建設置解決問題的路徑.

樣例示范：如圖12所示是依附建筑物架設的磁力緩降高樓安全逃生裝置，具有操作簡單、無需電能、逃生高度不受限制，下降速度可調、可控等優點.

該裝置原理可等效為：間距L=0.5 m的兩根豎直導軌上部連通，人和磁鐵固定在一起沿導軌共同下滑，磁鐵產生磁感應強度B=0.2T的勻強磁場.人和磁鐵所經位置處，可等效為有一固定導體棒ab與導軌相連，整個裝置總電阻始終為R，如圖13所示.

在某次逃生試驗中，質量M1=80 kg的測試者利用該裝置以v1=1.5 m/s的速度勻速下降，已知與人一起下滑部分裝置的質量m=20 kg，重力加速度取g=10 m/s2，且本次試驗過程中恰好沒有摩擦.

圖12

圖13

(1) 判斷導體棒ab中電流的方向；

(2) 總電阻R多大？

(3) 如要使一個質量M2=100 kg的測試者利用該裝置以v1=1.5 m/s的速度勻速下滑，其摩擦力f多大？

(4)保持第(3)問中的摩擦力不變，讓質量M2=100 kg測試者從靜止開始下滑，測試者的加速度將會如何變化？當其速度為v2=0.78 m/s時，加速度a多大？要想在隨后一小段時間內保持加速度不變，則必需調控摩擦力，請寫出摩擦力大小隨速率變化的表達式.

設計意圖：通過學生對模型處理的“自編自導”，在模型設置已知量和未知量過程中不斷促進學生對模型理解的深加工水平.通過2019年上海浦東二模考試題進行樣例示范，豐富學生頭腦中的模型相關問題圖式，完善學生對模型解決思想和方法的認知樣例，提高物理模型的問題表征能力.

3 指向物理核心素養的“主線”深度教學實踐的意義

3.1 通過“主線”深度教學提升學生的科學思維發展水平

物理核心素養中“科學思維”部分關于物理模型建構與運用的水平層次劃分如表1所示.

表1 物理模型的水平劃分與具體內容

依據《普通高中物理課程標準(2017年版)》，水平2是高中學業水平合格性考試的命題依據；水平4是高校招生錄取的學業水平等級性考試的命題依據.水平1到水平5從能否應用常見模型、能否選用恰當模型解決簡單的問題、能否將實際問題轉化為物理模型等逐次遞進，其中水平1、2、3僅涉及模型的識別與選用，未涉及建構模型，水平4、5涉及建構模型的差異在于實際問題的復雜程度.本節教學設計“以生活問題情境為起點，構建模型——從‘模型識別’走向‘模型建構’；以科學思維發展為中心，解構模型——從‘知識重現’走向‘知識重演’；以實際應用解決為落點，拓展模型——從‘模型習得’走向‘問題解決’”.通過情境建構模型、教材回歸模型、模型的理解與運用、模型的拓展變式、模型的深度解構、模型的總結、情境模型的問題解決等環節，引導學生掌握模型解決的方法和策略，搭建從單一結構水平到多元、關聯的結構水平的可攀登的思維臺階，實現模型內化并解決問題，拓展訓練科學思維的實踐途徑.

3.2 通過“主線”深度教學優化學生的物理認知結構

學生頭腦中的物理認知結構主要包括物理知識儲備量、物理知識的組織程度和物理知識在頭腦中的表征方式等方面.認知加工水平與相關的知識儲備量有著密切關系.有序的物理知識的組織程度能有效激活問題解決過程中的物理知識，促進物理概念和規律的理解與內化，優化物理認知結構.本節教學內容涉及較多的物理概念與規律，包括電磁感應的電學問題、動力學問題、能量問題以及圖像問題，屬于綜合性程度較高的復合模塊.從知識論的角度構建優化物理認知結構，有效促進深度學習，必須考慮知識學習的充分廣度、深度和關聯度.因此，本節教學設計通過單桿切割模型為“明線”，通過對構建物理模型的問題情境化呈現，從模型問題解決過程中整合碎片化的物理概念與規律，通過設置問題鏈等教學主線，在問題解決的過程中逐層深化知識，拓展知識的廣度，促進知識內化的深度，融合提升知識的關聯度，促進物理教學從知識本位走向物理認知結構的優化完善，促進物理觀念的內化，促進對物理模型的深度學習，發展學生的物理核心素養和學科關鍵能力.

3.3 通過“主線”深度教學發展學生的物理問題解決能力

目前常見教學現狀是知識學習優先于問題解決，將問題解決過程看作是已有知識的應用過程，并無形中突出陳述性知識優先于程序性知識的學習，由此將部分物理知識變成了“惰性知識”.《普通高中物理課程標準(2017版)》注重“通過問題解決促進物理學科核心素養的達成”，指出“要從培養物理學科核心素養的視角審視教學的目的，應通過習題教學，使學生在科學思維、探究能力、實踐意識、科學態度等方面得到有效提升.習題教學的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學生的問題解決能力.”因此，在教學實踐中，應引導學生在真實生產生活中體驗問題的復雜性和豐富性，構建從情境中學習知識的認知路徑，而將實際情境問題轉換為物理模型是問題解決的基礎.在本節教學設計的最后“情境模型的問題解決”環節中，通過學生的“自編自導”創設基于設計學習的教學活動，有利于學生將模型模塊知識進行融合反思.通過設置已知量和未知量的合理性與有效性，不斷迭代修改，在如此反復的過程中最終解決問題，并結合樣例教學示范印證，促進深度學習.從本節教學目的的有效達成和學生的反饋情況看，將情境線、模型線、知識線、問題線等“明線”與“暗線”相結合的“主線”深度教學，有利于培養學生在真實情境中的問題解決能力，“在問題解決中進一步提高探究能力、增強實踐意識、養成科學態度，促進物理學科核心素養的形成.”