基于科學思維拓展的高中物理模型教學實踐與思考

齊妙

傳統的高中物理習題課，在“典型例題+變式訓練”的教學模式下，教師引導學生利用習題的數量來填充課堂，讓學生在反復訓練中培養應試技能。教師“就題講題”，很容易使得學生形成思維定式。學生的學科思維靈活發展受限，學科能力得不到有效的提升和培養。教師埋怨學生不能“舉一反三”，實則是沒有教會學生靈活應用知識的本領。筆者認為，適當減少習題課的容量，深入剖析核心問題本質，圍繞核心問題進行深度挖掘，打破傳統“典型例題+變式訓練”的課堂教學模式對學生思維和能力的束縛，追本溯源，讓學生在核心知識的應用中思考“為何變”“如何變”的問題，利用“變式模型”引導學生開展主動思考與探索，是解決當下高中物理習題課效率低下問題的關鍵。在核心問題的情境中，教師只有引導學生對熟悉的物理模型進行對比分析，探尋“模型本質”，利用“模型本質”激發學生對核心問題的分析和研究，用這樣“一課一題”的課堂模式培養學生的學科思維和能力，才能真正打造高中物理高效習題課。

案例一：“電磁感應”習題課

例1 如圖1所示，導線框ABCD放在磁場中，若磁場的磁感應強度B增大，判斷線框的電流方向，線框各邊和整體的受力情況。

學生1：磁感應強度B增大，線框的磁通量增大，根據楞次定律“增反減同”和安培定則可判斷，感應電流方向為逆時針。

學生2：根據左手定則，可判斷各邊受到的安培力均向內，由于線框對邊相等，對邊安培力等大反向，線框整體受力為0;也可以用楞次定律“增縮減擴”判斷線框具有收縮趨勢，由此可知各邊所受安培力的方向。

本例題非常簡單直觀，能夠快速幫助學生回顧電磁感應部分的核心問題，包括產生感應電流的條件、感應電流方向的判斷（楞次定律）、受力分析等。接下來，教師要合理設問，引導學生展開“為何變”“如何變”的思考，并在思考中建立物理模型。

1.“為何變”的引導。教師可以向學生發問：“原磁場的變化是發生電磁感應的根源，原磁場如何提供？”這樣的設問，可以引導學生追本溯源，從問題的源頭引發思考，進行變式。針對本案例的問題，磁場的產生有兩種方法：①把線框放在磁鐵附近;②把線框放在通電導線附近，通電導線分長直導線和環形導線（通電螺線管）。這樣學生便抓到了問題源頭。

2.“如何變”的引導。教師可以向學生發問：“原磁場的變化是發生電磁感應的根源，那么如何使得磁場發生變化？”這樣的設問，可以引導學生打開思路，了解出題套路，“舉一反三”的能力在思考和探究的過程中慢慢形成。針對本案例，改變原磁場的強弱有三種方法：①改變磁鐵與線圈的位置;②改變通電導線與線圈的位置;③改變通電導線的電流大小。這樣學生便理解了問題的核心。

通過以上分析，學生可以順理成章地得出以下五個變式模型：

變式模型1：如圖2，水平桌面上放有一個矩形導線框ABCD，線框正上方有一個條形磁鐵，磁鐵N極朝下，當磁鐵豎直向下迅速移動時……

變式模型2：如圖3，一載流長直導線和一矩形導線框ABCD固定在同一平面內，線框在長直導線右側，且其長邊與長直導線平行。當長直導線中電流I發生變化時……

變式模型3：如圖4，矩形導線框ABCD與兩固定的平行長直導線在同一豎直平面內，導線框的幾何中心與兩導線距離相等，導線框的寬度小于兩導線間距。兩導線中通有大小相等、方向向下的恒定電流。當移動導線框的位置時……

變式模型4：如圖5，矩形導線框ABCD放在一通電圓環內部，兩者共面，當圓環中電流I發生變化時……

變式模型5：如圖6，矩形導線框ABCD的內部有一通電圓環，兩者共面，當圓環中電流I發生變化時……

五個變式模型拋磚引玉，打開了學生主動展開“為何變”“如何變”思考的大門。變式模型的建立，并沒有設置具體的問題來限制學生思維，教師可以進一步培養學生靈活思考的能力，把設問權交給學生，讓學生在問題的設計中強化重難點知識的考查方法。

在上述案例中，筆者引導學生追本溯源，主動展開了“為何變”“如何變”的有效思考與探索，激發了學生的求知欲望，構建了物理模型，啟迪了學科思維，培養了學科核心素養。

案例二：“動力學、動量和能量觀點的綜合應用（電磁感應部分）”習題課

例2 如圖7所示，C1D1E1F1和C2D2E2F2是距離為L的相同光滑導軌，C1D1和E1F1為兩段四分之一的圓弧，半徑分別為r1=8r和r2=r。在水平矩形D1E1E2D2內有豎直向上的勻強磁場，磁感應強度為B。導體棒P、Q的長度均為L，質量均為m，電阻均為R，其余電阻不計，Q停在圖中位置，現將P從軌道最高點無初速度釋放，求：（1）導體棒P進入磁場瞬間，回路中的電流的大小和方向。（2）若P、Q不會在軌道上發生碰撞，棒Q到達E1E2瞬間，恰能脫離軌道飛出，求導體棒P離開軌道瞬間的速度。（3）若P、Q不會在軌道上發生碰撞，且兩者到達E1E2瞬間，均能脫離軌道飛出，求回路中產生熱量的范圍。

本題的第一問比較基礎，但是后兩問的設置，大大地增加了題目的難度，對學生的綜合分析能力要求很高。本題代表了高中物理高考復習階段一類典型問題，學生對這類題的評價通常是“上課能聽懂，自己不會做，心里怕怕的”。這時候，盲目地進行題海戰術，學生在表面上會提高解題效率，但是對問題本質的思考會受到限制，不利于對核心問題的分析和研究，更經不起問題的變化呈現。

教師在引導學生分析解決了上述問題以后，可以帶領學生追本溯源，探尋“模型本質”。例2考查了學生利用動力學、動量和能量觀點分析解決物理問題的綜合能力。這類問題，在動力守恒定律的應用中是重點學習內容，模型較為扎實，而本題只是將物理情境進行更換，在電磁感應部分來進行考查。因此，教師可以引導學生將其與熟悉的模型進行對比，探尋模型本質，加深對核心問題的分析和研究。

以例題為例，教師可以引導學生對比圖8和圖9的兩個模型，并進行有效設問：①兩個模型中系統動量守恒嗎？②機械能守恒嗎？③產生的焦耳熱/內能的來源是什么？

學生在問題的引導下進行模型對比，很快發現了模型的本質：原來本題中最難的這個部分，本質上就是動量守恒定律應用中最常見的那個模型。在模型的對比中，學生不僅鞏固加深了對原有模型中核心知識的認知，同時對新模型的學習也得心應手起來，更重要的是，在追本溯源的過程中，培養了他們靈活變通的學科思維和學科能力。

為了學生能加深理解，教師還可以趁熱打鐵，給出本質相同，但又有一定區別的模型幫助學生分析和思考，例如圖10模型。通過對模型間區別與聯系的探討，教師可以進一步激發學生對核心問題的探索和研究欲望。

綜上所述，高中物理模型教學中，教師深入研究核心問題，巧妙地設計“變式模型”，帶領學生追本溯源，對核心問題歸納“模型本質”，有利于培養學生靈活思變的能力，有利于學生學科思維和學科能力的培養。筆者利用“變式模型”引導學生主動思考與探索，利用“模型本質”引導學生對核心問題進行分析和研究，兩種模式的核心思想都是引導學生追本溯源，深度挖掘對核心知識的理解和應用。在教學中，教師只有敢于嘗試，勇于創新，學生才能有更多收獲。不斷提升課堂有效性，在課堂中拓展學生的科學思維，是一線教師永恒的課題。

◇責任編輯 邱 艷◇