構建中學物理闖關型教學模式促進學生建模能力的水平進階

摘 要：當前高考應試形勢下，部分師生只注重模型的硬性記憶、生搬硬套，學生難以形成真正的建模能力.以學習進階理論為指導，借鑒游戲中的闖關理念，構建了中學物理闖關型教學模式;并將該模式應用于復習課“平拋模型”的教學實踐中.本模式有比賽、合作、自主、對比等闖關形式，學生在進階問題鏈引導下逐級闖關，建模水平層級在闖關中逐級進階發展.

關鍵詞：闖關;建模;水平;進階;能力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0028-04

作者簡介：余耿華（1976-），男，廣東興寧人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學、教學模式.

在中學物理教學中，師生們越來越意識到建模的重要性，但在應試的教育體制下，導致部分師生只注重模型的硬性記憶、生搬硬套，長此為往，學生思維慢慢僵化，很難形成真正的建模能力;另一方面，學生對游戲卻是欲罷不能、無師自通，學生的游戲思維進階神速.為此，筆者嘗試以學習進階理論為指導，借鑒游戲中的闖關理念，構建了中學物理闖關型教學模式;并將該模式應用于高三復習課“平拋模型“的教學實踐中，學生在逐級闖關中其建模水平逐級進階發展.

1 相關概念的界定

1.1 學習進階理論及中學物理闖關型教學模式

美國國家研究理事會（NRC） 將學習進階理論定義為：“學習進階是對學生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述.在一個適當的時間跨度下，學生學習和探究某一重要知識或實踐領域時，思維方式逐漸進階[1].”

中學物理闖關型教學模式：本模式以學習進階理論為指導，借鑒游戲中的闖關理念，以學生原有的認知為闖關基礎，以核心概念、規律或方法為主線，設計闖關，一般以教學內容的模塊為大關，以具有思維進階的問題鏈為一個個小關（學習進階中的階）.闖關形式有比賽、合作、自主、對比等，學生在問題鏈引導下逐級闖關，科學思維水平在闖關中不斷進階發展.本模式主要應用在提升學生的科學思維水平層級，也可以應用在提升學生物理核心素養的其他要素的水平層級.

從以上闡述可知，學習進階刻畫的是學生思維發展的過程，因此從這一理論出發，基于學生原有認知基礎，根據學生認知思維發展進階的特點，設計基于學生視角的具有思維進階的闖關大關（任務）和小關（進階問題鏈）是課堂活動設計的關鍵.

該模式在實踐應用中，可根據教情和學情需要，有針對性地選擇或融合多種闖關形式.在具體的一節課教學中，若學生遇到困難，可以自主揭開預先提供的錦囊（參考答案或提示），同時根據個性或共性的反饋情況，可以采用師生互助、小組互助等形式一起闖關，促進學生自主而有個性的學習.

1.2 建模的水平層級

2020年，教育部發布了《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標），新課標尤其關注學生物理學科核心素養的提升，將科學思維中的建模能力按學業質量要求進行了如圖1所示詳細的水平層級劃分[2-3].

2 闖關型教學模式——水平進階案例

本文以高三復習課“平拋模型”為例的闖關過程總框架如圖2所示.

2.1 大闖關一：自主闖關，整合知識框架

新課標理念之一是引導學生自主學習，自主學習也是學生終身發展所必需的關鍵能力之一.在教學實踐中，我們應該注意將大闖關（大任務）分解為若干進階的小關（小任務），可以將闖關過程中的小關答案或提示變成錦囊，放在臺面的小盒子里，學生不會時可以通過錦囊，也可以適時通過師生互助、同伴互助繼續自主闖關，讓學生能自主闖關、喜歡自主闖關，在闖關過程中找到興趣和信心，不斷促進學生的自主學習能力提升.自主闖關宜設計在較簡單的任務中.

闖關基礎：學生在日常生活中常見一些平拋運動，高一已經學習過平拋運動，本節課定位是復習課;學生已有處理曲線運動的基本方法，如化曲為直.但學生習慣于死記模型，往往未能將實際的平拋運動與平拋模型聯系起來，缺乏對動力學具體問題具體分析的習慣.

闖關情境設置：

小關1：請水平拋出一個粉筆頭，觀察粉筆頭做什么運動？回答以下幾個問題？（有條件的小組或學校可以用手機慢拍粉筆頭做平拋運動的視頻，并按一定時間間隔展示平拋運動的軌跡）

小關2：請只用米尺測出粉筆頭做平拋運動的初速度v0？

小關3：一般如何處理曲線運動？

小關4：請通過計算求出t=1s時粉筆頭的速度v1和位移？（注意矢量有大小和方向）

小關5：請通過計算求出水平位移x=1m時粉筆頭的速度.

小關6：思考處理曲線運動與直線運動的方法有何不同？

設計意圖：小關1，通過學生動手做身邊常見、簡易的實驗，激發學生學習物理的興趣，讓學生逐步意識到生活中處處體現物理的觀念—小關2、小關3，引導學生領悟基本的“化曲為直”的思想方法，培養學生利用所學知識和日常生活物品解決實際問題的能力—小關4、小關5，通過闖一個個小關，引導學生自主梳理基礎知識，自主構建平拋運動的基本模型—小關6，完善直線運動和曲線運動的知識框架.

本闖關通過將呆板的模型計算轉化為以簡單實驗為基礎的一個個小關，讓學生能闖關、愛闖關，真真切切地體驗到自主闖關的樂趣.

2.2 大闖關二：基礎應用模型

通過比賽闖關形式，更能調動學生強烈的學習興趣，讓學生在全身心體驗中內化物理知識，培養實踐意識.比賽闖關宜設計在較簡單的模型應用中.

闖關基礎：學生通過闖關一已具備了較完善的平拋運動模型，進一步完善了有關直線運動、曲線運動的認知結構.但學生的實踐意識仍欠缺.

闖關情境設置：

小關1：進行如圖3所示的“套圈圈”游戲，要求投“圈圈”都是水平拋出的，投擲的位置距目標的水平距離為2米，要套中目標玩具，體驗分別從不同高度水平拋出圈圈，其初速度應如何控制？比賽哪組同學套中的圈較多.

小關2：比賽誰先用理論分析出你的實驗結論.

設計意圖：小關1，創設比賽游戲情境，學生在“玩中學”，更易內化知識、激發內驅力、增強實踐意識—小關2，先現象再理論分析，符合學生的心理學認知規律，促進學生自發應用平拋模型解決實際問題的能力.

本闖關希望通過將傳統的模型應用轉變為學術游戲的比賽闖關，學生興趣濃厚，實踐意識增強，學生學以致用的自信心和自豪感增強，使學生的平拋建模水平自然進階到水平2.

2.3 大闖關三：提升應用模型

對比是科學探究的重要方法，對比是高階思維的重要行為，學生在對比中更容易領悟到問題的本質，建模水平3要求學生能在熟悉情境中選出恰當模型，因此選用對比闖關是一個很好的闖關形式.

闖關基礎：學生在前面的闖關中已構建了平拋運動的基本模型，能夠進行簡單的應用，達到平拋建模水平層級2;但學生仍容易受思維定勢影響，存在簡單的生搬硬套模型情況，不敢、不愿用基本的動力學分析方法解決實際問題.

闖關情境設置：

小關1：如圖4，S是光源，在此處水平拋出小鐵球，猜想小鐵球的影子在右邊墻壁做什么運動？

小關2：請用理論論證您的猜想.

視教情和學情可以給以下錦囊提示：

（1）0時刻的小球影子在哪里？

（2）某一時刻t，小球的影子在哪里？

（3）作幾何圖，利用相似三角形，分析得到小球的影子在豎直墻上的位移與時間的關系？

（4）根據以上式子，思考鐵球在墻上的影子做什么運動？

小關3：小鐵球影子在墻上若做勻變速直線運動，請求出其加速度;若做勻速直線運動，請求出其速度大小.

小關4：可否用現有的生活用品，設計實驗，實驗驗證您的理論分析結果（以4人為一組，課內先設計實驗方案，可以課后進一步實驗驗證）.

設計意圖：小關1，以學生身邊雖然常見、但易受思維定勢影響而引起認知沖突的情境引入教學，有利于激發學生熱情—小關2，考慮到分析小關2臺階太大，有些學生可能無從入手，采用錦囊形式細分臺階，一步步引導學生如何通過具體分析、建構模型，得到理論結果，讓學生從中領悟到建模更重要的是分析建構模型的過程，而不是死記模型，進而培養學生正確的建模觀念—小關3，進一步提升學生定量分析問題的能力，提升修正模型的能力—小關4，鼓勵學生用身邊的生活用品，設計實驗，檢驗模型.

本闖關通過設置學生熟悉而易錯的情境，引起學生認知沖突，提高學生恰當選擇模型的能力，讓學生領悟到建模能力的提高更重要的是分析建模的過程，同時鼓勵學生用身邊的生活用品檢驗模型，使學生的平拋建模水平逐級進階到水平3或以上.

2.4 大闖關四：創新應用模型

新課標倡導合作學習，合作是學生適應社會發展的必備能力之一，合作學習包含師生合作、生生合作等形式.

闖關基礎：學生通過以上闖關，具備簡單的模型應用和在熟悉情境中恰當選用模型的能力;但將實際情境轉化為平拋模型的能力仍有待提高.

闖關情境設置：

本闖關建議生生合作闖關，有一定難度，但是學生互助后能解決問題;學生在闖關過程中，可以先自己獨立思考，若遇到不會問題或做完后才在小組內生生合作討論，提升模型遷移創新應用的水平層級.

小關1：（2019全國Ⅱ卷 1題）如圖5，兩金屬板P、Q水平放置，間距為d.兩金屬板正中間有一水平放置的金屬網G，P、Q、G的尺寸相同.G接地，P、Q的電勢均為φ（φ>0）.質量為m、電荷量為q（q>0）的粒子自G的左端上方距離G為h的位置，以速度v0平行于紙面水平射入電場，重力忽略不計.則粒子從射入電場至此時在水平方向上的位移大小？

小關2：粒子第一次穿過G時的動能？

小關3：若粒子恰好從G的下方距離也為h的位置離開電場，則金屬板的長度最短應為多少？

小關4：反思模型應用的基本步驟和方法？

設計意圖：小關1，創設實際情境，加入電場元素，忽略粒子重力，需要學生通過具體分析，從動力學角度分析粒子做類平拋模型，促進學生將實際問題轉化為模型的建模能力—小關2，需要學生從能量角度分析研究平拋模型，提高學生從大概念角度（力學三大觀點）去研究平拋模型—小關3，學生需要根據對稱性，遷移平拋模型的逆向過程，促進學生模型遷移創新能力提升.

本闖關希望通過設置實際情境，將常見的平拋模型遷移到電場中的類平拋模型，同時還要遷移“對稱性”到類平拋模型中，使學生的平拋建模水平逐級進階到水平4.

闖關情境設置：

本闖關建議師生合作闖關，適宜闖關難度較大的問題情境;在闖關過程中，學生先獨立思考，然后教師再適時指導提升，不斷提升學生模型遷移創新應用的水平層級.

小關1：（2020全國Ⅰ卷 2題）如圖6，在一柱形區域內有勻強電場，柱的橫截面積是以O為圓心，半徑為R的圓，AB為圓的直徑，如圖所示.質量為m、電荷量為q（q>0）的帶電粒子在紙面內自A點先后以不同的速度進入電場，速度方向與電場的方向垂直.已知剛進入電場時速度為零的粒子，自圓周上的C點以速率v0穿出電場，AC與AB的夾角θ=60°.運動中粒子僅受電場力作用.求該電場的電場強度大小？

小關2：為使粒子穿過電場后的動能增量最大，該粒子進入電場時的速度應為多大？

小關3：為使粒子穿過電場前后動量變化量的大小為mv0，該粒子進入電場時的速度應為多大？

小關4：反思解決實際問題的一般步驟和方法.

設計意圖：小關1，學生需要運用具體的動力學分析方法，將電場類比為重力場，而且在重力場中平拋的初速度水平方向需要遷移類比為初速度方向不水平但與電場力方向垂直情境—小關2，學生需要遷移電場力做功何時最大的知識才能正確求解，研究方法也從動力學角度進一步拓寬到能量角度—小關3，本關具有開放性，因為粒子既可以沿AC方向運動使其動量增加mv0，也可以做類平拋運動使其動量變化量大小mv0，同時需要學生研究問題的視角進一步拓寬到動量角度—小關4，師生一起總結、反思，進一步提升學生從大概念（力學三大觀點）的視角構建、應用平拋模型的能力.

3 結束語

實踐表明，中學物理闖關型教學模式對于促進學生的建模水平進階能起到較好的作用，但并不能適用所有教學活動，教學中用到的自主、比賽、對比、合作闖關也并非一定要按這個順序組織教學，在實際教學中要根據教情和學情，融合幾種闖關形式或只用其中的幾個闖關形式.本模式同樣可以嘗試用在物理核心素養的其他要素水平層級進階的培養過程中.

參考文獻：

[1]余耿華.運用實驗闖關策略 促進學生思維進階——以高中物理“彈力”一課為例[J].中學物理，2020，38（03）：13-16.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]余耿華.指向高階思維的高中物理實驗闖關教學策略探索——以必修1“力的分解”一課為例[J].物理教師，2020，41（07）：16-19.

[4]居津.基于科學思維水平層次，培養學生建模能力——以“圓錐擺模型”為例[J].物理教師，2019，40（01）：8-20.

[5]翟小銘，郭玉英.美國科學建模教育研究三十年概述及啟示[J].全球教育展望，2015，44（12）：81-95.

（收稿日期：2021-01-04）