AI背景下民族地區高中物理建模教學法的實踐路徑

【摘要】本文論述AI背景下民族地區高中物理建模教學法的途徑，認為教師應厘清物理建模教學理念、明確物理建模教學目標，建構“探究發展式”物理建模教學模式，做到創設情境多樣化、觀察發問自主化、設計方案科學化、親歷探究合作化、分享成果體驗化以及技能遷移有效化。

【關鍵詞】AI背景 民族地區 高中物理 建模教學法

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）02-0086-05

目前，民族地區高中物理教學仍存在重理論輕實踐、重知識傳授輕實踐操作等問題。在AI背景下探索促進民族地區高中物理教學改革之路，進而破解當地教育教學實驗條件弱、教學觀念更新慢等問題正當其時。基于此，我們找出物理學科教學的相關問題，立足學科特點，以發展式教育教學理論為指導，以科學探究為過程依托，結合國家基礎教育課程改革和相關政策，充分吸收海斯特斯（David Hestenes）提出的建模理論以及哈倫（Ibrahim Halloun）提出的五階段建模，即模型選擇、模型建立、模型驗證、模型分析、模型拓展等開展AI背景下民族地區的高中物理建模教學法的探索實踐。教師根據不同學生的素養，在實施教學時開展“探究發展式”建模教學的各環節活動;在實踐中凝練出“六環六化”課堂建模教學，即創設情境多樣化、觀察發問自主化、設計方案科學化、親歷探究合作化、分享成果體驗化、技能遷移有效化，培養學生像科學家一樣進行觀察和發問，像科學家一樣進行邏輯推理和實踐操作，像科學家一樣進行分享與拓展。

一、厘清物理建模教學理念，指導物理建模教學法探索

物理學是研究物質運動規律的學科，而實際的物理現象和物理規律一般都是十分復雜的，涉及許多因素。舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質特征，就可以稱為構建物理模型。構建物理模型是一種研究問題的科學的思維方法。中學物理模型一般可分三類：物質模型、狀態模型、過程模型。我們緊密聯系一線教學實踐，為解決這些教學困境組建了課題研究小組，開展物理模型的實驗教學研究，以期通過第二課堂（即校本選修課），給學生提供新的學習物理模型知識和應用模型解決問題的平臺與機會，破解學生普遍陷入的物理概念抽象費解、模型復雜晦澀難懂的困境，變抽象為形象，化繁為簡，透過現象看本質，構建物理模型，實踐物理教學理念。

（一）激發興趣，激活學習的動力系統

1.做好物理模型的演示實驗

充分利用實驗室現有的器材和生活中的物品、材料進行物理實驗，為學生的科學探究活動創造可靠的物質條件，能增強學生對物理實驗的興趣。另外，在演示實驗中，教師作為實施實驗的主體，讓對物理不感興趣的學生從旁協助，長此以往，也能增強這部分學生對物理實驗的興趣。

比如在《牛頓第一定律》一節的教學中，教師可以選擇用裝滿粉筆的盒子壓住白紙，迅速抽出白紙的物理模型演示。當教師快速抽出白紙時，學生注意觀察盒子的位置是否變化。學生觀察到盒子仍在桌上后，教師順勢提出問題引發學生思考，激發學生的學習興趣。

又如講到電場線和磁感線分布時，教師利用生活中的物品和材料制作了等量異種電荷之間的電場線分布模型，正、負電荷的電場線分布模型，平行板電容器之間的電場線分布模型，通電直導線周圍的磁感線分布模型等教具，上課時做好演示，能夠激發學生的學習興趣。

再如研究平拋運動模型時，教師從兩個方向入手進行實驗建模，一是利用薄板和玻璃珠指導學生制作平拋運動的物理模型教具，該模型形象地顯示不同時刻平拋運動的落點，直觀地反映平拋運動的軌跡特征，幫助學生建構平拋運動模型;二是引進先進的光控技術的平拋運動演示儀。學生通過針對該實驗建模的操作、討論和分享，可以更牢固地掌握平拋運動在水平方向上做勻速直線運動、在豎直方向上做自由落體運動的模型特點。

2.講好科學家的科學故事

我們充分利用大數據查找科學家和科學家故事。比如，教學開普勒三大定律時，講好開普勒與第谷的故事，讓學生學習科學家嚴謹的科學態度與較強的責任感;講到法拉第電磁感應定律時，我們先講好科學家法拉第的生平故事以及他在電學和化學方面的偉大成就，讓學生從科學家的故事中感悟科學真理，從而激發學生的學習興趣和求知欲望。

3.利用VR技術展示形象生動的物理情景

通過VR仿真平臺建立相應的物理模型，設置合適參數來模擬復雜的物理現象和物理過程，進而展示形象生動的物理情景，能幫助學生理解相關的抽象物理知識和概念。

比如教學粒子散射實驗、重核裂變、輕核聚變等在課堂上無法進行的原子物理實驗，以及萬有引力部分的衛星變軌、對接過程、雙星及三星模型等物理學問題時，教師可運用基于VR手段的仿真系統將一幅幅由宏觀到微觀的物質運動規律和相互作用的動態圖像直觀地呈現在學生眼前，從而激發學生的學習興趣。

（二）科學觀察，建構模型情境

物理教學大多遵循從現象到本質、從感性到理性的科學認知過程。與物理教學有關的圖片、視頻和實驗等都是教學的活素材，在教學中具有十分重要的作用，能夠用于建構物理教學模型情境。

以人教版高中物理必修1第二章第5節《自由落體運動》為例，該教學引導學生做鐵片和小羽毛下落的對比實驗，通過觀察兩者的下落情況建構自由落體的運動模型。教師將四名學生分成兩人一組共兩組進行演示實驗。第一組的兩名學生用細線將鐵片和小羽毛懸掛在空氣中，從同一高度同時剪斷兩根細線，觀察兩者的下落情況，并做記錄。學生很容易通過該演示實驗觀察到鐵片比小羽毛先落地的現象。另一組的兩名學生則利用牛頓管進行實驗，改變鐵片和小羽毛所處的環境，同時從同一高度釋放牛頓管中的鐵片和小羽毛，觀察兩者豎直下落的情況，并做記錄。教師給出提示：如何改變空氣這一環境？學生想到嘗試用氣泵將牛頓管中的空氣抽出后進行實驗。教師又引導學生借助手機的慢動作拍攝可以實現更精準的觀察對比。學生觀察該演示實驗發現，鐵片和小羽毛幾乎同時落地。

學生通過分析對比實驗得到：在空氣影響較大的情況下，只受重力作用由靜止開始下落的小羽毛比鐵片下落慢;當盡可能降低空氣的影響時，鐵片和小羽毛幾乎同時落地。教師再引導學生思考：如果牛頓管中的空氣全部被抽出，形成真空環境，沒有空氣的影響，會看到什么現象？學生容易通過合理推理得到兩物體同時落地的結論。

在這個環節教學中，學生通過科學觀察實驗，建構自由落體的運動模型，理解這一模型的特點是物體只在重力作用下由靜止開始運動。進而將模型延伸得到結論：在有空氣的空間中，如果空氣阻力的作用比較小，可以忽略，那么物體的下落也可以近似看作自由落體運動。在模型建構的過程中，學生的探索精神、創新精神得到了培養。

（三）親歷物理建模探究過程，培養合作精神

我們堅持以學生為主體，圍繞物理模型開展實驗建模，在合作探究中培養學生的合作精神。因此，我們均衡考慮，對學生進行合理分組，盡可能使每一名學生都能在課程中得到成長;在學生實驗建模的過程中注重對學生的觀察能力和實驗操作規范性進行引導，強調數據記錄和證據收集的重要性。此外，我們還要求學生圍繞實驗建模的探究主題，領會、嘗試從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題，如電場線可以很好地描述電場的特點，在建構電場線模型的過程中逐漸形成電場是一種物質的物質觀;在研究平拋運動時，逐漸形成運動觀。

（四）提高創新意識，培養物理建模的創新思維

我們在教學過程中圍繞物理模型，鼓勵學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考，培養學生物理建模的創新思維。

比如牛頓第二定律實驗建模，為了減小實驗誤差，學生對課本實驗進行了改裝，圖1為改裝后的實驗裝置圖，實驗步驟如下。

1.用天平測量砝碼的質量m、砝碼盤質量m0和小車的質量M。

2.按實驗裝置圖安裝好實驗裝置。

3.利用墊塊調節長木板的傾角，輕推小車后，使小車（與紙帶、細繩和砝碼盤相連）能沿長木板向下做勻速運動。

4.取下細繩和砝碼盤。

5.將小車置于打點計時器旁（小車與紙帶相連，但與細繩和砝碼盤不相連）先接通電源，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a。

6.重新掛上細繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質量，重復1、2、3、4、5步，求得小車在不同合外力F作用下的加速度。

7.描點作圖，作a-F圖象。

8.保持小盤和砝碼的質量m′不變，改變小車質量M，重復步驟1、2、3、4、5，作a-[1m′]圖象。

二、明確物理建模教學目標，指明物理建模教學法的方向

物理建模的教學目標可分為四方面。一是形成科學的物理觀念，包含科學的物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等，要求學生能用物理觀念解釋自然現象和解決實際問題。二是形成像科學家一樣的思維品質。能用科學思維方法從定性或定量角度對相關問題進行科學推理、找出規律、形成結論;能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測。三是培養像科學家一樣的探究意識與能力。能在觀察和實驗中發現問題、提出合理猜想與假設;能設計、正確實施探究方案，獲取證據;能使用不同方法和手段分析、處理信息;能描述并解釋探究結果和變化趨勢，有交流的意愿與能力。四是培養像科學家一樣的科學態度與責任感，重點培養學生的學習興趣、參加科技活動的熱情、正確認識科學本質的態度，形成具有學習和研究物理的好奇心與求知欲。能主動與他人合作，尊重他人，具有合作精神;能基于證據和邏輯發表自己的見解，實事求是，不迷信權威，關心國內外科技發展現狀與趨勢，了解物理研究和物理成果的應用應遵循道德規范;能認識科學、技術、社會、環境的關系，形成具有熱愛祖國、熱愛人民的科學家責任感和具有保護環境、節約資源、促進可持續發展的責任感。

以教學《動能和動能定理》為例，明確動能定理物理模型的建模教學目標有：物理觀念方面為理解動能的概念，會用動能定理解決力學問題，進一步樹立能量觀念;科學思維方面為運用科學的方法定量地進行科學推理，找出功與動能的關系，得出動能定理的表達式;科學探究方面為能在觀察中發現問題，提出猜想與假設，通過理論探究得到動能定理，描述并解釋動能定理各項的物理意義;科學態度與責任方面為通過對動能的利用教學，使學生形成節約能源的意識和與自然和諧發展的觀念。教師利用游客玩傾斜的直線彩虹滑道和曲線彩虹滑道娛樂項目視頻引導學生觀察并思考：如果已知人的受力情況以及彩虹滑道傾斜面的長度，能不能求出人滑到斜面底端時速度的大??？學生容易根據受力情況得到人沿斜面向下的加速度，再利用位移與速度的關系可以得到人滑到斜面底端時速度的大小。教師再問：是否可以用同樣的方法求得曲線彩虹滑道底端人的速度大小？學生在受力分析、運用牛頓第二定律時發現人的加速度是變化的，無法求解。教師進一步引導學生：在學習重力做功與重力勢能的變化關系時我們是通過重力做功入手分析的。接著教師引導學生分析人從曲線彩虹滑道滑下的過程的特點，學生此時不難聯想到運用動能定理可以求解人滑到底端時速度的大小。教學的最后，教師向學生展示三峽工程利用水的勢能轉化為水輪機的動能，進而切割磁感線實現發電，讓學生認識到三峽工程是我國的重大水利工程，不僅發電量巨大，而且保障了長江中下游的工農業生產，使學生形成節約能源和科學利用自然資源的意識。

三、建構“探究發展式”物理建模教學模式，豐實物理課堂教學法

在實踐中，基于知識建構主義，參考并吸收了哈倫（Ibrahim Halloun）的五個階段建模教學，我們建構了物理學科的“六環六化”的“探究發展式”物理建模教學模式，即創設情境多樣化、觀察發問自主化、設計方案科學化、親歷探究合作化、分享成果體驗化、技能遷移有效化。

（一）創設情境多樣化

實際情境往往是問題的發源地，提供多樣化的物理情境是引導學生發問的前提。我們通過互聯網媒體、大數據，將虛擬與現實結合，打造仿真實驗室，為學生提供優質的物理情境，豐富學科教學資源。我們設立了由物理教師管理，學生自主參與的“物理建模實驗中心”。學生可以利用課余時間，自主選材、自主合作設計方案，師生聯合加工，學生合作組裝，實現物理建模，并將成果分享。教師組建團隊，運用現代化技術，虛擬建模，如利用3DMAX軟件創設模型，創建實際生活生產難以實現的、具有一定危險性的物理情境。以“探究感應電流的產生條件”為例，我們這樣創設情境引入新課。如圖3，通過電磁爐“發電”引起學生的好奇心，即使電路中沒有電源，導體中也有電流經過使燈泡發光。

（二）觀察發問自主化

要想讓學生動手，得先讓學生動腦。教師引導學生認真觀察、自主發問。學生通過觀察現象，科學地分析物理問題，確定研究對象及其狀態的變化、過程的變化情況等，逐漸以物理模型思維進行發問。問題可以縱向發展，如鏈式問題，也可以橫向發展，如發散問題等。問題的產生是基于學生的自主分析，例如，有的是自問自答，有的是互助互答，有的則需要通過課后專題研究后作答，等等。鼓勵并尊重學生的個體差異性，例如，在遇到一些不常見的問題時，教師不要急于簡單地肯定或否定學生的回答，而應以鼓勵為主。以“探究感應電流的產生條件”教學為例，學生通過觀察電磁爐“發電”后，各小組就自主發問：導體中是怎樣產生電流的？電磁爐是怎樣“發電”的呢？

（三）設計方案科學化

我們鼓勵學生參與到探究方案的設計中，師生共同基于對問題的思考、分析、預期等，逐步制訂探究方案。學生也可以是探究方案的討論者、設計者，是探究的主體，也是問題產生者，更是探究方案的實際使用者。教師則可以向探究方案的評估者、審定者身份轉變，幫助學生把握方案設計的科學性，實施要具備有效性，邏輯要符合科學。

比如，研究導體與磁體相對靜止時，回路中怎樣產生感應電流。學生分組自行設計實驗方案。某一學習小組設計方案如下。

實驗目的：探究通電線圈在閉合線圈中靜止，回路中怎樣產生感應電流。

實驗器材：靈敏電流計、大小螺線管各一個、電源、滑動變阻器、導線、開關。

實驗連接圖：如下圖所示。

實驗步驟：進行以下操作時注意觀察電流表指針擺動情況。

1.開關閉合瞬間。

2.開關斷開瞬間。

3.開關閉合時，滑動變阻器不動。

4.開關閉合時，迅速移動滑動變阻器滑片。

實驗表格：如下表所示。

實驗現象、分析與結論：當小線圈內電流變化時大線圈內會出現感應電流。

（四）親歷探究合作化

在探究的過程，我們引導學生建立學習小組，利用學習小組的形式促進學生的合作與交流。建立學習小組時，我們以學生自愿為基本原則，均衡小組間的學習能力水平等，開展探究建模。學生在合作探究中掌握演繹法、歸納法等科學方法，親歷探究過程，有效地加深學生之間的情感。

以上文研究導體與磁體相對靜止時，回路中怎樣產生感應電流為例，學生親歷探究合作化過程如下。

1.設計好實驗方案后開始分組進行實驗，連接電路，按實驗步驟觀察實驗現象，填寫實驗表格。

2.根據實驗現象討論分析，得出實驗結論。

（五）分享成果體驗化

獲得他人認可是每個人的基本需求之一。學生分享探究歷程、探究成果，獲得老師、其他同學的認可，可以體驗探究的成功與喜悅，形成積極向上的情感，增強科學探究的自信心和求知欲望。

學生各組代表發言，闡述實驗現象和結論，教師適當點評，共同分享成果。最后形成結論：只要穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中就有感應電流產生。

（六）技能遷移有效化

“探究發展式”物理建模教學能真正讓學生掌握并遷移知識與技能。經歷該模式教學的學生可以較好地將所學的知識、物理模型等遷移到同類事物、相似情境中，將物理模型的知識應用到新的物理場景中分析問題、解決問題。如上例，總結得出感應電流產生的條件后，學生能夠用所學知識解釋電磁爐是怎樣“發電”的，能在課后分析“搖繩發電”現象。

本文探索了AI背景下民族地區高中物理建模教學法的實踐路徑，明確了物理建模的教學理念、物理建模的教學目標、物理建模的教學模式，論述具有“六環六化”特色的“探究發展式”物理建模教學模式，豐實了物理建模教學法，提高了課堂教學效率，改變民族地區的學生思考能力、動手能力不足的現狀，走出了一條提高民族地區高中物理教學質量的新路子。

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作者簡介：農寧（1970— ），廣西天等人，高級教師，主要從事中學物理教學與研究。

（責編 劉小瑗）