建構物理模型 提升核心素養

［摘 要］模型建構是“科學思維”核心素養的要素之一。建構物理模型對于學生學習物理知識和發展物理思維尤其重要。文章對電磁感應的動力學問題中的模型進行歸納總結，并從解決問題的基本思路去分析如何通過合理建構物理模型提升學生的核心素養。

［關鍵詞］物理模型；核心素養；電磁感應；動力學問題

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）06-0078-03

物理學作為當今最精密的自然科學，是其他自然科學和社會科學的基礎。高中物理重要的教學目標之一是發展學生的科學思維?！翱茖W思維”核心素養的要素之一是模型建構。建構物理模型可以幫助學生更好地運用物理思維方式解決問題，透徹理解物理概念，掌握物理規律。建構物理模型對于學生學習物理知識和發展物理思維尤其重要。

一、物理模型的含義

物理模型廣泛地存在于物理學中，但目前國內外學者對于物理模型并沒有統一的定義。人教版高中物理必修1教材對物理模型進行了這樣的表述：在物理學中，突出問題的主要方面，忽略次要因素，建立理想化的“物理模型”，并將其作為研究對象，是經常采用的一種科學研究方法。普利高津曾經說過：“物理學并不是自然界本身，是人類與自然界的對話。”模型建構是人類與自然界“對話”的一種重要方式，也是認識物質及其運動的重要手段和思維方式。

在梳理了國內外學者對物理模型的定義之后，筆者認為，物理模型是對物理現象、系統或過程進行抽象和簡化的一種描述，是將實際的物理現象或問題經過加工處理后形成的一個思維產物。

二、建構物理模型的教學策略

（一）創設真實情境，培養建模意識

在教學中，教師可以利用探究實驗、視頻、圖片、物理學史等創設情境引入課堂。所創設的情境要貼近學生的生活，要具備真實性和實際意義。創設情境不能是單純地用來吸引學生的注意力，要從實際生活過渡到模型建構，使學生產生共鳴，從而培養學生的建模意識。

（二）強化概念理解，夯實建?；A

理解并掌握基本概念是建構物理模型的基礎。在教材中，有些概念的描述較為簡單，需要教師進行詳細闡釋；有些概念描述得非常清楚，要求學生準確記憶。因此，在建構模型前需要先讓學生對相關的概念、規律有清晰的認知。

（三）加強建模訓練，強化建模思維

在教學過程中，部分學生由于缺乏對有效信息的準確提取或由于審題不清而抓不住題干的關鍵信息，只會機械地套用經典模型，無法靈活運用模型。這就要求教師加強建模訓練，防止學生的模型建構過程單一化、流程化，強化學生的建模思維。在模型建構教學中，教師應選取具有代表性的習題來強化學生的建模思維，培養學生從題目中提取有效信息、應用已有模型解決問題或建立新模型的能力。教師還要引導學生在審題時抓住關鍵信息，提高對題干信息的敏感度，從而實現精準建模。

（四）創建學習共同體，促進深度建模

學生的學習不僅需要教師的指導，還需要自身的自主探究和同伴之間的互幫互助。因此，可建立“師生”學習共同體或“生生”學習共同體?！皫熒睂W習共同體的建立，有利于增加學生與教師之間的親密度，而“生生”學習共同體的建立有利于加強學生之間的合作，提高學生建構模型的積極性。教師在引導學生建構物理模型時，可以發揮學習共同體的作用，引導學生合作分析問題的本質，構建新舊知識的聯系，促進學生深度建模。

三、“模型建構”水平的劃分

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對物理學科核心素養的水平進行了劃分，其中“科學思維”中的“模型建構”水平劃分如表1所示。

四、建構物理模型的作用

（一）有助于培養學生的核心素養

建構物理模型不是一蹴而就的，需要不斷地修正與完善，需要實事求是、精益求精的科學態度。通過建構物理模型，可以培養學生的科學探究素養；通過建構物理模型能夠幫助學生看透現象的本質，培養學生的科學思維。

（二）有利于學生理解物理概念和掌握物理規律

在建構物理模型前，教師需要引導學生對物理現象和物理問題進行分析，這可加深學生對物理概念的理解。在建構物理模型時，教師需要引導學生運用觀察、假設、實驗、近似等方法進行獨立思考、討論、研究，在這個過程中，學生的自主學習能力會大幅度提升，并能加深對物理概念的理解和物理規律、物理方法的掌握。

五、建構物理模型提升學生核心素養的實踐

下面以電磁感應的動力學問題為例說明如何通過建構物理模型提升學生的核心素養。

（一）模型的建構和選擇

根據建構物理模型的教學步驟，教師可以通過演示實驗的方式導入目標物理模型，并要求學生仔細觀察實驗現象，思考相關的物理問題。

電磁感應的單桿模型的建構首先從電磁感應分析產生感應電流開始，要求學生通過討論分析感應電流的大小跟哪些因素有關，進而理解電磁感應的單桿模型的實質。

如圖1所示是電磁感應的動力學問題中的基本模型，即導體棒ab以一定速度v在光滑水平導軌上滑動，質量為m，電阻為r，兩導軌的間距為L。首先，進行“源”的分析。在電路中，導體棒ab切割磁感線產生感應電動勢充當電源，電源內部電流從b流向a，故a為電源的正極，b為電源的負極，感應電動勢E=BLv，內阻為r。接著，進行“路”的分析。這是一個簡單的串聯電路，只有外電阻R和內電阻r，電流[I=ER+r]。然后，進行“力”的分析。對導體棒ab進行受力分析，其受到重力、支持力、安培力，合外力為安培力。最后，進行“運動”的分析。導體棒ab所受到的安培力的方向和初速度的方向相反，導體棒ab做的是減速運動，隨著v減小，E、I、[F安]、[F合]均減小，根據加速度[a=F合m]，可知a減小，所以導體棒ab做的是加速度減小的減速運動，最后導體棒ab速度為0，靜止不動。

當學生無法獨自建構電磁感應的單桿模型時，教師可引導學生從“源”“路”“力”“運動”四個方面進行分析。學生在教師的引導下建立并完善電磁感應的單桿基本模型，同時拓展出導體棒在水平導軌上受到外力作用的模型及導體棒在傾斜導軌、豎直導軌上的模型（如圖2）。

電磁感應的動力學問題的解答關鍵是“先電后力”，具體的思路如圖3所示。

（二）模型的驗證和分析

待學生建立了電磁感應的單桿模型后，教師需要引導他們對所建構的模型進行驗證和分析。為此，教師可以通過教材例題、習題或高考題來幫助學生檢驗模型的內在一致性，給學生提供批判性思考的機會。如通過選擇性必修第二冊教材第46頁第6題、第47頁第4題兩道課后習題來強化學生對模型的驗證和分析。第46頁第6題展示的是導體棒在光滑水平導軌上的模型，第47頁第4題展示的是導體棒在光滑的豎直導軌上的模型。學生通過分析解決不同情境下的問題，強化了對電磁感應的單桿模型的理解。

教師引導學生找出問題中所涉及的模型，并將“源”的電動勢、“路”的電流、“力”的[F合]、“運動”的加速度之間的關系（如圖4）表征出來，實現對電磁感應的單桿模型的整合。

（三）模型的拓展

待學生建立了電磁感應的單桿基本模型后，教師可以呈現一個涉及電源、電容器的新情境，并將所建構的模型融入新的情境中，引導學生從“源”“路”“力”“運動”四個方面進行分析，從而使電磁感應的單桿基本模型得到拓展（如圖5）。例如，引導學生分析2022年高考全國甲卷物理試題第22題。通過高考真題的解題訓練，學生充分運用了模型，把握了模型的本質。

六、關于建構物理模型的一些思考

在學習物理的過程中，部分學生存在著思維障礙，表現為不能靈活建構和運用物理模型。對此，教師在教學過程中應注意以下幾點：

1.經驗豐富的教師會在教學活動中創設情境幫助學生建構模型，培養學生的建模思維和遷移應用知識的能力。但部分教師更關注的是學生對基礎知識的掌握以及應試能力的培養，而忽視了學生建模能力的培養，在教學中很少開展模型建構活動。這十分不利于學生的發展。對此，教師應注重開展模型建構教學，著力培養學生的模型建構能力。

2.《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》多次提到物理模型，但并沒有明確給出物理模型的概念，新教材對物理模型的描述也比較隱晦，建構物理模型的活動也不多，因此需要教師深入挖掘，并對模型建構教學進行有效設計。

3.很多高考試題都是由教材素材改編、綜合、延伸、拓展、嫁接而來，在教材習題中就可以找到“原型”。教師在教學中要回歸教材，分析新舊教材的區別，以教材的例題或課后練習作為情境素材開展模型建構教學，引導學生建構物理模型。

4.物理試題的情境往往來源于生活，學生光靠死記硬背知識、機械套用公式是很難解答題目的，教師應引導學生靈活應用物理知識解決問題。學生經常會出現看不懂題目或理解錯題意的情況，教師應引導學生建構模型，使學生審清題意，有效解答題目。教師在教學中還應注重結合生活、生產、體育、科技等元素創設教學情境，助推學生建構物理模型。

5.教師在教學中應注重引導學生科學建模，從基本模型建構入手，并進行知識的遷移和模型的拓展，幫助學生走出題海，回歸核心素養的“海洋”。

6.物理模型建構教學是以全員參與為前提的，在物理模型教學中教師可以采用小組討論的方式，引導學生互相交流、討論。教師要鼓勵學生多發言，特別是多鼓勵平時不善于表達的學生參與討論，為學生營造一個互幫互助、輕松愉快的學習氛圍。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

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（責任編輯" " 黃春香）