核心素養理念下的高中物理模型教學方法的理論與實踐研究

摘 要：文章旨在深入探討高中物理核心素養的理論架構，細致剖析物理模型教學的基礎理論，并通過實證研究探索高中物理模型教學的有效策略。文章首先闡釋了核心素養理念的內涵，隨后明確了物理模型教學的定義，最后深入分析物理模型教學案例，進一步探討了模型應用的教學策略。

關鍵詞：高中物理；核心素養；物理模型教學；理論與實踐融合

一、高中物理核心素養概述

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。物理學科核心素養主要涵蓋“物理觀念”“科學思維”“科學探究”以及“科學態度與責任”這四個維度。這四個維度雖各有側重，但彼此間存在內在聯系。教師在教學過程中應深入挖掘教材內容，充分利用教學資源，以實現物理學核心素養的有效落實。

二、物理模型教學法的理論研究

（一）物理模型教學法的理論基礎

物理模型教學法基于構建主義學習理論，旨在探究物理模型在教學中的應用。構建主義理論主張以學生為中心，強調學生在知識獲取過程中的主動探索、發現以及對知識意義的主動建構。該理論區分了以學生為中心的“學”和以教師為中心的“教”。在模型構建過程中，學生積極參與知識的構建，這一過程充分體現了學生的主動學習能力。因此，物理模型教學法特別強調學生的“學”。

認知學習理論致力于通過探究人類的認知過程，揭示學習活動的內在規律。該理論框架下，學生在獲取新信息后，通過加工、知識轉化、建模及輸出等環節，實現知識的內化與應用。在此過程中，教師扮演著至關重要的引導角色，旨在激發學生的主動思考，促進其科學思維能力的發展，并優化其認知結構。基于此理論，物理模型教學法體現為一種在教師引導和啟發下的探索性學習過程。

（二）物理模型教學法的內涵

物理模型的構建旨在針對特定的物理問題，通過抽象化和簡化研究對象的特定屬性，以深入探究事物的本質及其內在規律。該方法是物理學家研究自然界現象的基礎手段。在高中物理教育實踐中，采用物理模型教學法，引導學生構建精確且適宜的物理模型，不僅能夠增進學生對物理知識的理解，而且有助于提升其思維能力，滿足素質教育對學生綜合能力培養的需求。

物理模型建構過程如圖1所示：

如圖1所示，物理模型教學法的核心在于將物理問題抽象化為模型，通過構建物理模型的過程來實現對學生物理核心素養的培養。該模型構建過程與學生掌握科學知識的認知邏輯相契合。

（三）物理模型教學法與物理核心素養的關系

在物理模型構建的過程中，貫徹新課程理念，將物理學科的核心素養——包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”以及“科學態度與責任”——貫穿始終。基于新課程改革的理念，遵循新課程標準的要求，物理模型教學法作為一種創新的教育實踐方法，為物理教學提供了新的探索路徑，并為物理學科教學研究注入了新的活力，有效地促進了學生核心素養的培養。

物理模型的建構過程與物理學科核心素養的關系如圖2所示。

由圖中可以看出物理學科核心素養伴隨著物理建模的全過程，物理模型教學是落實核心素養的有效途徑。

三、高中物理模型教學法的教學實踐

在人教版高中物理選擇性必修第三冊的“恒定電流”章節中，電學實驗教學占據核心地位，是教學重點、教學難點內容，并且是高考的常規考查點。以滑動變阻器的教學為例，初中階段僅對其進行了基礎性的闡述，學生對于滑動變阻器的工作原理缺乏深入理解。進入高中階段，學生在應用滑動變阻器時需掌握限流式接法與分壓式接法的區別。本研究嘗試通過以下五個遞進式問題，引導學生構建物理模型，并運用該模型解決實際問題。

問題一：如圖3所示，對滑動變阻器進行拆解，以探究其電阻變化機制。研究發現，滑動變阻器由一段較長的電阻絲構成，其工作原理基于電壓與電阻絲長度的正比關系，這一現象是歐姆定律及電阻定律在部分電路中的具體體現。滑動變阻器的電阻絲雖然長度較大并纏繞成特定結構，但其基本原理與直線型變阻器相同，如圖4所示。

問題二：滑動變阻器是如何實現限流功能的？依據部分電阻定律，通過調整電阻絲在電路中的接入長度，可以改變其接入電路的電阻值。進而，依據部分電路的歐姆定律，可以調節電路中的電流大小。具體操作方法可參照圖5所示的接線方式。

問題三：如何理解滑動變阻器的分壓式接法呢？

如圖6所示的原理圖中，當AB兩端接入電源并有電流通過時，CP兩端的電壓如何計算？顯然，AB兩端的電壓與CP兩端的電壓均與這兩段電路導線的長度呈正比關系。該現象的理論基礎在于串聯電路的分壓規律，即分壓電路的工作原理。

問題四：在實際應用中，變壓器的分壓式接線方法應如何實施？

首先，需明確四個接線柱的功能，通過分析其原理圖，結合實際電路圖進行闡述。具體而言，將電源連接于A與B兩個接線柱之間，而將負載接入A與P或B與P之間的接線柱，即可形成分壓電路。具體的接線方式可參照圖7所示。

問題五：以分壓式接法為例，探討控制電路的分壓式接法在測量小電阻與大電阻方面的適用性。

通過以下方法進行闡釋：結合串并聯電路的特點，按照一定的規律，利用Excel表格進行數據精確計算（在教學實踐中依據探究原理也可以估算數據），本文將采用精確數據來闡明問題。

在本研究中，采用兩種不同阻值的滑動變阻器，其標稱總阻值分別為R0＝1000Ω和R0＝10Ω，以及一個恒定電壓電源U＝10V。同時，采用兩種不同阻值的負載電阻，分別為Rx＝1000Ω和Rx＝10Ω。本研究旨在探討在使用分壓式接法測量負載電阻時，哪種接法在技術上更為適宜。

探究一，分壓式接法測量負載電阻Rx＝10Ω，滑動變阻器總阻值R0＝1000Ω為例，電路圖如圖8所示，測量電路采用電流表外接法，控制電路為分壓式接法。

計算原理圖如圖8，滑動變阻器的總電阻分為R1和R2兩部分阻值。滿足關系式：R0＝R1＋R2，被測量的負載電阻Rx與滑動變阻器的R1部分并聯，并聯阻值R并＝[R1RxR1+Rx]，電路中的總阻值為R總，由電路圖可知R總＝R2＋R并，測量電路部分的電壓為Ux，Ux＝[R并R總]U。

如表1所示，在上述公式中輸入相應的電阻數值，計算出精確數據填入表格。當移動滑片P，改變滑動變阻器的阻值時，注意到被測量電路的電壓數值很小，電壓變化非常不明顯。

結論：分壓式接法不適合用阻值大的滑動變阻器測量阻值小的被測電阻。

探究二，滑動變阻器分壓式接法測量負載電阻Rx＝1000Ω，滑動變阻器總阻值R0＝10Ω為例，電路如圖9，計算原理同上。按照上述公式輸入電阻數值，計算出精確數據填入表格，結果如表2所示。

表中數據揭示，在滑動變阻器阻值R隨滑片P的移動而改變的過程中，觀察到被測電路的電壓Ux與電源電壓U之比值趨近于電阻R1與R0的比值，且電壓變化趨于線性變化，呈現顯著性。

結論：分壓式接法適合用阻值小的滑動變阻器測量阻值大的被測電阻。

滑動變阻器的使用是高中物理實驗教學的重點和難點之一，滑動變阻器的建模分析過程綜合了恒定電流理論、電阻定律、部分電路歐姆定律以及對串聯電路和并聯電路這兩種基礎電路模型的理解與應用。用串聯電路中的分壓原理針對分壓式接法的適用條件進行深入探究，突破了教學難點，取得了很好的教學效果。

四、結語

現行的課程標準強調對物理學科核心素養的培養。依據新課程理念的指導，探索實現課程標準的具體路徑、策略以及有效的教學媒介，成為教育工作者必須深思熟慮并付諸實踐的課題。物理模型的構建，為學生提供了連接物理知識的橋梁。物理模型作為物理知識與思維方法的媒介，在知識傳遞過程中被賦予了更深層次的意義，有助于建立科學的思維模式，并在理解與應用物理模型解決現實問題方面發揮作用。因此，“物理模型教學法”在物理教學中具有一定的指導價值，并被視為培養學生核心素養的有效手段。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］周后升.高中學生物理學科核心素養發展研究及教學實踐［M］.廣州：廣東高等教育出版社，2019.