高中物理模型化教學(xué)案例研究

摘 ""要：高中生面臨著上課聽得懂，下課不會做題的困境。原因之一是學(xué)生對知識的分類和整理不足，陳述性知識沒有順利轉(zhuǎn)化成程序性知識或策略性知識。以高中物理“電磁感應(yīng)”板塊模型應(yīng)用為例，進(jìn)行模型化教學(xué)案例展示和效果分析。結(jié)果顯示，模型化教學(xué)對不同層次的學(xué)生都有明顯的助益。模型化教學(xué)強(qiáng)化了知識點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，從而容易被記憶系統(tǒng)儲存和提取。模型化教學(xué)中對各種情境進(jìn)行了整合，減少了學(xué)生直接經(jīng)驗獲得過程中的時間成本。

關(guān)鍵詞：模型化教學(xué)；程序性知識；遷移能力；電磁感應(yīng)；細(xì)化和泛化

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2025）3-0026-5

高中生面臨著上課聽得懂，下課不會做題的困境；有些學(xué)生迷信題海戰(zhàn)術(shù)，費(fèi)時費(fèi)力，卻效果不佳。按照認(rèn)知心理學(xué)分析，主要原因是傳統(tǒng)的不以物理模型為框架的教法和學(xué)法導(dǎo)致物理知識是靜態(tài)的陳述性知識，其要求的心理過程主要是記憶。通過物理建模形成的以物理模型為主框架建立的知識，是以產(chǎn)生式系統(tǒng)表征和儲存的程序性知識，有利于知識的攝入、儲存和遷移。物理建模的過程可以實(shí)現(xiàn)陳述性知識向程序性知識的轉(zhuǎn)化，甚至是程序性知識向策略性知識的轉(zhuǎn)化。策略性知識有助于提高學(xué)生的元認(rèn)知能力，從而使學(xué)生可以自覺監(jiān)控學(xué)習(xí)過程，培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)的思維習(xí)慣，提高物理思維能力，提煉學(xué)習(xí)方法。

本文以高中物理“電磁感應(yīng)”板塊模型應(yīng)用為例，進(jìn)行模型化教學(xué)案例展示和效果分析，進(jìn)一步完善物理建模教法和學(xué)法的實(shí)踐策略。

１國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國外，關(guān)于物理建模教學(xué)的研究主要是以Ｄａｖｉｄ Ｈｅｓｔｅｎｅｓ的模型教學(xué)理論為基礎(chǔ)展開的，認(rèn)為物理建模是包括建立模型、分析模型和驗證模型的基本認(rèn)知過程。其模型化教學(xué)主要是將課堂內(nèi)容分割成板塊，以情境入手，離析出物理模型，進(jìn)而確定建模的目的和驗證模型的思路，最終經(jīng)過優(yōu)化和修正，形成確定模型，之后再探討將模型應(yīng)用于其他情境。

在國內(nèi)，一線教師關(guān)于物理建模教學(xué)的研究雖然起步晚，但成績卓然。例如，有團(tuán)隊確立了物理建模教學(xué)的五項原則和三維目標(biāo)，提出了學(xué)生建模能力中關(guān)于建模意義、工具、檢測和技巧等的具體目標(biāo)。有團(tuán)隊著眼于中學(xué)物理課堂上具體建模模式的建立，提出了物理建模的不同模式，例如，三階段式，即建立模型、識別模型、應(yīng)用模型；五環(huán)節(jié)式，創(chuàng)設(shè)情境、建模準(zhǔn)備、建立模型、應(yīng)用模型和反饋評價。

但是，關(guān)于物理建模教與學(xué)的案例太少，所以大多數(shù)一線教師認(rèn)為，在現(xiàn)有體制下，學(xué)生需要著重提高的應(yīng)該是識別和應(yīng)用模型的能力。學(xué)生的困境主體來自模型應(yīng)用過程的非模型化，建模結(jié)果和應(yīng)用過程嚴(yán)重脫節(jié)。本文展示模型應(yīng)用過程的模型化教學(xué)的案例，期待對高中物理一線教學(xué)有一定的參考價值。

２模型化教學(xué)模式

模型化應(yīng)用在高中階段大多是以習(xí)題課的形式完成的，習(xí)題課上，有些教師只是單純地講一些練習(xí)題，學(xué)生只是學(xué)到了零碎的、散點(diǎn)式的知識，無法習(xí)得網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的、系統(tǒng)的方法。如果將各種分支類型的題目同時展現(xiàn)出來，讓學(xué)生加以分辨，學(xué)生能更深刻、完整地把握類似問題間的條件和邊界，從而提煉更簡潔統(tǒng)一的方法，最終才能培養(yǎng)出深層次的、策略性的思維習(xí)慣。模型應(yīng)用過程實(shí)現(xiàn)了這些目標(biāo)，才能減輕學(xué)生面對新問題束手無策的窘迫。為此，我們對模型應(yīng)用的過程采取模型化教學(xué)，并以五環(huán)節(jié)模式展開，如圖1所示。

３模型化教學(xué)過程展示——“電磁感應(yīng)”板塊模型應(yīng)用

３．１主題情境展示

教師提問：發(fā)電機(jī)最早是誰發(fā)明的？發(fā)電機(jī)的基本原理是什么？最早的發(fā)電機(jī)長什么樣子？現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)大致分為哪兩類？

學(xué)生活動：整理課前預(yù)習(xí)查閱的資料并回答。答案基本上是準(zhǔn)確的：最早的發(fā)電機(jī)是由法拉第發(fā)明的，基本原理是電磁感應(yīng)，現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)分為交流發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)。

設(shè)計意圖：檢查學(xué)生預(yù)習(xí)的結(jié)果，完成有關(guān)電磁感應(yīng)應(yīng)用方面科學(xué)史的教學(xué)目標(biāo)，順利引出電磁感應(yīng)基本模型的復(fù)習(xí)。

３．２基礎(chǔ)模型復(fù)習(xí)

教師提問：電磁感應(yīng)的兩種本質(zhì)是什么？基本算法有哪些？切割法計算的要點(diǎn)是什么？

學(xué)生活動：回憶上節(jié)課所學(xué)知識并作答，兩種本質(zhì)指的是感生和動生；基本算法有兩個，電磁感應(yīng)定律法和切割法；切割法計算的要點(diǎn)是三個物理量必須滿足三垂直。

教師展示問題１：如圖2所示，導(dǎo)體ａｂ是金屬線框的一個可動邊，ａｂ邊長Ｌ＝０．４ ｍ，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ＝０．１ Ｔ，當(dāng)ａｂ邊以速度ｖ＝５ ｍ/ｓ向右勻速移動時，感應(yīng)電流的方向如何？感應(yīng)電動勢的大小是多少？

學(xué)生活動：獨(dú)立思考，分析并解答問題，展示答案。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)電磁感應(yīng)相關(guān)知識，以例題的形式展現(xiàn)基本模型——單棒平動切割，為接下來的問題作準(zhǔn)備。

３．３模型細(xì)化

教師展示問題２：如圖3所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ的勻強(qiáng)磁場中，放置有半徑為Ｌ的光滑半圓形導(dǎo)體框架，ＯＣ是可以繞Ｏ在框架上滑動的導(dǎo)體棒，ＯＣ之間連接阻值為Ｒ的電阻，其余電阻不計，當(dāng)ＯＣ能以恒定角速度ω轉(zhuǎn)動時，求回路中的電流大小和方向。

教師提醒：相比于基礎(chǔ)模型，將“平動切割”改成“轉(zhuǎn)動切割”，轉(zhuǎn)動軸平行于磁場卻垂直于導(dǎo)體棒。各點(diǎn)線速度不同時，用中點(diǎn)線速度代替。

教師展示問題３：如圖4所示，有一面積為Ｓ、匝數(shù)為Ｎ、電阻為Ｒ的固定矩形線圈放置在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小恒為Ｂ的旋轉(zhuǎn)磁場中，磁場方向垂直于線框的對稱軸ＯＯ＇。現(xiàn)讓磁場繞ＯＯ＇以角速度ω按圖示方向勻速轉(zhuǎn)動，從圖示位置開始計時，感應(yīng)電動勢隨時間變化的規(guī)律以及感應(yīng)電流的方向如何？

教師提醒：在問題２模型的基礎(chǔ)上，改變了轉(zhuǎn)軸的位置，導(dǎo)體棒ａｂ和ｃｄ繞垂直于磁場且平行于導(dǎo)體棒的軸轉(zhuǎn)動，關(guān)注感應(yīng)電流大小和方向變化的特征和節(jié)點(diǎn)。

教師展示問題４：如圖5所示，Ｎ、Ｓ是永磁鐵的兩極，Ｍ是鐵芯，鐵芯外套著矩形導(dǎo)線圈，線圈繞鐵芯Ｍ的中心軸勻速轉(zhuǎn)動。磁極與鐵芯間形成輻向磁場。從圖示位置開始計時，設(shè)此時電動勢為正值，求線圈中感應(yīng)電動勢ε隨時間ｔ的變化規(guī)律。

教師提醒：相比于問題３中的模型，將“勻強(qiáng)磁場”改成“輻向均勻磁場”，轉(zhuǎn)軸改成了垂直于磁場且平行于導(dǎo)體棒，關(guān)注磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向。

設(shè)計意圖：以問題為基礎(chǔ)，通過改變切割模式和轉(zhuǎn)軸位置實(shí)現(xiàn)模型的細(xì)化。引導(dǎo)學(xué)生將相似問題關(guān)聯(lián)起來，提煉統(tǒng)一的方法。引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)模型出發(fā)，探尋解決實(shí)際問題的方法。

３．４思維過程梳理

教師引導(dǎo)：提醒學(xué)生分析每個問題條件的異同：平動切割和轉(zhuǎn)動切割的區(qū)別；轉(zhuǎn)軸垂直于導(dǎo)體棒和平行于導(dǎo)體棒的區(qū)別；勻強(qiáng)電場和輻向均勻磁場的區(qū)別。提醒學(xué)生關(guān)注這些問題和兩種發(fā)電機(jī)的關(guān)系。提煉每個問題中應(yīng)用到的物理和數(shù)學(xué)思想方法。

學(xué)生提問：直流電和交流電之間的區(qū)別是什么？

教師解答：交流電的大小和方向隨時間周期性變化，正余弦模式為主，而直流電大小和方向不隨時間變化。

設(shè)計意圖：課堂中留下必要的、適當(dāng)?shù)臅r間，供學(xué)生總結(jié)和整理。讓學(xué)生有機(jī)會自行消化問題中的重難點(diǎn)，有機(jī)會提出自己的疑問。

３．５回歸主題情境

模型細(xì)化過程中，導(dǎo)體棒轉(zhuǎn)動切割問題完成后，學(xué)生已經(jīng)意識到了發(fā)電機(jī)發(fā)明過程中用到的關(guān)鍵原理。這一環(huán)節(jié)的設(shè)計旨在讓學(xué)生更明確發(fā)電機(jī)的發(fā)明和電磁感應(yīng)模型應(yīng)用過程之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)課堂前后呼應(yīng)。圖6是學(xué)生在這一環(huán)節(jié)中，利用發(fā)電機(jī)模型和微型手搖發(fā)電機(jī)分析驗證問題３和問題４中結(jié)論的過程。

設(shè)計意圖：在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生不僅成功完成了主題情境中的問題，更體驗到了“豁然開朗”的積極情緒，從而激發(fā)他們努力鉆研的勇氣。

４教學(xué)效果分析

教學(xué)活動結(jié)束一周之后，通過試卷考查１０個實(shí)驗教學(xué)班和１０個對照教學(xué)班共６００名學(xué)生對該知識板塊的學(xué)習(xí)效果。共設(shè)計１２道題，其中選擇題８道，計算題４道。試題考查內(nèi)容設(shè)置如表1所示。

結(jié)果顯示，無論是課堂中原例題的再現(xiàn)，還是在其基礎(chǔ)上的變式，實(shí)驗班的平均分皆高于對照班。在創(chuàng)新題中，實(shí)驗教學(xué)班的平均分更是遠(yuǎn)超對照班。題目的變形程度、創(chuàng)新程度及難度越高，平均分的差值越大。分析每道題得分的方差，結(jié)果顯示，實(shí)驗班和對照班相差不大，證明模型化教學(xué)方案對不同能力層次的學(xué)生都產(chǎn)生了明顯的教學(xué)效果。

５反思與總結(jié)

模型化教學(xué)能夠幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識層次的升華，使原來散落的知識點(diǎn)有了脈絡(luò)和骨架，從而如珍珠一般被串聯(lián)起來；模型化教學(xué)提醒學(xué)生注意知識點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，從而容易被記憶系統(tǒng)儲存；模型化教學(xué)能夠幫助學(xué)生形成對考試題的理性認(rèn)識，學(xué)會對各種類似情境進(jìn)行整合，減少學(xué)生直接經(jīng)驗獲得過程中的時間成本；模型化教學(xué)能夠幫助學(xué)生提煉合理的學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)效率，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，從而可以提高學(xué)生的知識遷移能力。模型應(yīng)用過程模型化教學(xué)，使學(xué)生面對問題時可以更準(zhǔn)確地定位題型，更完整地把握細(xì)節(jié)，分辨條件，減輕學(xué)生面對新題、難題時束手無策的窘迫。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯劉 ""榮）

收稿日期：2024-09-11

作者簡介：馬星科（1989-），男，中學(xué)一級教師，主要從事高中物理教學(xué)工作。