高中物理“六環節四要點”模型教學實施路徑探究

摘 要：進階式的模型教學能分層搭建“臺階”，有效突破學生在物理學習中存在的程序性知識缺乏迭代、關鍵能力運用鈍化等痛點。本研究提出“六環節四要點”模型教學方式，基于物理模型的科學性、系統性、發展性和局限性，提煉生長點、沖突點、探究點、素養點等四要點，結合學情分析、教材分析、目標設定、問題導學、模型助學、反饋評價等六環節，構建“六環節四要點”模型教學進階式教學路徑，以《力的分解》為例，通過真實情境創設、實驗探究和模型建構，引導學生從問題簡化、分力方向分析到多模關聯應用，逐步實現知識結構化與素養進階。

關鍵詞：物理模型；模型教學；六環節；四要點；課堂要素

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2025）08-0097-04

傳統課堂往往關注陳述性知識，注重訓練學生按部就班地運用知識，導致學生只建立了具體表征，但是知識零星不成體系，思維僵化程度高，遺忘速度快，科學思維并沒有獲得發展；有的教學雖以問題導學，注重形成核心方法，立意很高，可是實施很難。根據建構主義的學習理論和科學研究方法論探究其原因，主要是未讓學生形成高度概括的圖式和樣例，從認知起點到一般問題解決跨度太大，僅靠問題鏈難以有力支撐概念進階，因而導致物理素養培養無枝可依、后勁不足。可見，只以問題作為“腳手架”仍舊難以形成問題圖式，還需要模型來搭好“臺階”。物理模型作為結構化的知識和能力小單元，能幫助學生在解決問題過程中實現“化繁為簡、化生為熟、化難為易”。而模型教學包含模型的觀察、建構、應用和遷移四個階段，能幫助學生提升建模能力，有效突破程序性知識缺乏迭代、關鍵能力運用鈍化的普通高中物理學習痛點，使學生形成良好的認知策略，培養物理學科核心素養。

本研究以建構主義學習理論為指導，從模型本身的四大特質出發，找準能夠促進學生實踐信息加工和意義建構的四個模型教學要點，采用“5W1H”分析法梳理模型教學運行機制，提煉出高中物理“六環節四要點”模型教學方式。

一、“六環節四要點”模型教學方式的含義及實施路徑

物理模型是在研究和解決物理學問題時，舍棄次要因素，抓住主要因素，進而建立的概念模型［1］。它具有科學性［2］、系統性、發展性、局限性［3］等特點。

物理模型特性與模型課堂設計要點關系如圖1所示。模型的科學性與發展性特點指向模型教學中的“生長點”。在模型教學之初，教師應該根據學情分析與教材分析，聚焦“生長點”明確“學習主體（Who）”和“為什么學（Why）”，設定學習目標。

模型的局限性與系統性能夠激發模型教學中的“沖突點”。圍繞“沖突點”創設情境，引導學生提出問題，明確“學什么（What）”。

模型的科學性與系統性形成了模型教學中應聚焦的“探究點”。根據“探究點”拆分任務，據此確定“怎么學（How）”“何處學（Where）”“什么學習階段（When）”。教師設置驅動問題且提供認知支架，助力學生自主建模、實施探究、驗證并表征模型。

模型的發展性與局限性將造就模型教學中的素養點。以結果為導向，找準“學到什么程度”進行評價與反饋，從而實現知識系統化、思維系列化、方法模型化、策略歸元化的素養進階。

高中物理“六環節四要點”模型教學方式，是以美國學者哈倫（Halloun）提出的“模型選擇—模型建構—模型驗證—模型分析—模型拓展”建模教學流程［4］為基礎，聚焦模型教學的生長點、探究點、沖突點和素養點，實施“學情分析—教材分析—目標設定—問題導學—模型助學—反饋評價”六環節的教學流程（如圖2所示）。模型教學過程也不是線性的，需要不斷構建與優化，如果反饋評價發現模型建構能力水平不佳，則繼續創設新情境或選取新問題［5］，繼續開展模型助學，持續完善問題解決圖式。

二、基于高中物理“六環節四要點”模型教學方式的“力的分解”教學設計

生活中的物理情境幾乎都可以構建出相應的物理模型，再結合力的分解和合成來分析與解決相應的問題。學生此前學過的輕繩、輕桿、輕彈簧和剛性支持面等模型也在分析實際問題中關聯起來，促進學生從SOLO理論中的單點結構上升到多點結構甚至關聯結構層次。而通過建立物理模型，也能夠將抽象的力的分解過程具象化。因此，選取“力的分解”為例探討高中物理“六環節四要點”模型教學方式的實施具有較高的研究價值。

（一）聚焦生長點，分析學情和教材

“力的分解”內容選自人教版教科書物理必修第一冊第三章第五節。力的合成和分解是矢量學習的入門，是受力分析和解決問題的重要工具［6］。等效替代思想為位移、速度、加速度等矢量的分解奠定了基礎。學生已經掌握了力的概念及受力分析的基本方法，學習了力的合成及平行四邊形定則，知道了等效替代的思想方法。因此，本節課的重點是讓學生體會如何按力的作用效果分解力。

本節的情境與生活聯系緊密，建模難度較低，教師可以結合實驗循證，歸納分解規律，再運用到新情境中解決新問題。解決這類問題的核心是將三維情境中的受力分析分解降維到共面甚至共線的情況，實現化繁為簡。考慮到學生學習過質點、勻變速直線運動等模型，他們的物理模型構建水平處于水平2——能在熟悉的問題情境中運用常見的物理模型［7］。因此，本節模型教學的生長點可以確定為從單一連接體模型拓展到關聯模型，受力從原來的一維拓展到多維。教師在設計教學環節時應有意識地創設情境，結合演示實驗，讓學生在觀察、探究過程中發展觀察能力和提取關鍵相似點、忽略次要因素的建構模型的能力，最終在情境中識別模型并運用模型解決問題。

（二）聚焦沖突點，創設情境并提出問題

環節一：創設情境1，激趣引入。

教師活動：播放視頻1。昨天老師的車陷在淤泥中，旁邊只有一棵樹，車上只有拖車繩，車重1.5噸。同行的兩位男老師嘗試在車尾用力推車，但是沒推動。

師：（提出問題）大家能不能想想辦法，把車拖出來？

學生活動：學生紛紛提出方案，如利用杠桿、省力滑輪，以及多找些人等。

教師活動：播放視頻2。實驗員把拖車繩綁到樹干上后走到樹和車中間，輕松地拉動繩子，車便被拉動了。

學生活動：學生疑惑，提出問題。實驗員為什么能輕松把車拉動呢？

設計意圖：利用生產生活中“四兩撥千斤”的情境，設置實驗事實與前概念沖突，提出原始問題，激發學生的求知欲，引入新課。

（三）聚焦探究點，任務驅動促模型助學

環節二：拆解問題，任務驅動。

師：要想回答實驗員為什么能夠“四兩撥千斤”這個問題，我們應該怎么探究？

生1：探究繩給車的力與實驗員給繩的力的大小有什么關系。

生2：探究繩給車的力與實驗員給繩的力的方向有什么特點和關聯。

師：我們沒辦法到現場實地測量數據，該怎么辦？

生1：建模并采用實驗室儀器模擬情境，開展實驗探究，得到理論結果后如果條件允許再去實地驗證。

生2：利用粗糙滑塊等效替代汽車、細繩替代拉車繩、鐵架臺替代樹干，鐵架臺上的細繩可以拴接力傳感器測量繩給車的拉力，用另一個力傳感器等效替代實驗員。

學生活動：采用生2提出的方案分組探究，完成建模。學生分組開展實驗探究，記錄兩個力傳感器的示數，用兩點法標記記錄兩個力的方向。運用力的圖示表征繩給車的力與實驗員給繩的力的關系，發現遵循平行四邊形定則，且繩給車的力遠大于實驗員給繩的力。

教師活動：演示實驗，直接拉木塊使之運動。

師：像這樣，如果原來幾個力產生的效果跟一個力產生的效果相同，這個力就叫作那幾個力的合力。求幾個力的合力叫作力的合成。幾個力共同作用的效果如果跟原來一個力產生的效果相同，我們就說這幾個力就叫作原來那一個力的分力。那么，求一個已知力的分力就叫作力的分解。

師：力的分解和合成有什么關系？

生：互為逆運算。

師：力的分解遵循什么原則？

生：平行四邊形定則。

師：注意，力的分解中合力真實存在，而分力不存在。力的合成是已知鄰邊求對角線，力的分解是已知什么求什么？

生：已知對角線求鄰邊。

師：如果沒有其他限制，對同一對角線，能夠作出多少個不同的平行四邊形？

生：無數個。

設計意圖：學生經歷提取真實問題中的關鍵要素進而建構模型的過程，自主開展實驗探究，體會科學態度與責任；歸納物理概念，進一步滲透等效替代思想，使學生形成物理觀念。

環節三：模型建構，驗證提煉。

師：實際分解力時如何分解呢？

生：按力的作用效果。

教師活動：創設情境2。早上老師拉著行李箱返校。老師對行李箱的拉力有怎樣的作用效果？可以分解為哪兩個分力呢？

學生活動：提取模型。人在水平面拉著行李箱的情境，可以等效成水平面上的小物塊受一個斜向上的拉力。

教師活動：提供學習材料。提供兩個有橫桿的鐵架臺、一個自制的PVC支持面（較軟，易發生形變），引導學生用它們觀察斜拉木塊時支持面的變化。

學生活動：進行半定量實驗探究1——“拉力有什么效果？”。生1觀察發現，相比物塊靜止在支持面上的時候，有斜向上拉力情況下支持面不那么彎曲，說明拉力具有上提的作用。生2觀察發現，木塊往前運動，說明拉力有向前拉的作用。學生進而利用圖像表征，將拉力分解為沿水平向前和豎直向上的兩個分力。

師生活動：師生總結按力的效果進行力的分解的基本步驟。1.分析力產生的效果；2.由力的效果確定分力的方向，用虛線畫出兩個分力的方向；3.以兩個分力的方向為鄰邊作平行四邊形，確定兩條鄰邊的長，用帶箭頭的實線表示分力；4.計算分力的大小。

設計意圖：從新情境中確定研究對象，建立水平面滑塊模型。利用PVC自制軟平面讓學生直觀觀察到支持面形變，明確拉力的作用效果。確定分力方向，總結分解規范，形成具有系統性的知識。掌握使用圖像表征合力與分力關系的方法。

環節四：模型鏈接，方法檢驗。

教師活動：展示滑梯和引橋的圖片，創設情境。

師：同學們有沒有玩過過山車、滑梯？是不是越陡越刺激？但是大橋越平緩越使人放心。這是為什么呢？你能不能利用力的分解的知識解釋一下？

學生活動：提取模型，分析其中一截。忽略弧度影響，可以將過山車軌道、滑梯、橋面看成是斜面，游玩過山車、滑梯或車輛過橋相當于一個小木塊在斜面上運動。

師：重力在這個情景里面有什么效果呢？

學生活動：開展體感實驗1。用手掌托住課本模擬斜面，增大傾斜程度體會重力的作用效果，畫出分力方向。

生：一開始水平，書壓在手上；隨著傾角增大，書變輕、下滑。重力讓書緊貼手面，又讓書沿著手下滑。

學生活動：開展半定量實驗探究2。1.托住小物塊保持軟斜面平直，釋放滑塊，滑塊下滑。說明重力的一個分力使物體下滑——這個力的方向沿斜面向下。2.托住斜面上端，觀察斜面形變情況，釋放滑塊，滑塊下滑時斜面彎曲。說明重力的另一個分力使物體緊貼斜面——其方向垂直斜面向下。模型圖像表征如圖3所示。

[G1=Gsin[θ]

G2=Gcos[θ]]

師：G2是壓力嗎？

生：不是，是重力的分力。

師：斜面傾斜角θ越大，G1、G2怎么變？

生：G1越大，G2越小。

師生活動：歸納得出結論。高大的橋要造很長的引橋，目的是減小車沿斜面方向的分力G1，使得上橋容易、下橋安全；為獲得更刺激的游玩體驗，過山車和滑梯需要傾斜角較大。

設計意圖：給出引橋、立交橋、盤山公路、過山車、滑梯等多個情境，讓學生觀察相同點，忽略立交橋可能是環形立交等次要因素，提取斜面模型進行分析，強化模型觀察和提取能力。利用體感探究和自制軟平面演示實驗讓學生直觀觀察分力方向，得到分力表達式后結合數學知識分析變化，解釋實際問題，層層深入。

環節五：多模關聯，形成圖式。

教師活動：展示塔吊圖片（圖略）。

學生活動：提取模型。塔吊上面有繩有桿，并且繩和桿形成三角支架結構、死結模型與活桿模型的結合。

學生活動：開展體感實驗2。如圖4所示，用筆支起繩子，感受手指受的是拉力還是壓力，手掌受的又是什么力。

學生活動：學生展示模型圖像表征（如圖5所示），畫出分力的方向，求兩分力大小。

教師活動：展示港珠澳大橋圖片（圖略）。

師：這個模型還運用在港珠澳大橋上。大橋全長55km，主橋為三座大跨度鋼結構斜拉橋。

學生活動：驗證表征，解決問題。手拉繩這部分簡化成輕繩活結模型。手給繩的拉力可以分解成兩邊拉繩的力，兩分力一樣大。對角線相同時，從作圖可知兩分力夾角越大，鄰邊越長，分力越大。

設計意圖：強化模型觀察能力和信息提取能力，從原始問題中進行問題簡化和物理量純化，經歷模型組合與建模過程。利用體感探究繩桿彈力方向，確定分力效果。展示拉索橋也運用了該模型，使力的分解的知識有效結構化，也使模型建構認知程序化，有效發展學生的物理學科核心素養。最后讓學生觀看港珠澳大橋圖片激發學生的民族自豪感，培養學生觀察生活的習慣。

（四）聚焦素養點，反饋評價顯素養進階

環節六：反思小結，內化知識。

師生活動：課后反思小結，完善認知圖式。對標物理學科核心素養和物理模型建構能力水平劃分，結合過程性評價與形成性評價，進行模型教學的學后診斷［8］。

學生模型認知層次以及對應的素養培養可以分為以下四個層次。

第一層次：模型認知角度建立——“煉”。觀察描述、去“枝”留“干”。解析優化模型要素。

第二層次：模型認知思路形成——“鏈”。分析關聯、歸納檢驗。靶向增強模型鏈接。

第三層次：模型認知方式生成——“聯”。推論聯想、綜合運用。訓練多重模型表征。

第四層次：模型認知策略呈現——“斂”。遷移發散、建模歸納。歸納拓展模型方法。

教學設計與實踐中，采用“六環節四要點”模型教學聚焦“生長點”，分層分類實施課堂教學，為模型學習注入了活力；圍繞“沖突點”，以真實探究為平臺發展科學思維，提升了模型學習的魅力；根據“探究點”，以認知策略為根本，增強了學生模型學習的動力；錨定“素養點”，以學科閱讀為環境提升科學態度和責任，強化了模型學習的實效，發展了學生的物理學科核心素養。

參考文獻

［1］湯守平，謝玉榮.辨析建構物理模型破解實際情境問題［J］.物理通報，2022（06）：60-62.

［2］翟秀蓮，李芳.淺析如何用模型法解決物理問題［J］.科協論壇（下半月），2011（08）：95-96.

［3］蘭俊卿，杜國宏.“電磁場與電磁波”教學中物理模型的構建方法和作用研究［J］.無線互聯科技，2018，15（19）：85-87+93.

［4］MEGOWAN-ROMANOWICZ C，許桂清.物理建模教學模式簡介［J］.物理教師，2011，32（08）：1-3.

［5］劉瑞燕，高守寶.指向物理學科關鍵能力培養的“牛頓第三定律”學歷案設計研究［J］.中學物理，2022，40（21）：4-10.

［6］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.

［7］唐黎明.科學思維素養方面“模型建構”5級水平的表現性任務設計［J］.物理教師，2019，40（07）：34-38.

［8］任文俊.基于模型轉變的高中物理靜電教學例析［J］.廣西教育，2024（17）：131-133+141.

注：本文系2024年度南寧市基礎教育教學成果獎“高中物理‘三模共育’素養培養的創新實踐”的研究成果。

（責編 劉小瑗）

作者簡介：劉瓏，1988年生，廣西柳江人，碩士研究生，高級教師，主要研究方向為物理教學、跨學科融合課程設計。