李春來(lái)

(廣東省深圳市紅嶺中學(xué)高中部，廣東 深圳 518049)

綜觀近年高考全國(guó)理綜物理試題,顯著特征是“注重體現(xiàn)學(xué)科本質(zhì),強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查”．其中2017年全國(guó)理綜Ⅱ卷第21題,是一道公認(rèn)的難題,即使在后來(lái)的課堂教學(xué)中,它也是不易突破的難點(diǎn)．那么,該題難在哪里,為什么難,怎樣突破難點(diǎn),它給高中物理課堂教學(xué)帶來(lái)的啟示是什么,等等,這些都是值得廣大教師探尋和反思的地方．下面以該題在課堂教學(xué)中的突破為例,淺談通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究實(shí)現(xiàn)物理建模的方法．

1 試題回放

某學(xué)生自制的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)示意圖如圖1所示．矩形線(xiàn)圈由一根漆包線(xiàn)繞制而成,漆包線(xiàn)的兩端分別從線(xiàn)圈的一組對(duì)邊的中間位置引出,并作為線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)軸．將線(xiàn)圈架在兩個(gè)金屬支架之間,線(xiàn)圈平面位于豎直面內(nèi),永磁鐵置于線(xiàn)圈下方．為了使電池與兩金屬支架連接后線(xiàn)圈能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),該學(xué)生應(yīng)將

(A) 左、右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆都刮掉.

(B) 左、右轉(zhuǎn)軸上下兩側(cè)的絕緣漆都刮掉.

(C) 左轉(zhuǎn)軸上側(cè)的絕緣漆刮掉,右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆刮掉.

(D) 左轉(zhuǎn)軸上下兩側(cè)的絕緣漆都刮掉,右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆刮掉.

[本題答案選(A)、(D)]

圖1 電動(dòng)機(jī)示意圖

2 試題分析與學(xué)生困惑

2.1 有效考查學(xué)科核心素養(yǎng)的好題

作為選擇題中的壓軸題,題干中沒(méi)有任何數(shù)據(jù),也沒(méi)有明確地指出要考查的知識(shí)點(diǎn),給出的是一個(gè)實(shí)際問(wèn)題——課外小制作“自制簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)”．可是絕大部分學(xué)生沒(méi)有做過(guò)這個(gè)“小制作”,該題到底在考什么?

教育部考試中心的“試題分析”指出,該題“考查推理能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?考查內(nèi)容為牛頓運(yùn)動(dòng)定律、安培力、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理、電路的基本知識(shí)”,是“將生活、生產(chǎn)實(shí)際等內(nèi)容納入到情景設(shè)計(jì)中,考查學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為理想模型的能力”．另外,本題告訴我們,實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ部梢砸赃x擇題的形式來(lái)考查．

2.2 學(xué)生的困惑

結(jié)合后來(lái)的課堂教學(xué),筆者對(duì)該題進(jìn)行了深入的研究,訪(fǎng)談了一定數(shù)量不同層次的學(xué)生,調(diào)查和分析學(xué)生不能正確解答題目的原因．結(jié)果顯示,學(xué)生已經(jīng)知道和掌握了解答該題所需要用到的物理概念和物理規(guī)律,在解答常規(guī)習(xí)題中能夠靈活運(yùn)用．但對(duì)于本題,大部分學(xué)生反映“看不懂題”、“不知道題目在說(shuō)什么”,也就是說(shuō)大部分學(xué)生面對(duì)該題呈現(xiàn)出“毫無(wú)思維能力和無(wú)法入手”,本質(zhì)上是學(xué)生無(wú)法有效地建立起直流電動(dòng)機(jī)模型,更談不上深入分析和解答問(wèn)題了．

具體地說(shuō),學(xué)生的困惑有:什么是漆包線(xiàn);圖中的線(xiàn)圈是怎樣纏繞的;為什么磁鐵只有一個(gè)磁極;線(xiàn)圈周?chē)艌?chǎng)的方向是什么樣子的;為什么要刮掉轉(zhuǎn)軸上的漆包線(xiàn);通電情況下,線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源是什么;為什么線(xiàn)圈不能持續(xù)地加速轉(zhuǎn)動(dòng)下去;電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)有什么區(qū)別,等等．

3 落實(shí)核心素養(yǎng),突破高考難題

高考試題的特點(diǎn)和變化趨勢(shì)是中學(xué)課堂教學(xué)的風(fēng)向標(biāo),在教學(xué)中如何有效地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力,如何落實(shí)核心素養(yǎng)呢?

3.1 緊扣物理觀念,認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)靜態(tài)物質(zhì)模型,體會(huì)建構(gòu)物理模型的一般方法

學(xué)生不僅要知道、理解物理知識(shí),而且要將所學(xué)的各個(gè)物理知識(shí)整合起來(lái),形成對(duì)物理世界原理性、規(guī)律性的認(rèn)識(shí),即物理觀念．客觀上,學(xué)生的生活實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)很少,更多的是紙上談兵,綜合能力弱,所以導(dǎo)致對(duì)于簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型不能有效地建立起來(lái)．鑒于此,筆者通過(guò)三個(gè)展示環(huán)節(jié),讓學(xué)生觀察實(shí)物,分析其物理特征,從而幫助學(xué)生建模．

圖2 漆包線(xiàn)

展示1:教師展示粗細(xì)不同的漆包線(xiàn)實(shí)物,如圖2．讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到涂有絕緣漆的銅導(dǎo)線(xiàn)是不導(dǎo)電的,絕緣漆的作用是使多匝線(xiàn)圈的各匝之間接觸但絕緣,漆包線(xiàn)在連接到電路中之前需要先刮掉絕緣漆．

展示2:教師展示強(qiáng)磁鐵,讓學(xué)生體會(huì)到強(qiáng)磁鐵體積很小卻具有很強(qiáng)的磁性,如圖3、圖4所示．并經(jīng)過(guò)分析得出,強(qiáng)磁鐵磁極正上方近似看作勻強(qiáng)磁場(chǎng),即可看做線(xiàn)圈處于豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中．也可以用蹄形磁鐵替代題目中的強(qiáng)磁鐵,線(xiàn)圈處于蹄形磁鐵的兩極之間．

圖3 支架和強(qiáng)磁鐵 圖4 線(xiàn)圈和蹄形磁鐵

展示3:教師展示導(dǎo)電的金屬支架、電源、導(dǎo)線(xiàn),分析原題圖中通電后的線(xiàn)圈各邊在磁場(chǎng)中所受安培力的方向,引導(dǎo)學(xué)生分析線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源．

通過(guò)一系列的實(shí)物展示和分析,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)實(shí)體,體會(huì)建構(gòu)物理模型的一般方法,即物理建模過(guò)程就是把實(shí)際的情景或問(wèn)題,通過(guò)抓住主要因素,忽略次要因素,排除無(wú)關(guān)因素,將其簡(jiǎn)化為容易分析和研究的理想物理模型．

3.2 立足科學(xué)思維,進(jìn)行深入的理論探究,嘗試構(gòu)建電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程模型

圖5 木質(zhì)的線(xiàn)圈模型

為了直觀方便地探究,教師事先制作一個(gè)大的替代線(xiàn)圈的木質(zhì)模型,長(zhǎng)40 cm、寬25 cm,如圖5所示．

探究1:如果將線(xiàn)圈的左、右轉(zhuǎn)軸上下兩側(cè)的絕緣漆都刮掉,分析線(xiàn)圈的運(yùn)動(dòng)情況．線(xiàn)圈中的電流方向是不變的,左右兩側(cè)導(dǎo)線(xiàn)受到的安培力沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)效果;線(xiàn)圈上下邊導(dǎo)線(xiàn)受力水平、方向相反,具有使線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩;在前1/4周內(nèi)線(xiàn)圈加速轉(zhuǎn)動(dòng),第二個(gè)1/4周內(nèi)線(xiàn)圈減速轉(zhuǎn)動(dòng),即使忽略摩擦阻力,由對(duì)稱(chēng)性可知,線(xiàn)圈只能在半周范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)線(xiàn)圈完整持續(xù)的圓周運(yùn)動(dòng)．

探究2:如果只將線(xiàn)圈的左、右轉(zhuǎn)軸下側(cè)的絕緣漆都刮掉,通過(guò)分析可知,通電后線(xiàn)圈在第1個(gè)1/4周內(nèi)線(xiàn)圈加速轉(zhuǎn)動(dòng),第2個(gè)和第3個(gè)1/4周內(nèi)線(xiàn)圈上無(wú)電流而不受安培力,但由于慣性會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),第4個(gè)1/4周內(nèi)安培力使線(xiàn)圈繼續(xù)加速轉(zhuǎn)動(dòng)．這樣線(xiàn)圈就持續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)下去了.

探究3:線(xiàn)圈是否會(huì)持續(xù)地加速轉(zhuǎn)動(dòng)下去,即越轉(zhuǎn)越快呢?首先,轉(zhuǎn)軸較光滑,線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦阻力可以忽略不計(jì)．其次,線(xiàn)圈低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),空氣阻力較小,可以忽略;線(xiàn)圈高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),會(huì)有較明顯的阻力,這是影響線(xiàn)圈持續(xù)加速轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)因素．第三,線(xiàn)圈在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,切割磁感線(xiàn),會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),在穩(wěn)恒電源的條件下,反電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電流的持續(xù)增大．最終,線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定的角速度而近似勻速轉(zhuǎn)動(dòng)．

探究4:引導(dǎo)學(xué)生分析電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)在構(gòu)造和工作原理上的聯(lián)系與區(qū)別．電動(dòng)機(jī)是因電而動(dòng),是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程;常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)是因動(dòng)而電,是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程．雖然兩者都是線(xiàn)圈繞垂直于磁場(chǎng)的軸轉(zhuǎn)動(dòng),但能量轉(zhuǎn)化的方向恰好相反．通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比交流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的聯(lián)系與區(qū)別,可以幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)的物理概念和規(guī)律,加強(qiáng)對(duì)模型本質(zhì)的認(rèn)識(shí)．

3.3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,學(xué)生親自制作簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)

理論分析的正確與否需要經(jīng)過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn),理論聯(lián)系實(shí)際才是做學(xué)問(wèn)的科學(xué)態(tài)度．教師給學(xué)生提供相關(guān)的器材,指導(dǎo)學(xué)生以小組為單位進(jìn)行纏繞線(xiàn)圈、制作支架、刮掉轉(zhuǎn)軸上的絕緣漆、調(diào)試改進(jìn)等等,并讓學(xué)生觀察題目中給出的4個(gè)不同選項(xiàng)方案的真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果,讓學(xué)生體驗(yàn)到動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作的快樂(lè)、成功的喜悅．讓學(xué)生知道親自動(dòng)手制作和實(shí)驗(yàn)嘗試不同方案,也是研究物理問(wèn)題的一種方法．

操作建議:取線(xiàn)圈長(zhǎng)寬約為4 cm×3 cm,也可以嘗試用不同尺寸的線(xiàn)圈,如圖6所示.考慮到轉(zhuǎn)軸的支撐強(qiáng)度,漆包線(xiàn)選用直徑為1 mm的為宜;線(xiàn)圈纏繞2～3匝;可以用穩(wěn)壓電源串聯(lián)一個(gè)小電珠后接到支架上,給簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)供電,這時(shí)電動(dòng)機(jī)半周通電、半周不通電的特點(diǎn)就通過(guò)小燈泡的周期性閃爍體現(xiàn)出來(lái)了．如圖7所示的裝置就是選用了14 V穩(wěn)壓電源和額定電壓為12 V的小電珠,效果很好．

圖6 不同尺寸的線(xiàn)圈

圖7 電路實(shí)物圖

3.4 滲透科學(xué)態(tài)度和責(zé)任,感悟物理學(xué)習(xí)的方法和躬身實(shí)踐的意識(shí)

常言道： “紙上得來(lái)終覺(jué)淺,覺(jué)知此事要躬行”．通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這道試題的研究,讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到物理研究絕不只局限于紙面上的計(jì)算,細(xì)心觀察和親自動(dòng)手實(shí)踐也是重要的方式;讓學(xué)生明白“會(huì)做卷面上的習(xí)題并不代表學(xué)好了物理,會(huì)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題、學(xué)以致用才是根本”．在教學(xué)中,教師要重視培養(yǎng)學(xué)生探究生活、生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)中物理現(xiàn)象與原理的興趣,提高動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí),形成正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任．

4 實(shí)驗(yàn)探究是培養(yǎng)學(xué)生物理模型建構(gòu)能力的重要途徑

普通高中《課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)對(duì)物理課程培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題和建模能力的要求提到了歷史新高度．例如《課程標(biāo)準(zhǔn)》在“課程目標(biāo)”中指出高中物理課程培養(yǎng)目標(biāo)包括“能夠解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題”“具有建構(gòu)模型的意識(shí)和能力”等;學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的5個(gè)等級(jí)描述中,都有對(duì)“物理建?！彼降拿枋?如學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4中強(qiáng)調(diào)“能將實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型”等等．“物理模型”或“物理建模”一詞由舊課標(biāo)的隱性蘊(yùn)含到新課標(biāo)的顯性提出,它是物理核心素養(yǎng)的具體要求．

通過(guò)本文所述的運(yùn)用物理實(shí)驗(yàn)有效突破高考難題的教學(xué)案例可知,應(yīng)用物理知識(shí)解決具體問(wèn)題應(yīng)結(jié)合實(shí)際情境,創(chuàng)設(shè)有趣的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性,能夠幫助學(xué)生有效地建構(gòu)物理模型．所以,教學(xué)中應(yīng)當(dāng)重視科學(xué)探究,開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)建模能力,從而落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展．