黃鎮(zhèn)宇

摘? ?要：中學(xué)物理教學(xué)需要建構(gòu)各種不同的力學(xué)、電學(xué)模型。教師按照模型學(xué)習(xí)的路徑，引導(dǎo)學(xué)生遵循“參與、體驗(yàn)、分析、抽象建構(gòu)模型;多角度推理、論證、質(zhì)疑，驗(yàn)證、修正模型;在模型拓展、應(yīng)用等過(guò)程中深化模型”這一學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行教學(xué)，提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：模型建構(gòu);科學(xué)思維;一桿多模

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2022）6-0014-5

學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中會(huì)產(chǎn)生種種錯(cuò)誤概念，教師可以通過(guò)設(shè)置情境激發(fā)認(rèn)知沖突，從而發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯(cuò)誤概念。教師要善于將學(xué)生的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。問(wèn)題引導(dǎo)是通向高效課堂的鑰匙，問(wèn)題可以引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究知識(shí)。通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)促進(jìn)學(xué)生參與模型建構(gòu)、論證和修正、模型應(yīng)用等過(guò)程，掌握本質(zhì)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤概念的轉(zhuǎn)化。海斯特納提出，一般的物理建模教學(xué)過(guò)程包含三個(gè)階段：建立模型、檢驗(yàn)和完善模型、應(yīng)用模型，三個(gè)階段形成一個(gè)建模教學(xué)環(huán)[1]。建模教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)、提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力的有效途徑。本文以金屬桿的多重電學(xué)模型建構(gòu)為例，初探如何通過(guò)物理建模教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。

1? ? 創(chuàng)設(shè)情境，激疑引思

情境1：隨著科技的發(fā)展，各類機(jī)器人層出不窮，而驅(qū)動(dòng)這些機(jī)器人的正是大量的電機(jī)。我們利用如圖1所示的電路測(cè)量某直流電動(dòng)機(jī)的電流、電壓，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。

學(xué)生質(zhì)疑：當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，可視為電阻模型，由數(shù)據(jù)可得其電阻r=5.0 Ω。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，①電動(dòng)機(jī)的線圈就是電阻，為什么U≠Ir？為什么還有除Ir之外的電壓呢？②U-Ir表示什么？③為什么（U-Ir）I代表電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率？

猜想：這可能和線圈在磁場(chǎng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)。

學(xué)生產(chǎn)生上述幾個(gè)問(wèn)題的根源可能是對(duì)線圈在電路中的作用認(rèn)識(shí)片面，建構(gòu)的模型是錯(cuò)誤的。我們以認(rèn)知沖突為依托，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望[2]，基于學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，從金屬桿在磁場(chǎng)中的多重模型建構(gòu)開(kāi)始探究。

2? ? 參與、體驗(yàn)、分析、抽象建構(gòu)模型

情境2：如圖2所示，電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)電阻為R的電源與單刀雙擲開(kāi)關(guān)的1接線柱連接，定值電阻R與開(kāi)關(guān)的2接線柱連接。水平光滑軌道足夠長(zhǎng)，軌道間距為L(zhǎng)。軌道所在區(qū)域加一方向豎直向下、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。質(zhì)量為m的金屬桿長(zhǎng)度略大于L，垂直放置在軌道上，其軌道間電阻為r。其余電阻不計(jì)。

根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知情況設(shè)置難度不斷增加、桿的模型各異的進(jìn)階任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)、拾階而上。和教材一致，為了方便，可以認(rèn)為金屬桿中的自由電荷是正電荷。

任務(wù)1：開(kāi)關(guān)S與1接線柱連接，用水平拉力使金屬桿保持靜止?fàn)顟B(tài)。建構(gòu)此時(shí)桿和電路的模型，求拉力大小。

任務(wù)2：開(kāi)關(guān)S與2接線柱連接，對(duì)桿施加水平向右的恒力F。建構(gòu)金屬桿速度穩(wěn)定時(shí)桿和電路的模型，求桿的穩(wěn)定速度。

任務(wù)3：開(kāi)關(guān)S與1接線柱連接，將金屬桿從靜止開(kāi)始釋放。建構(gòu)金屬桿加速過(guò)程中桿和電路的模型，求桿的最大速度。

2.1? ? 分析內(nèi)因、外因，初步建模

電路元件的主要模型有理想電源、純電阻、純電感、純電容、理想變壓器等，它們都屬于性能模型。這些性能模型主要是通過(guò)抽象和理想化等科學(xué)思維，根據(jù)物理對(duì)象在性能方面的特征而建構(gòu)的物理模型[1]。在實(shí)際問(wèn)題的處理中，我們經(jīng)常用到由它們組成的關(guān)聯(lián)模型。如有內(nèi)阻的電源可以看作理想電源和純電阻的串聯(lián)。

根據(jù)情境，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組交流等形式分析金屬桿的內(nèi)、外因素。金屬桿的內(nèi)部因素，如材料、長(zhǎng)度、粗細(xì)等。金屬桿的外部因素，如光滑軌道、磁場(chǎng)、外部電路等。桿的電學(xué)模型建構(gòu)和桿的受力、運(yùn)動(dòng)情況緊密相連。

2.2? ? 以純電阻模型為起點(diǎn)，探討模型建構(gòu)、應(yīng)用路徑

任務(wù)1中桿的電阻模型學(xué)生非常熟悉，教師借此引導(dǎo)學(xué)生回顧力學(xué)模型建構(gòu)和電阻模型建構(gòu)過(guò)程，通過(guò)師生、生生互動(dòng)設(shè)計(jì)表格（表2）。建立金屬桿電學(xué)模型建構(gòu)、論證、應(yīng)用的基本路徑：①分析內(nèi)因、外因，初建模型;②從宏觀和微觀、力和能量等角度，論證、修正模型;③建構(gòu)完整電路模型;④模型運(yùn)用。

任務(wù)1的模型建構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但從進(jìn)階學(xué)習(xí)的角度為學(xué)生后續(xù)建模搭建第一個(gè)“階”。桿的宏觀和微觀、力和能量等各方面是息息相關(guān)的，全面分析有助于發(fā)現(xiàn)本質(zhì)規(guī)律，為分析、驗(yàn)證模型提供有力證據(jù)。通過(guò)問(wèn)題解決讓學(xué)生充分體驗(yàn)其中大量的建模過(guò)程，經(jīng)歷分析、抽象、概括等思維過(guò)程，提高學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)。

3? ? 多角度推理、論證、質(zhì)疑，驗(yàn)證、修正模型

3.1? ? 問(wèn)題引導(dǎo)，多角度推理、論證、驗(yàn)證金屬桿的電源（發(fā)電機(jī)）模型

任務(wù)2中的金屬桿建構(gòu)什么電學(xué)模型呢？學(xué)生可能猜想“金屬桿仍視為純電阻模型”，也可能質(zhì)疑并猜想“金屬桿切割磁感線產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，應(yīng)該視為電源模型”。

通過(guò)初步建模中的猜想、質(zhì)疑，培養(yǎng)學(xué)生物理研究中的科學(xué)態(tài)度，具體問(wèn)題具體分析。

3.1.1? ? 從宏觀角度探究

3.1.2? ? 從微觀角度探究，探尋宏觀和微觀的自洽

3.2? ? 問(wèn)題引導(dǎo)，多角度推理、論證、質(zhì)疑、修正金屬桿的電動(dòng)機(jī)模型

在任務(wù)3的金屬桿電學(xué)模型建構(gòu)過(guò)程中，學(xué)生產(chǎn)生了諸多猜想、質(zhì)疑、修正、創(chuàng)新。有的學(xué)生認(rèn)為，既然桿在切割磁感線，那么桿應(yīng)視為電源模型。有的學(xué)生認(rèn)為，因?yàn)殡娐分幸呀?jīng)有電源，所以桿不應(yīng)視為電源模型，仍是電阻模型。有的學(xué)生認(rèn)為，桿產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流方向相反，是（反向）動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)。此時(shí)，金屬桿適合建構(gòu)什么模型呢？這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)歷了評(píng)價(jià)、質(zhì)疑、創(chuàng)新等高階思維過(guò)程，經(jīng)歷深度學(xué)習(xí)。

3.2.1? ? 從宏觀角度探究

3.2.2? ? 從微觀角度探究，探尋宏觀和微觀的自洽

4? ? 舉一反三、融會(huì)貫通，在模型拓展、應(yīng)用等過(guò)程中深化模型

4.1? ? 運(yùn)用電源模型，豐富對(duì)閉合電路歐姆定律的認(rèn)知

4.2? ? 運(yùn)用電動(dòng)機(jī)模型，解決電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)中的質(zhì)疑和猜想

4.3? ? 綜合運(yùn)用金屬桿的模型解決復(fù)雜問(wèn)題

情境3：如圖6所示，光滑、水平、足夠長(zhǎng)的軌道間距為L(zhǎng)。金屬桿1、2的質(zhì)量分別為m1、m2，電阻分別為R1、R2，垂直放置在軌道上。整個(gè)裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。其余電阻不計(jì)，不計(jì)空氣阻力?，F(xiàn)使桿1以v0的初速度開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)，桿2由靜止開(kāi)始釋放。

5? ? 結(jié)? 語(yǔ)

通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)和問(wèn)題引導(dǎo)，學(xué)生主動(dòng)參與金屬桿建模過(guò)程的體驗(yàn)，領(lǐng)悟到力學(xué)和電學(xué)建模結(jié)果完全不同，但過(guò)程是相似的。教師在課堂中根據(jù)學(xué)情靈活設(shè)疑激思，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，通過(guò)追根溯源，揭示本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展并獲得了認(rèn)知水平的提高。問(wèn)題解決過(guò)程中不斷利用力、動(dòng)量、功、能量轉(zhuǎn)化等知識(shí)進(jìn)行分析、推理、論證，既提高了學(xué)生科學(xué)探究和科學(xué)思維素養(yǎng)，也提升了學(xué)生的運(yùn)動(dòng)和相互作用觀、能量觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡鐵權(quán)，梅尹.模型、建模與物理教學(xué)[J].物理教學(xué)，2013，35（8）：4-10.

[2]余嘉懿，尹文慧，張軍朋.重視情境創(chuàng)設(shè)? 落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)——以“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”為例[J].物理教學(xué)探討，2021，39（2）：77-80.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）