靳 慧

(江蘇省無錫市第一中學(xué)，江蘇 無錫 214031)

物理模型是人們在研究物理問題時，為了突出問題本質(zhì)而對研究對象進(jìn)行的一種簡化和抽象，建構(gòu)的物理模型要能夠再現(xiàn)一類物理現(xiàn)象的本質(zhì)和內(nèi)在特性?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中指出：模型建構(gòu)是科學(xué)思維的核心要素，[1]因此模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)非常重要。

在高三教學(xué)實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在物理模型建構(gòu)中普遍存在以下問題：一是建構(gòu)的模型缺少縱向聯(lián)系，在強(qiáng)烈的“知識點”情結(jié)下，學(xué)生較少能連續(xù)地歸納整理相互關(guān)聯(lián)的物理模型，更多的是將龐雜而零散的模型散落在不同的章節(jié)記憶中；二是模型的建構(gòu)層次不高，由于在實際的教學(xué)中物理模型是以進(jìn)階方式講授，學(xué)生不會主動地從更高層次去俯瞰和理解模型，下位的模型積累導(dǎo)致對知識體系的認(rèn)識缺少全局觀，往往是“只見樹木不見森林”；三是對模型認(rèn)識的表層化、符號化，對模型的理解難以觸及物理本質(zhì)，難以遷移應(yīng)用，在面對新穎、復(fù)雜的問題時常常在表象的干擾下無所適從。

當(dāng)傳統(tǒng)的以知識點為中心的碎片化教學(xué)不能滿足學(xué)生對模型的深度理解和遷移應(yīng)用的學(xué)習(xí)需求時，基于上位概念和整體架構(gòu)的大觀念，建構(gòu)具有高階性、共通性和廣泛遷移性的物理大模型，將成為教學(xué)品質(zhì)提升的必然選擇。物理大模型是將同類物理現(xiàn)象的零散模型經(jīng)過抽象后的高階模型，能夠向下包容和整合具體的小模型，它深刻反映了模型的物理本質(zhì)。大觀念是概念的有機(jī)整合和抽象概括，比概念更上位，指向具體知識背后的核心本質(zhì)。大觀念通常是跨單元的，所以不同于以往以課時為單位的教學(xué)，以大觀念為中心的教學(xué)需要擴(kuò)展教學(xué)設(shè)計的范疇，對課程內(nèi)容進(jìn)行重新組織，通過聚合大量事實和概念，指向少而精的教學(xué)內(nèi)容，在學(xué)生活動和基本問題的引導(dǎo)下，幫助學(xué)生實現(xiàn)對知識的深度理解，并對其進(jìn)行遷移應(yīng)用。[2]因此，以大觀念為統(tǒng)攝，對具體模型進(jìn)行抽象概括是培養(yǎng)學(xué)生大模型建構(gòu)能力的有效策略。

結(jié)合高中物理模型教學(xué)，在大觀念統(tǒng)攝下提煉大模型的教學(xué)形態(tài)應(yīng)以問題為導(dǎo)向，將問題貫穿整個課堂教學(xué)，通過對不同情境設(shè)置諸如“為什么”和“如何”的問題，引導(dǎo)學(xué)生對物理模型進(jìn)行抽象概括，引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)從“情境”到“問題”、再到對“模型”的深層次理解，培養(yǎng)大模型的建構(gòu)能力。下面以“電磁感應(yīng)中單桿模型”專題復(fù)習(xí)為例，探討以大觀念統(tǒng)攝大模型建構(gòu)的整體教學(xué)設(shè)計。

1 設(shè)置情境和發(fā)散型問題，深度剖析基本模型

如圖1所示，長為L、質(zhì)量為m的導(dǎo)體ab在光滑金屬導(dǎo)軌上以初速度v開始運(yùn)動，導(dǎo)軌所處勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，閉合電路總電阻為R。

圖1

問題1：導(dǎo)體棒做何種運(yùn)動？

設(shè)問目的：分析導(dǎo)體棒的運(yùn)動，復(fù)習(xí)發(fā)電機(jī)模型，同時復(fù)習(xí)感應(yīng)電流的產(chǎn)生、安培力、牛頓第二定律等知識。

答：導(dǎo)體棒在安培力作用下做加速度減小的減速運(yùn)動，最終停止。

問題2：如何計算回路中消耗的電能？有幾種方法？

設(shè)問目的：復(fù)習(xí)產(chǎn)生電磁感應(yīng)時回路中消耗電能的計算。

問題3：為什么導(dǎo)體棒克服安培力所做的功等于回路消耗的電能？

設(shè)問目的：澄清學(xué)生頭腦中的模型疑難點，從微觀角度分析安培力的由來和動生電動勢的產(chǎn)生機(jī)理，加深學(xué)生對于洛倫茲力的理解(圖2)，促進(jìn)他們對模型的深層認(rèn)知。

圖2

答：導(dǎo)體棒中的自由電荷所受洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功，所以克服安培力所做的功在數(shù)值上等于導(dǎo)體棒中所有自由電子所受非靜電力所做的功，非靜電力所做的功即為回路消耗的電能。洛倫茲力通過兩個分力做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，起到“傳遞”能量的作用。

2 加工情境，切換關(guān)聯(lián)模型，辨明模型間的區(qū)別與聯(lián)系

對上述情境進(jìn)行加工，使學(xué)生的模型認(rèn)知發(fā)生切換，在電路中加入電動勢為E的電源(圖3)，導(dǎo)體棒初始時靜止在光滑導(dǎo)軌上，并提出一系列開放性問題。

圖3

問題4：導(dǎo)體棒做何種運(yùn)動？

設(shè)問目的：引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)電動機(jī)模型，他們在人教版高中物理必修第三冊《電能 能量守恒定律》中曾經(jīng)學(xué)過直流電動機(jī)模型，但很少會將其與選擇性必修第二冊《電磁感應(yīng)》中的內(nèi)容相聯(lián)系，以上述方式復(fù)習(xí)電動機(jī)模型，可使學(xué)生深刻理解電動機(jī)模型的本質(zhì)。

問題5：當(dāng)導(dǎo)體棒速度為v時，安培力做功的功率是否等于電源的電功率？

設(shè)問目的：提醒學(xué)生不要直接套用“克服安培力做功功率等于電源的電功率”的結(jié)論而出現(xiàn)錯解，通過功率的計算認(rèn)識能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

問題6：通過安培力做功，能量轉(zhuǎn)化情況如何？

設(shè)問目的：進(jìn)一步追問安培力做功的功率與電源的電功率不相等的原因。

答：由上述三個功率的計算可知：在電動機(jī)模型中安培力所做的功等于與反電動勢相關(guān)的電能消耗。

問題7：為什么安培力做功中等于與反電動勢相關(guān)的電能消耗？

設(shè)問目的：深度解構(gòu)電動機(jī)模型，解答學(xué)生的疑惑。從微觀角度分析安培力和反電動勢的產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)一步加深對洛倫茲力的認(rèn)識(圖4)。

圖4

答：導(dǎo)體棒中的自由電子受到的洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功，安培力所做的功在數(shù)值上等于導(dǎo)體棒中所有自由電子克服非靜電力所做的功；安培力做正功，使得導(dǎo)體棒機(jī)械能增加，增加的機(jī)械能正是與反電動勢相關(guān)的電能消耗。洛倫茲力再次通過兩個分力做功起到“傳遞”能量的作用，將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

3 突破知識增量困境，通過解構(gòu)整合提煉大模型

引導(dǎo)學(xué)生對發(fā)電機(jī)模型和電動機(jī)模型進(jìn)行總結(jié)：在發(fā)電機(jī)模型中安培力做負(fù)功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；電動機(jī)模型中安培力做正功，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，洛倫茲力在發(fā)電機(jī)模型和電動機(jī)模型的功能關(guān)系中起橋梁的作用。

在完成概念層面理解的基礎(chǔ)上，需引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行縱向聯(lián)系，使學(xué)生能自覺運(yùn)用能量觀念深度理解并建構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，培養(yǎng)學(xué)生從能量視角認(rèn)識事物、解決問題的意識和思維習(xí)慣。能量觀念是物理觀念之一，是與能量相關(guān)的概念和規(guī)律的概括性認(rèn)識，是學(xué)生從物理學(xué)角度應(yīng)用能量相關(guān)知識解決問題的基礎(chǔ)。[3]能量觀念包含能量轉(zhuǎn)化觀念和能量守恒觀念，高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將能量轉(zhuǎn)化觀念概括為“做功伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，功是能量轉(zhuǎn)化的量度”，將能量守恒觀念概括為“能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式，或從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體”，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。

通過安培力與動生電動勢相互配合，安培力做功才得以完成其他形式的能與電能的轉(zhuǎn)化，詮釋了能量守恒定律。因此，無論是發(fā)電機(jī)模型還是電動機(jī)模型，都可在能量觀念下整合為“電磁能量模型”，即上述看似矛盾的結(jié)論在能量觀念的視角下，還可以進(jìn)一步概括出更深刻的結(jié)論：安培力做功引起電磁感應(yīng)現(xiàn)象中電能變化，即W安=-ΔE電。

4 重組情境，對大模型的結(jié)論進(jìn)行遷移

重組情境：如圖5所示，光滑矩形金屬框固定在水平面上，導(dǎo)體棒垂直靜置于導(dǎo)軌上構(gòu)成回路，回路上方的條形磁鐵在外力F作用下，豎直向上做勻速運(yùn)動。

圖5

問題8：若在磁鐵做勻速運(yùn)動過程中外力F做功為WF，磁場力對導(dǎo)體棒做功為W1，磁鐵克服磁場力做功為W2，重力對磁鐵做功為WG，回路中產(chǎn)生的焦耳熱為Q，導(dǎo)體棒獲得的動能為Ek，如何計算回路中產(chǎn)生的焦耳熱Q？

設(shè)問目的：讓學(xué)生體會“電磁能量模型”帶來的便捷和優(yōu)越性。如果直接套用結(jié)論“回路產(chǎn)生的焦耳熱為克服安培力所做的功”，又沒有注意到安培力對導(dǎo)體棒做正功，可得出結(jié)論：Q=W1，則會出現(xiàn)錯解。

解答1：磁體勻速豎直向上運(yùn)動，由動能定理得：WG+WF-W2=0。對導(dǎo)體棒有：W1=Ek。對導(dǎo)體棒和磁鐵組成的系統(tǒng)，根據(jù)能量守恒有：WF=ΔEp+Ek+Q，其中ΔEp為磁鐵重力勢能的變化量，又因為WG=-ΔEp，所以WF=-WG+W1+Q，即Q=W2-W1。

上述推理過程略顯冗長，可從磁場力對磁鐵做負(fù)功，回路產(chǎn)生感應(yīng)電流，復(fù)認(rèn)出發(fā)電機(jī)模型；磁場力(安培力)對導(dǎo)體棒做正功，導(dǎo)體棒運(yùn)動，再復(fù)認(rèn)出電動機(jī)模型；又由于兩個模型都屬于“電磁能量模型”，可直接運(yùn)用W安=-ΔE電。

解答2：磁場力對磁鐵做負(fù)功，回路中電能增加W2，磁場力對導(dǎo)體棒做正功，回路中電能減少W1，而回路是純電阻電路，產(chǎn)生的電能全部轉(zhuǎn)化為焦耳熱，可得到結(jié)論：Q=W2-W1。

5 結(jié)語

以大觀念為中心的教學(xué)需要整合教學(xué)內(nèi)容，將“看似紛繁，內(nèi)藏關(guān)聯(lián)”的物理模型經(jīng)過抽象和概括而建構(gòu)出物理大模型，這不僅能使學(xué)生在對模型學(xué)習(xí)過程中獲得“萬物同一理，觸類可旁通”的體驗，還會成為促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的有效途徑，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要作用。