［摘 要］模型建構(gòu)是“科學(xué)思維”核心素養(yǎng)的要素之一。建構(gòu)物理模型對于學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識和發(fā)展物理思維尤其重要。文章對電磁感應(yīng)的動力學(xué)問題中的模型進(jìn)行歸納總結(jié)，并從解決問題的基本思路去分析如何通過合理建構(gòu)物理模型提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］物理模型；核心素養(yǎng)；電磁感應(yīng)；動力學(xué)問題

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）06-0078-03

物理學(xué)作為當(dāng)今最精密的自然科學(xué)，是其他自然科學(xué)和社會科學(xué)的基礎(chǔ)。高中物理重要的教學(xué)目標(biāo)之一是發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維?！翱茖W(xué)思維”核心素養(yǎng)的要素之一是模型建構(gòu)。建構(gòu)物理模型可以幫助學(xué)生更好地運用物理思維方式解決問題，透徹理解物理概念，掌握物理規(guī)律。建構(gòu)物理模型對于學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識和發(fā)展物理思維尤其重要。

一、物理模型的含義

物理模型廣泛地存在于物理學(xué)中，但目前國內(nèi)外學(xué)者對于物理模型并沒有統(tǒng)一的定義。人教版高中物理必修1教材對物理模型進(jìn)行了這樣的表述：在物理學(xué)中，突出問題的主要方面，忽略次要因素，建立理想化的“物理模型”，并將其作為研究對象，是經(jīng)常采用的一種科學(xué)研究方法。普利高津曾經(jīng)說過：“物理學(xué)并不是自然界本身，是人類與自然界的對話?！蹦Ｐ徒?gòu)是人類與自然界“對話”的一種重要方式，也是認(rèn)識物質(zhì)及其運動的重要手段和思維方式。

在梳理了國內(nèi)外學(xué)者對物理模型的定義之后，筆者認(rèn)為，物理模型是對物理現(xiàn)象、系統(tǒng)或過程進(jìn)行抽象和簡化的一種描述，是將實際的物理現(xiàn)象或問題經(jīng)過加工處理后形成的一個思維產(chǎn)物。

二、建構(gòu)物理模型的教學(xué)策略

（一）創(chuàng)設(shè)真實情境，培養(yǎng)建模意識

在教學(xué)中，教師可以利用探究實驗、視頻、圖片、物理學(xué)史等創(chuàng)設(shè)情境引入課堂。所創(chuàng)設(shè)的情境要貼近學(xué)生的生活，要具備真實性和實際意義。創(chuàng)設(shè)情境不能是單純地用來吸引學(xué)生的注意力，要從實際生活過渡到模型建構(gòu)，使學(xué)生產(chǎn)生共鳴，從而培養(yǎng)學(xué)生的建模意識。

（二）強(qiáng)化概念理解，夯實建模基礎(chǔ)

理解并掌握基本概念是建構(gòu)物理模型的基礎(chǔ)。在教材中，有些概念的描述較為簡單，需要教師進(jìn)行詳細(xì)闡釋；有些概念描述得非常清楚，要求學(xué)生準(zhǔn)確記憶。因此，在建構(gòu)模型前需要先讓學(xué)生對相關(guān)的概念、規(guī)律有清晰的認(rèn)知。

（三）加強(qiáng)建模訓(xùn)練，強(qiáng)化建模思維

在教學(xué)過程中，部分學(xué)生由于缺乏對有效信息的準(zhǔn)確提取或由于審題不清而抓不住題干的關(guān)鍵信息，只會機(jī)械地套用經(jīng)典模型，無法靈活運用模型。這就要求教師加強(qiáng)建模訓(xùn)練，防止學(xué)生的模型建構(gòu)過程單一化、流程化，強(qiáng)化學(xué)生的建模思維。在模型建構(gòu)教學(xué)中，教師應(yīng)選取具有代表性的習(xí)題來強(qiáng)化學(xué)生的建模思維，培養(yǎng)學(xué)生從題目中提取有效信息、應(yīng)用已有模型解決問題或建立新模型的能力。教師還要引導(dǎo)學(xué)生在審題時抓住關(guān)鍵信息，提高對題干信息的敏感度，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)建模。

（四）創(chuàng)建學(xué)習(xí)共同體，促進(jìn)深度建模

學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅需要教師的指導(dǎo)，還需要自身的自主探究和同伴之間的互幫互助。因此，可建立“師生”學(xué)習(xí)共同體或“生生”學(xué)習(xí)共同體。“師生”學(xué)習(xí)共同體的建立，有利于增加學(xué)生與教師之間的親密度，而“生生”學(xué)習(xí)共同體的建立有利于加強(qiáng)學(xué)生之間的合作，提高學(xué)生建構(gòu)模型的積極性。教師在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型時，可以發(fā)揮學(xué)習(xí)共同體的作用，引導(dǎo)學(xué)生合作分析問題的本質(zhì)，構(gòu)建新舊知識的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生深度建模。

三、“模型建構(gòu)”水平的劃分

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平進(jìn)行了劃分，其中“科學(xué)思維”中的“模型建構(gòu)”水平劃分如表1所示。

四、建構(gòu)物理模型的作用

（一）有助于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)

建構(gòu)物理模型不是一蹴而就的，需要不斷地修正與完善，需要實事求是、精益求精的科學(xué)態(tài)度。通過建構(gòu)物理模型，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)；通過建構(gòu)物理模型能夠幫助學(xué)生看透現(xiàn)象的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

（二）有利于學(xué)生理解物理概念和掌握物理規(guī)律

在建構(gòu)物理模型前，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對物理現(xiàn)象和物理問題進(jìn)行分析，這可加深學(xué)生對物理概念的理解。在建構(gòu)物理模型時，教師需要引導(dǎo)學(xué)生運用觀察、假設(shè)、實驗、近似等方法進(jìn)行獨立思考、討論、研究，在這個過程中，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力會大幅度提升，并能加深對物理概念的理解和物理規(guī)律、物理方法的掌握。

五、建構(gòu)物理模型提升學(xué)生核心素養(yǎng)的實踐

下面以電磁感應(yīng)的動力學(xué)問題為例說明如何通過建構(gòu)物理模型提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

（一）模型的建構(gòu)和選擇

根據(jù)建構(gòu)物理模型的教學(xué)步驟，教師可以通過演示實驗的方式導(dǎo)入目標(biāo)物理模型，并要求學(xué)生仔細(xì)觀察實驗現(xiàn)象，思考相關(guān)的物理問題。

電磁感應(yīng)的單桿模型的建構(gòu)首先從電磁感應(yīng)分析產(chǎn)生感應(yīng)電流開始，要求學(xué)生通過討論分析感應(yīng)電流的大小跟哪些因素有關(guān)，進(jìn)而理解電磁感應(yīng)的單桿模型的實質(zhì)。

如圖1所示是電磁感應(yīng)的動力學(xué)問題中的基本模型，即導(dǎo)體棒ab以一定速度v在光滑水平導(dǎo)軌上滑動，質(zhì)量為m，電阻為r，兩導(dǎo)軌的間距為L。首先，進(jìn)行“源”的分析。在電路中，導(dǎo)體棒ab切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢充當(dāng)電源，電源內(nèi)部電流從b流向a，故a為電源的正極，b為電源的負(fù)極，感應(yīng)電動勢E=BLv，內(nèi)阻為r。接著，進(jìn)行“路”的分析。這是一個簡單的串聯(lián)電路，只有外電阻R和內(nèi)電阻r，電流[I=ER+r]。然后，進(jìn)行“力”的分析。對導(dǎo)體棒ab進(jìn)行受力分析，其受到重力、支持力、安培力，合外力為安培力。最后，進(jìn)行“運動”的分析。導(dǎo)體棒ab所受到的安培力的方向和初速度的方向相反，導(dǎo)體棒ab做的是減速運動，隨著v減小，E、I、[F安]、[F合]均減小，根據(jù)加速度[a=F合m]，可知a減小，所以導(dǎo)體棒ab做的是加速度減小的減速運動，最后導(dǎo)體棒ab速度為0，靜止不動。

當(dāng)學(xué)生無法獨自建構(gòu)電磁感應(yīng)的單桿模型時，教師可引導(dǎo)學(xué)生從“源”“路”“力”“運動”四個方面進(jìn)行分析。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下建立并完善電磁感應(yīng)的單桿基本模型，同時拓展出導(dǎo)體棒在水平導(dǎo)軌上受到外力作用的模型及導(dǎo)體棒在傾斜導(dǎo)軌、豎直導(dǎo)軌上的模型（如圖2）。

電磁感應(yīng)的動力學(xué)問題的解答關(guān)鍵是“先電后力”，具體的思路如圖3所示。

（二）模型的驗證和分析

待學(xué)生建立了電磁感應(yīng)的單桿模型后，教師需要引導(dǎo)他們對所建構(gòu)的模型進(jìn)行驗證和分析。為此，教師可以通過教材例題、習(xí)題或高考題來幫助學(xué)生檢驗?zāi)Ｐ偷膬?nèi)在一致性，給學(xué)生提供批判性思考的機(jī)會。如通過選擇性必修第二冊教材第46頁第6題、第47頁第4題兩道課后習(xí)題來強(qiáng)化學(xué)生對模型的驗證和分析。第46頁第6題展示的是導(dǎo)體棒在光滑水平導(dǎo)軌上的模型，第47頁第4題展示的是導(dǎo)體棒在光滑的豎直導(dǎo)軌上的模型。學(xué)生通過分析解決不同情境下的問題，強(qiáng)化了對電磁感應(yīng)的單桿模型的理解。

教師引導(dǎo)學(xué)生找出問題中所涉及的模型，并將“源”的電動勢、“路”的電流、“力”的[F合]、“運動”的加速度之間的關(guān)系（如圖4）表征出來，實現(xiàn)對電磁感應(yīng)的單桿模型的整合。

（三）模型的拓展

待學(xué)生建立了電磁感應(yīng)的單桿基本模型后，教師可以呈現(xiàn)一個涉及電源、電容器的新情境，并將所建構(gòu)的模型融入新的情境中，引導(dǎo)學(xué)生從“源”“路”“力”“運動”四個方面進(jìn)行分析，從而使電磁感應(yīng)的單桿基本模型得到拓展（如圖5）。例如，引導(dǎo)學(xué)生分析2022年高考全國甲卷物理試題第22題。通過高考真題的解題訓(xùn)練，學(xué)生充分運用了模型，把握了模型的本質(zhì)。

六、關(guān)于建構(gòu)物理模型的一些思考

在學(xué)習(xí)物理的過程中，部分學(xué)生存在著思維障礙，表現(xiàn)為不能靈活建構(gòu)和運用物理模型。對此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)注意以下幾點：

1.經(jīng)驗豐富的教師會在教學(xué)活動中創(chuàng)設(shè)情境幫助學(xué)生建構(gòu)模型，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和遷移應(yīng)用知識的能力。但部分教師更關(guān)注的是學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握以及應(yīng)試能力的培養(yǎng)，而忽視了學(xué)生建模能力的培養(yǎng)，在教學(xué)中很少開展模型建構(gòu)活動。這十分不利于學(xué)生的發(fā)展。對此，教師應(yīng)注重開展模型建構(gòu)教學(xué)，著力培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力。

2.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》多次提到物理模型，但并沒有明確給出物理模型的概念，新教材對物理模型的描述也比較隱晦，建構(gòu)物理模型的活動也不多，因此需要教師深入挖掘，并對模型建構(gòu)教學(xué)進(jìn)行有效設(shè)計。

3.很多高考試題都是由教材素材改編、綜合、延伸、拓展、嫁接而來，在教材習(xí)題中就可以找到“原型”。教師在教學(xué)中要回歸教材，分析新舊教材的區(qū)別，以教材的例題或課后練習(xí)作為情境素材開展模型建構(gòu)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型。

4.物理試題的情境往往來源于生活，學(xué)生光靠死記硬背知識、機(jī)械套用公式是很難解答題目的，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生靈活應(yīng)用物理知識解決問題。學(xué)生經(jīng)常會出現(xiàn)看不懂題目或理解錯題意的情況，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型，使學(xué)生審清題意，有效解答題目。教師在教學(xué)中還應(yīng)注重結(jié)合生活、生產(chǎn)、體育、科技等元素創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，助推學(xué)生建構(gòu)物理模型。

5.教師在教學(xué)中應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)建模，從基本模型建構(gòu)入手，并進(jìn)行知識的遷移和模型的拓展，幫助學(xué)生走出題海，回歸核心素養(yǎng)的“海洋”。

6.物理模型建構(gòu)教學(xué)是以全員參與為前提的，在物理模型教學(xué)中教師可以采用小組討論的方式，引導(dǎo)學(xué)生互相交流、討論。教師要鼓勵學(xué)生多發(fā)言，特別是多鼓勵平時不善于表達(dá)的學(xué)生參與討論，為學(xué)生營造一個互幫互助、輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

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（責(zé)任編輯" " 黃春香）