基于社團協作的地理天文學基礎教學

范泰洋 周桓

摘? ?要

新高考背景下需要通過物理建模教學提升學生的學科核心素養。文章圍繞教育部《普通高中物理課程標準（2017年版）》中的目標培養體系，結合若干高中物理模型問題的教學設計，對進階式物理建模教學中的建立模型、運用模型、升華模型等三個螺旋形提升環節的設計與實施情況作些探討。

關鍵詞

進階式? 物理模型? 問題驅動? 科學思維

在新高考綜合改革的背景下，如何提升建模教學的實效性，如何通過建模教學促進學生學科核心素養的發展，是值得廣大教師深入思考的問題。

一、進階式物理建模教學的結構流程

為了將“接受—理解—鞏固—解題”教學模式轉變為“參與—體驗—內化—外延”的新型教學模式[1]，進階式物理建模教學，首先要基于經驗事實，從物理學視角通過抽象概括建構起某種物理模型;其次要通過分析綜合、推理論證等科學思維方法，內化客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系;最后還要鼓勵基于事實證據對不同觀點和結論提出質疑、批判，進而提出創造性的見解[2]。可見進階式建模教學包含有模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等遞進式內涵要素[3]，其教學結構流程設計如圖1所示。

二、進階式物理建模教學的實施

1.教學環節一：“建立模型”實施策略—抽象概括，模型建構

（1）常見物理模型的分類

常見物理模型有如下幾種類型：理想化模型、科學假說模型和科學理論模型。

（2）建立模型的主要方法

①抽象法。即根據從具體事物中抽取出的某一方面特征或屬性來構建物理模型。抽象法建模主要應用于確定的研究對象;研究范圍等。例如，某類物體在外力作用時其形狀發生改變，而一旦外力撤去此類物體形狀又將恢復原狀，因此便可以根據其具有的共同特性來建立彈簧模型[2]。

②理想法。即在建模過程中將所研究的物理對象進行理想化處理。理想化建模主要應用于：理想化物理形態;理想化物理環境;理想化物理過程。例如，理想剛性是將物理形態進行理想化，絕熱、光滑是將其所處環境進行理想化，而等壓過程是將運動變化進行理想化。

③歸納法。即在大量物理實驗以及所得數據基礎上對實驗結論進行歸納，然后依據歸納出的實驗結論演繹出新的物理規律。例如，通過牛頓三大定律可延伸出許多其他力學規律[2]。

對于比較復雜和隱蔽的物理問題，還可采用類比法、等效替代法等方法來建立物理模型。

案例1? 在講授電磁感應現象的實際應用時，首先帶領學生回顧楞次定律和法拉第電磁感應定律，明確感應電流的判斷方法以及感應電動勢的大小計算;然后演示電磁感應小實驗：如圖2，當通電線圈（其中連接一振蕩器可使線圈中形成變化電流）靠近接有LED小電珠的另一個線圈時，LED小電珠會發光（磁生電），引導學生解釋并回答：本實驗中產生的感生型還是動生型感應電動勢？兩線圈靠得更近時，小電珠為什么會越亮？最后，師生共同總結出楞次定律的實質其實是體現了能量的轉化與守恒規律，通過克服感應電流在原磁場中所受安培力的作用將其它形式的能量轉化為電能，即為“磁生電”的本質。如此設計的意圖是溫故而知新，激發探究欲，引起學生積極思維，更為重要的是向學生示范如何從實際生活問題中提煉出感生型感應電動勢的物理模型，使模型的建立變得水到渠成。

圖2? 神奇的電磁感應線圈

2.“運用模型”實施策略—推理論證，質疑創新

進階式建模教學的模型運用環節，教師要搭建腳手架幫助學生探索科學知識，讓學生親自體驗舊理論與新理論的認知沖突[2]，學會使用質疑的眼光去反思問題、初步形成批判性思維。求解復雜物理問題的思維方法，一般是采用“先拆后合”的辦法，即通過創設層進式問題串，引導學生將一個復雜的物理大問題拆分為若干較為簡單的小問題，再引導學生利用物理知識、數學工具進行推理論證、討論交流，探尋各物理量之間的內在聯系和相互制約關系[4]，并允許學生在問題探究中出現失敗，同時，訓練中力求一題多解、一題多變。

案例2? 如圖3甲，光滑平行金屬導軌的水平部分處于豎直向下的的勻強磁場B中，兩導軌間距為L，軌道足夠長。金屬棒a和b的質量都為m，接入電路的有效電阻Ra=Rb。b棒靜止于軌道水平部分，現將a棒從h高處自靜止沿弧形軌道下滑，通過C點進入軌道的水平部分，已知兩棒在運動過程中始終保持與導軌垂直，且兩棒始終不相碰。從a棒下滑至C點開始計時，可定性畫出此后兩棒的v-t圖象如圖3乙，圖中v0表示a棒到達C點時的速度大小，v表示兩棒的最終速度大小。其教學設計如下：

圖3? 案例2圖

問題驅動：通過創設層進式問題串，分析為什么兩棒最終會以共速v做勻速運動？

問題1我們先從電源正反串這個角度去分析，起初兩棒速度如何變化？

問題2從電源正反串這個角度去分析，電路中總電動勢E總如何變化？

問題3兩棒的加速度a如何變化？

問題4兩棒達到穩定速度條件？

問題5若從穿過回路的磁通量Φ不變這個角度，又如何分析？

綜上所述，定性畫出如圖3乙所示的兩棒v-t圖象。類似于等間距雙桿型模型的分析，還可同理分析板塊模型的v-t圖象變化規律如圖4甲、乙所示。

圖4? 板塊模型

拓展延伸：如圖5甲，設寬、窄導軌均足夠長。若L1≠L2，兩棒達到穩定運動狀態時，同理可推導出它們速度要滿足va/vb=L2/L1。可畫出兩棒的v-t圖象如圖5乙所示。

圖5? 不等間距雙桿型模型

上述案例2采用了問題驅動式教學，以問題1～問題5為引導，分別從電源正反向串聯和穿過回路的磁通量不變這兩個角度詮釋為什么兩棒穩定運動時會達到共速這個思維難點，體現層進式問題串在突破解題思維瓶頸束縛中的作用。求解中將“雙桿型”模型與板塊模型相對運動作類比，繪制出不同的v-t圖象，體現了對科學思維、科學探究等學科素養的發展要求。“拓展延伸”設計較新穎，是在原題的基礎上作了變式、遷移和延伸，若軌道寬、窄不同，達到穩定運動狀態時兩棒還是共速嗎？對該問題進一步的深入探究有利于激發學生的學習興趣，培養實事求是的科學態度，充分體現了對創新思維能力培養的要求。

3.“深化模型”實施策略—方法總結，內化提升

許多高中物理問題，包括高中物理教材內容，其中蘊含有典型的、富有豐富模型化教學資源的內容，常涉及微元法、類比法、動態分析等重要的物理思想方法，具有典型物理抽象元素，教授這些內容時是讓學生體驗物理建模的良好契機。實踐表明，學生學科素養得以內化提升，物理建模教學才能得到深化。從教師教學層面來說，一是揭示規律性，有意識地引導學生分析不同題型的不同特點，注重教給學生分析解決問題的方法和思路;二是突出專題性，集問題方法和規律于一體，集中解決專題中的一些難點問題。從學生學習層面來說，要積極參加兩類活動的探索，一是問題解決活動：提出問題——形成假設——驗證假設;二是實驗體驗活動：融入情境——生成體驗——反思體驗。本教學環節要重視從不同側面闡述觀點，培養學生具體分析問題的習慣，根據實際情況靈活運用模型規律而不是死套“方法”，其中特別要注意求解物理問題動力學的觀點、能量的觀點、動量的觀點等三種方法的互譯互換。

案例3? “桿+導軌”模型是電磁感應現象中的動力學問題高考命題的“基本道具”，主要考查導體桿在磁場中受力與運動的關系，考查的知識點多，物理情景變化空間大[5]。教學中在完成“桿+導軌”的模型建立和模型運用后，可引導學生依托不同類型的典例分析，總結歸納出電磁感應動力學問題求解方法如下：

電磁學方程：

I感=■，

其中：

E感=BLv或E感=n■=nS■（感生型）nB■（動生型）

（常畫出等效電路圖分析）

動力學方程：

F合=ma（平衡狀態：F合=0），其中：F安=BI感L，有時還涉及使用功能和動量的方法

（常畫出受力分析圖分析，其中I感方向由右手定則或楞次定律判斷;F安方向由左手定則判斷）

上述電磁學、動力學兩類方程常聯立求解。

三、結語

進階式物理建模教學彰顯了“建立模型→運用模型→深化模型”螺旋形的思維發展。教學實踐表明，在建立模型階段，要注意創設真實學習情境，使學生充分認識到建模研究是對自然現象進行抽象概括的創造性工作;在運用模型階段，要通過設置若干層進式問題串，促使學生由淺入深、由表及里地從多維角度進行探究，特別是要能突破關鍵問題的思維瓶頸;在深化模型階段，要幫助學生從物理本質出發探尋有關問題的內在聯系，使碎片化知識走向結構化的知識，形成科學的認知結構，最終完成知識的自主建構。比如，建構天體“追及”運動模型時，如圖6，先引導學生觀察改造后的時鐘，秒針和分針模擬不同軌道半徑的天體追及運動情況，用實物幫助建立運動圖景，總結模型特點，然后再用flash程序模擬天體追及運動的完整圖景，使模型刻印在學生頭腦中。

參考文獻

[1] 羅翀.中學物理教育中課題探究教學的實踐與思考[J].福建基礎教育研究，2015（05）.

[2] 廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[3] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[4] 魏有蓮.數學課堂中情感霸權現象及其破除[J].教學與管理，2016（08）.

[5] 王芳.創新設計·復習用書·物理[M].第1版.西安：陜西新華出版傳媒集團，陜西人民出版社，2014.

【責任編輯? 孫曉雯】