指向物理核心素養(yǎng)的“主線”深度教學(xué)實(shí)踐研究
——以電磁感應(yīng)單桿模型微專題復(fù)習(xí)為例

陸永華

(南京航空航天大學(xué)蘇州附屬中學(xué),江蘇 蘇州 215000)

《普通高中物理課程標(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.基于模型的建構(gòu)與解決實(shí)施深度教學(xué)，圍繞物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，以生活情境構(gòu)建模型驅(qū)動學(xué)習(xí)任務(wù)，通過物理模型的深度解構(gòu)，對相關(guān)物理知識進(jìn)行深度加工，提升對情境物理模型的問題解決能力，通過模型微專題促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，使物理核心素養(yǎng)的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等要素培育由理論走向教學(xué)實(shí)踐.

1 教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)思路

教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)思路如圖1所示，圍繞培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)為主線，教學(xué)過程中設(shè)置模型線、情境線、問題線、知識線4線并行，教學(xué)實(shí)施以模型線為“明線”展開，以“磁力緩降高樓安全逃生裝置”作為任務(wù)情境驅(qū)動教學(xué)，通過簡化抽象構(gòu)建電磁感應(yīng)單桿切割模型，然后以模型為基礎(chǔ)設(shè)置多維度問題，按照由表及里的順序具體解構(gòu)模型，將模型涉及的電磁感應(yīng)綜合物理知識、科學(xué)思維等作為“暗線”“溶解”轉(zhuǎn)化為系列問題助推教學(xué)，從問題的角度、梯度、深度、廣度、難度等方面將“問題串珠成線”進(jìn)一步解構(gòu)模型，引導(dǎo)學(xué)生在模型問題解決過程中逐步將知識和科學(xué)思維等內(nèi)化“結(jié)晶”，優(yōu)化構(gòu)建模型解決的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而提升學(xué)生的物理問題解決能力，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

圖1 “主線”深度教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)思路

2 教學(xué)設(shè)計(jì)具體環(huán)節(jié)設(shè)置

教學(xué)環(huán)節(jié)1： 情境建構(gòu)模型.

任務(wù)情境： 磁力緩降高樓安全逃生裝置(圖2).

圖2 情境構(gòu)建單桿切割模型

設(shè)計(jì)意圖： 將“磁力緩降高樓安全逃生裝置”真實(shí)情境作為教學(xué)的驅(qū)動任務(wù)情境，引導(dǎo)學(xué)生簡化抽象為電磁感應(yīng)單桿切割模型，通過對情境的物理建模促進(jìn)學(xué)生的情境關(guān)聯(lián)能力和素養(yǎng)達(dá)成水平.

教學(xué)環(huán)節(jié)2： 教材回歸模型.

圖3 教材情境、構(gòu)建單桿切割模型

回歸教材： 人教版高中物理教材《選修3-2》第38頁“思考與討論(圖3)”.

問題鏈如下.

(1) 自由電荷會隨著導(dǎo)體棒運(yùn)動，并因此受到洛倫茲力.導(dǎo)體中自由電荷的合運(yùn)動在空間大致沿什么方向？

(2) 導(dǎo)體棒一直運(yùn)動下去，自由電荷是否也會沿著導(dǎo)體棒一直運(yùn)動下去？為什么？

(3) 導(dǎo)體棒的哪端電勢比較高?

(4) 如果用導(dǎo)線把C、D兩端連到磁場外的一個用電器上，導(dǎo)體棒中電流是沿什么方向？

設(shè)計(jì)意圖：由教材出發(fā)回歸模型解構(gòu)是對教材知識的再審視，促使學(xué)生深化對物理模型的起點(diǎn)本質(zhì)認(rèn)識，為打破涉及電磁感應(yīng)綜合問題不同知識模塊壁壘進(jìn)行融合奠定基礎(chǔ).

教學(xué)環(huán)節(jié)3： 模型的理解與運(yùn)用.

圖4

模型條件設(shè)置： 如圖4所示，間距為L，電阻不計(jì)的足夠長平行光滑金屬導(dǎo)軌水平放置，導(dǎo)軌左端用一阻值為R的電阻連接，導(dǎo)軌上橫跨一根質(zhì)量為m，電阻為r的金屬棒，金屬棒與導(dǎo)軌接觸良好，整個裝置處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場B中.

問題： 要使金屬棒向右運(yùn)動起來，可以采用什么辦法？

學(xué)生回答預(yù)設(shè)： (1) 給初速度； (2) 施加外力； (3) 提供電源.

圖5

教學(xué)片段設(shè)計(jì)意圖： 通過問題引入模型分析，引導(dǎo)學(xué)生理解“動—電—動”發(fā)電式導(dǎo)軌和“電—動—電”電動式導(dǎo)軌兩種基本單桿切割模型，本節(jié)課重點(diǎn)研究“動—電—動”類型.

情況1：電磁感應(yīng)中的電路問題(條件：給導(dǎo)體棒一個初速度v0,如圖5).

問題鏈如下.

問題1：畫出整個裝置的等效電路圖；

問題2：當(dāng)運(yùn)動速度為v0時，求ab兩端的電勢差，并指出哪端電勢高？

問題3：當(dāng)運(yùn)動速度為v0時，電阻R的電功率？

問題4：若一段時間后，向右運(yùn)動距離為x，則該過程中流過電阻R的電荷量？

問題5：定性的畫出通過電阻R的電荷量q隨導(dǎo)體棒運(yùn)動距離x的變化圖；

問題6：若導(dǎo)體棒在整個運(yùn)動過程中通過的電荷量為q，求導(dǎo)體棒在導(dǎo)軌上的運(yùn)動距離x？

教學(xué)片段設(shè)計(jì)意圖：通過對電路問題涉及的與電磁感應(yīng)結(jié)合的電學(xué)知識進(jìn)行整合設(shè)置“問題鏈”，并在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生對電磁感應(yīng)電路問題求解方法進(jìn)行自我小結(jié)，通過“3步走”思路分析電磁感應(yīng)中的電路問題.

圖6

情況2：電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題(條件：導(dǎo)體棒在一個恒力F作用下從靜止開始運(yùn)動，如圖6).

問題鏈如下.

問題1：畫出導(dǎo)體棒ab在運(yùn)動過程中的平面受力分析圖；

問題2：當(dāng)運(yùn)動速度為v時，求安培力表達(dá)式；

問題3：分析導(dǎo)體棒的運(yùn)動情況，并畫出v-t圖像；

問題4：若改變拉力F，則最終速度vm也會相應(yīng)改變，請畫出vm-F圖像；

問題5：若要使得導(dǎo)體棒做勻加速運(yùn)動，求F隨時間t的變化關(guān)系，并畫出F-t圖像.

教學(xué)片段設(shè)計(jì)意圖：通過對動力學(xué)問題涉及的與電磁感應(yīng)結(jié)合的動力學(xué)知識進(jìn)行整合設(shè)置“問題鏈”，并在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生對電磁感應(yīng)動力學(xué)問題求解方法進(jìn)行自我小結(jié)，在分析電學(xué)問題基礎(chǔ)上，通過“4步法”思路分析電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題.

情況3：電磁感應(yīng)中的能量問題.

問題：導(dǎo)體棒在一個恒力F作用下從靜止開始運(yùn)動(與情況2相同)，若運(yùn)動一段距離x后，導(dǎo)體棒恰好達(dá)到vm，求該過程電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱？

問題分層解析.

問題1：能否用Q=I2Rt直接計(jì)算？試畫出I-t圖像；

問題2：(1) 列出棒運(yùn)動過程中的動能定理；(2) 列出棒運(yùn)動過程中的功能關(guān)系方程或能量守恒方程；

問題3：求出的Q與所要求的電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱QR什么關(guān)系？

教學(xué)片段設(shè)計(jì)意圖：通過“問題鏈”設(shè)置，一方面階梯式設(shè)問降低焦耳熱求解的難度，另一方面通過階梯式設(shè)問體現(xiàn)求解焦耳熱的常見思路方法.

設(shè)計(jì)意圖：對于整個教學(xué)環(huán)節(jié)3，通過對單桿導(dǎo)軌切割模型層層精心設(shè)計(jì)問題鏈，逐步推進(jìn)思維進(jìn)階，將“問題串珠成線”，逐步解決電磁感應(yīng)中的電路問題、動力學(xué)問題、能量問題，并在3類問題中分別穿插圖像問題分析，將4類問題進(jìn)行有機(jī)融合建構(gòu)模型的知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，豐富完善學(xué)生腦中該模型的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu).

教學(xué)環(huán)節(jié)4：模型的拓展變式(圖7).

圖7 模型的拓展變式

圖8

拓展變式：如圖8所示，兩根足夠長的光滑平行直導(dǎo)軌與水平面成θ=37°角放置，兩導(dǎo)軌間距為L=0.5 m，在導(dǎo)軌間接有阻值為R=0.3 Ω的電阻．一根質(zhì)量m=0.5 kg的均勻直金屬桿ab放在兩導(dǎo)軌上，并與導(dǎo)軌垂直，金屬桿電阻r=0.2 Ω，整套裝置處于勻強(qiáng)磁場B中，磁場方向垂直于導(dǎo)軌平面向上，導(dǎo)軌和金屬桿接觸良好，其他電阻均不計(jì)．(g=10 m/s2)

(1) 若ab棒由靜止釋放，當(dāng)運(yùn)動過程中最大速度vm=6 m/s，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)為多少？

(2) 當(dāng)ab棒勻速時，ab兩端的電壓Uab為多少？

(3) 若ab棒從釋放到速度達(dá)最大速度vm的過程中沿導(dǎo)軌下滑的距離x=4 m，則電阻R上產(chǎn)生的熱量Q為多少？

(4) 上問中流過電阻R的電荷量q為多少？

(5) 若只改變金屬桿質(zhì)量m的大小，則最大速度vm也會相應(yīng)改變，vm-m圖線應(yīng)該怎樣？

(6) 若ab棒從靜止開始向下做勻加速直線運(yùn)動a=1 m/s2，則當(dāng)t=6 s時外力F為多少？外力的瞬時功率P為多少？

(7) 若導(dǎo)軌粗糙，如ab棒能靜止在導(dǎo)軌上離最高處h=3 m高處，且磁場B按B=1+0.5t(T)的規(guī)律變化，則當(dāng)t=2 s時，ab棒所受的摩擦力大小和方向如何？

設(shè)計(jì)意圖： 通過改變現(xiàn)成水平放置、傾斜放置、豎直放置等模型的結(jié)構(gòu)形式，改變研究對象的物理環(huán)境，改變提問或題給物理量等對基本模型進(jìn)行適度拓展.通過斜面放置單桿切割模型進(jìn)行系列問題設(shè)置解決，融合電磁感應(yīng)電路問題、動力學(xué)問題、能量問題和圖像問題，進(jìn)一步提升對模型的深層次認(rèn)知.

圖9

教學(xué)環(huán)節(jié)5： 模型的深度解構(gòu)(圖9).

問題鏈如下.

(1) 洛倫茲力做功嗎？

(2) 能量是怎樣轉(zhuǎn)化的呢？

典例分析：2017年北京理綜第24題(如圖10所示，具體題目內(nèi)容略)

圖10

設(shè)計(jì)意圖：澄清學(xué)生腦中的模型疑難點(diǎn)，理清模型中洛倫茲力的認(rèn)識，通過典型高考真題分析動生電動勢的產(chǎn)生機(jī)理，導(dǎo)體棒ab中的自由電荷所受洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功，洛倫茲力通過兩個分力做功起到“傳遞”能量的作用，進(jìn)一步促進(jìn)對模型解構(gòu)的深層次認(rèn)知.

教學(xué)環(huán)節(jié)6：模型的總結(jié).

圖11 模型的問題解決方法總結(jié)

設(shè)計(jì)意圖：通過模型問題的“發(fā)散”，從“源”、“路”、“力”、“運(yùn)動”、“能量”等方面將電磁感應(yīng)與電路問題、動力學(xué)問題、能量問題以及圖像問題進(jìn)行“收斂”融會貫通，引導(dǎo)學(xué)生感悟模型解決路徑，從碎片化走向體系化，提升模型問題解決的有序化與組織化程度.

教學(xué)環(huán)節(jié)7：情境模型的問題解決.

學(xué)生活動(自編自導(dǎo))： 根據(jù)構(gòu)建的模型自主設(shè)置已知物理量，設(shè)置定性或定量求解的不同物理量，自主搭建設(shè)置解決問題的路徑.

樣例示范：如圖12所示是依附建筑物架設(shè)的磁力緩降高樓安全逃生裝置，具有操作簡單、無需電能、逃生高度不受限制，下降速度可調(diào)、可控等優(yōu)點(diǎn).

該裝置原理可等效為：間距L=0.5 m的兩根豎直導(dǎo)軌上部連通，人和磁鐵固定在一起沿導(dǎo)軌共同下滑，磁鐵產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2T的勻強(qiáng)磁場.人和磁鐵所經(jīng)位置處，可等效為有一固定導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌相連，整個裝置總電阻始終為R，如圖13所示.

在某次逃生試驗(yàn)中，質(zhì)量M1=80 kg的測試者利用該裝置以v1=1.5 m/s的速度勻速下降，已知與人一起下滑部分裝置的質(zhì)量m=20 kg，重力加速度取g=10 m/s2，且本次試驗(yàn)過程中恰好沒有摩擦.

圖12

圖13

(1) 判斷導(dǎo)體棒ab中電流的方向；

(2) 總電阻R多大？

(3) 如要使一個質(zhì)量M2=100 kg的測試者利用該裝置以v1=1.5 m/s的速度勻速下滑，其摩擦力f多大？

(4)保持第(3)問中的摩擦力不變，讓質(zhì)量M2=100 kg測試者從靜止開始下滑，測試者的加速度將會如何變化？當(dāng)其速度為v2=0.78 m/s時，加速度a多大？要想在隨后一小段時間內(nèi)保持加速度不變，則必需調(diào)控摩擦力，請寫出摩擦力大小隨速率變化的表達(dá)式.

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生對模型處理的“自編自導(dǎo)”，在模型設(shè)置已知量和未知量過程中不斷促進(jìn)學(xué)生對模型理解的深加工水平.通過2019年上海浦東二模考試題進(jìn)行樣例示范，豐富學(xué)生頭腦中的模型相關(guān)問題圖式，完善學(xué)生對模型解決思想和方法的認(rèn)知樣例，提高物理模型的問題表征能力.

3 指向物理核心素養(yǎng)的“主線”深度教學(xué)實(shí)踐的意義

3.1 通過“主線”深度教學(xué)提升學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展水平

物理核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”部分關(guān)于物理模型建構(gòu)與運(yùn)用的水平層次劃分如表1所示.

表1 物理模型的水平劃分與具體內(nèi)容

依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》，水平2是高中學(xué)業(yè)水平合格性考試的命題依據(jù)；水平4是高校招生錄取的學(xué)業(yè)水平等級性考試的命題依據(jù).水平1到水平5從能否應(yīng)用常見模型、能否選用恰當(dāng)模型解決簡單的問題、能否將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為物理模型等逐次遞進(jìn)，其中水平1、2、3僅涉及模型的識別與選用，未涉及建構(gòu)模型，水平4、5涉及建構(gòu)模型的差異在于實(shí)際問題的復(fù)雜程度.本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)“以生活問題情境為起點(diǎn)，構(gòu)建模型——從‘模型識別’走向‘模型建構(gòu)’；以科學(xué)思維發(fā)展為中心，解構(gòu)模型——從‘知識重現(xiàn)’走向‘知識重演’；以實(shí)際應(yīng)用解決為落點(diǎn)，拓展模型——從‘模型習(xí)得’走向‘問題解決’”.通過情境建構(gòu)模型、教材回歸模型、模型的理解與運(yùn)用、模型的拓展變式、模型的深度解構(gòu)、模型的總結(jié)、情境模型的問題解決等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生掌握模型解決的方法和策略，搭建從單一結(jié)構(gòu)水平到多元、關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)水平的可攀登的思維臺階，實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)化并解決問題，拓展訓(xùn)練科學(xué)思維的實(shí)踐途徑.

3.2 通過“主線”深度教學(xué)優(yōu)化學(xué)生的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)

學(xué)生頭腦中的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)主要包括物理知識儲備量、物理知識的組織程度和物理知識在頭腦中的表征方式等方面.認(rèn)知加工水平與相關(guān)的知識儲備量有著密切關(guān)系.有序的物理知識的組織程度能有效激活問題解決過程中的物理知識，促進(jìn)物理概念和規(guī)律的理解與內(nèi)化，優(yōu)化物理認(rèn)知結(jié)構(gòu).本節(jié)教學(xué)內(nèi)容涉及較多的物理概念與規(guī)律，包括電磁感應(yīng)的電學(xué)問題、動力學(xué)問題、能量問題以及圖像問題，屬于綜合性程度較高的復(fù)合模塊.從知識論的角度構(gòu)建優(yōu)化物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)，有效促進(jìn)深度學(xué)習(xí)，必須考慮知識學(xué)習(xí)的充分廣度、深度和關(guān)聯(lián)度.因此，本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)通過單桿切割模型為“明線”，通過對構(gòu)建物理模型的問題情境化呈現(xiàn)，從模型問題解決過程中整合碎片化的物理概念與規(guī)律，通過設(shè)置問題鏈等教學(xué)主線，在問題解決的過程中逐層深化知識，拓展知識的廣度，促進(jìn)知識內(nèi)化的深度，融合提升知識的關(guān)聯(lián)度，促進(jìn)物理教學(xué)從知識本位走向物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)的優(yōu)化完善，促進(jìn)物理觀念的內(nèi)化，促進(jìn)對物理模型的深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)和學(xué)科關(guān)鍵能力.

3.3 通過“主線”深度教學(xué)發(fā)展學(xué)生的物理問題解決能力

目前常見教學(xué)現(xiàn)狀是知識學(xué)習(xí)優(yōu)先于問題解決，將問題解決過程看作是已有知識的應(yīng)用過程，并無形中突出陳述性知識優(yōu)先于程序性知識的學(xué)習(xí)，由此將部分物理知識變成了“惰性知識”.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》注重“通過問題解決促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成”，指出“要從培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角審視教學(xué)的目的，應(yīng)通過習(xí)題教學(xué)，使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實(shí)踐意識、科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升.習(xí)題教學(xué)的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學(xué)生的問題解決能力.”因此，在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)生產(chǎn)生活中體驗(yàn)問題的復(fù)雜性和豐富性，構(gòu)建從情境中學(xué)習(xí)知識的認(rèn)知路徑，而將實(shí)際情境問題轉(zhuǎn)換為物理模型是問題解決的基礎(chǔ).在本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)的最后“情境模型的問題解決”環(huán)節(jié)中，通過學(xué)生的“自編自導(dǎo)”創(chuàng)設(shè)基于設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的教學(xué)活動，有利于學(xué)生將模型模塊知識進(jìn)行融合反思.通過設(shè)置已知量和未知量的合理性與有效性，不斷迭代修改，在如此反復(fù)的過程中最終解決問題，并結(jié)合樣例教學(xué)示范印證，促進(jìn)深度學(xué)習(xí).從本節(jié)教學(xué)目的的有效達(dá)成和學(xué)生的反饋情況看，將情境線、模型線、知識線、問題線等“明線”與“暗線”相結(jié)合的“主線”深度教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中的問題解決能力，“在問題解決中進(jìn)一步提高探究能力、增強(qiáng)實(shí)踐意識、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成.”