在模型建構(gòu)、論證和應(yīng)用中培養(yǎng)科學(xué)思維

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、分析、抽象建構(gòu)模型;多角度推理、論證、質(zhì)疑，驗證、修正模型;在模型拓展、應(yīng)用等過程中深化模型”這一學(xué)習(xí)路徑進行教學(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：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）6-0014-5

學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中會產(chǎn)生種種錯誤概念，教師可以通過設(shè)置情境激發(fā)認知沖突，從而發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯誤概念。教師要善于將學(xué)生的錯誤轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。問題引導(dǎo)是通向高效課堂的鑰匙，問題可以引導(dǎo)學(xué)生主動探究知識。通過問題引導(dǎo)和任務(wù)驅(qū)動促進學(xué)生參與模型建構(gòu)、論證和修正、模型應(yīng)用等過程，掌握本質(zhì)規(guī)律，實現(xiàn)錯誤概念的轉(zhuǎn)化。海斯特納提出，一般的物理建模教學(xué)過程包含三個階段：建立模型、檢驗和完善模型、應(yīng)用模型，三個階段形成一個建模教學(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)生綜合運用知識解決實際問題能力的有效途徑。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，各類機器人層出不窮，而驅(qū)動這些機器人的正是大量的電機。我們利用如圖1所示的電路測量某直流電動機的電流、電壓，測得數(shù)據(jù)如表1所示。

學(xué)生質(zhì)疑：當(dāng)電機不轉(zhuǎn)時，可視為電阻模型，由數(shù)據(jù)可得其電阻r=5.0 Ω。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，①電動機的線圈就是電阻，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代表電動機輸出的機械功率？

猜想：這可能和線圈在磁場中的轉(zhuǎn)動有關(guān)。

學(xué)生產(chǎn)生上述幾個問題的根源可能是對線圈在電路中的作用認識片面，建構(gòu)的模型是錯誤的。我們以認知沖突為依托，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望[2]，基于學(xué)生的認知基礎(chǔ)，從金屬桿在磁場中的多重模型建構(gòu)開始探究。

2? ? 參與、體驗、分析、抽象建構(gòu)模型

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

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

任務(wù)1：開關(guān)S與1接線柱連接，用水平拉力使金屬桿保持靜止狀態(tài)。建構(gòu)此時桿和電路的模型，求拉力大小。

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

任務(wù)3：開關(guān)S與1接線柱連接，將金屬桿從靜止開始釋放。建構(gòu)金屬桿加速過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抽象和理想化等科學(xué)思維，根據(jù)物理對象在性能方面的特征而建構(gòu)的物理模型[1]。在實際問題的處理中，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，通過任務(wù)驅(qū)動引導(dǎo)學(xué)生通過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、長度、粗細等。金屬桿的外部因素，如光滑軌道、磁場、外部電路等。桿的電學(xué)模型建構(gòu)和桿的受力、運動情況緊密相連。

2.2? ? 以純電阻模型為起點，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)過程，通過師生、生生互動設(shè)計表格（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模型運用。

任務(wù)1的模型建構(gòu)雖然簡單，但從進階學(xué)習(xí)的角度為學(xué)生后續(xù)建模搭建第一個“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、驗證模型提供有力證據(jù)。通過問題解決讓學(xué)生充分體驗其中大量的建模過程，經(jīng)歷分析、抽象、概括等思維過程，提高學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)。

3? ? 多角度推理、論證、質(zhì)疑，驗證、修正模型

3.1? ? 問題引導(dǎo)，多角度推理、論證、驗證金屬桿的電源（發(fā)電機）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)生動生電動勢，應(yīng)該視為電源模型”。

通過初步建模中的猜想、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? ? 問題引導(dǎo)，多角度推理、論證、質(zhì)疑、修正金屬桿的電動機模型

在任務(wù)3的金屬桿電學(xué)模型建構(gòu)過程中，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)生認為，因為電路中已經(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)生認為，桿產(chǎn)生的電動勢和電流方向相反，是（反向）動生電動勢。此時，金屬桿適合建構(gòu)什么模型呢？這個過程中，學(xué)生經(jīng)歷了評價、質(zhì)疑、創(chuàng)新等高階思維過程，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、融會貫通，在模型拓展、應(yīng)用等過程中深化模型

4.1? ? 運用電源模型，豐富對閉合電路歐姆定律的認知

4.2? ? 運用電動機模型，解決電動機實驗中的質(zhì)疑和猜想

4.3? ? 綜合運用金屬桿的模型解決復(fù)雜問題

情境3：如圖6所示，光滑、水平、足夠長的軌道間距為L。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。整個裝置處于磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中。其余電阻不計，不計空氣阻力?，F(xiàn)使桿1以v0的初速度開始向右運動，桿2由靜止開始釋放。

5? ? 結(jié)? 語

通過任務(wù)驅(qū)動和問題引導(dǎo)，學(xué)生主動參與金屬桿建模過程的體驗，領(lǐng)悟到力學(xué)和電學(xué)建模結(jié)果完全不同，但過程是相似的。教師在課堂中根據(jù)學(xué)情靈活設(shè)疑激思，激發(fā)學(xué)生的認知沖突，通過追根溯源，揭示本質(zhì)，促進學(xué)生認知的發(fā)展并獲得了認知水平的提高。問題解決過程中不斷利用力、動量、功、能量轉(zhuǎn)化等知識進行分析、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)生的運動和相互作用觀、能量觀。

參考文獻：

[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)? 落實學(xué)科核心素養(yǎng)——以“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動”為例[J].物理教學(xué)探討，2021，39（2）：77-80.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）