聚焦模型建構(gòu) 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

摘 要：通過品評(píng)一節(jié)高三二輪專題復(fù)習(xí)的研究課，旨在引領(lǐng)教師如何基于“課前診斷”進(jìn)行“有效教學(xué)”的設(shè)計(jì)，提升教師教學(xué)設(shè)計(jì)的水平。通過“模型建構(gòu)與融合”的課堂實(shí)錄，溯源反思，提出核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教學(xué)要重視情境創(chuàng)設(shè)與展示，重視問題引領(lǐng)與學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)，重視認(rèn)識(shí)沖突與對(duì)話，重視課堂留白與生成，引導(dǎo)教師能基于未來教育觀和理解性教學(xué)觀開展課堂教學(xué)，有效促進(jìn)核心素養(yǎng)的落實(shí)。

關(guān)鍵詞：情境創(chuàng)設(shè)；模型建構(gòu)；專題復(fù)習(xí)；教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）8-0028-5

為了幫助學(xué)生高效備戰(zhàn)高考，促進(jìn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化與系統(tǒng)化，實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)的融合、遷移與應(yīng)用；也為促進(jìn)一線教師在核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高考背景下教學(xué)設(shè)計(jì)水平的提高，實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中有效落實(shí)，筆者主持了一節(jié)高考專題復(fù)習(xí)的區(qū)級(jí)研究課。本節(jié)課的課題是“模型建構(gòu)與融合”，時(shí)長(zhǎng)４０分鐘。

１ 設(shè)計(jì)藍(lán)圖：基于“課前診斷”的“教學(xué)提升”

在架構(gòu)高三專題復(fù)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師首先要明確本節(jié)課要解決的核心問題是什么？對(duì)于解決這一問題學(xué)生已經(jīng)具備了哪些知識(shí)基礎(chǔ)與認(rèn)識(shí)能力，在哪些方面仍存在認(rèn)知困惑？這些問題可以通過課前診斷進(jìn)行調(diào)研和評(píng)估；基于課前診斷結(jié)果，教師要明確本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，即通過本節(jié)課的復(fù)習(xí)，學(xué)生在知識(shí)結(jié)構(gòu)化、方法遷移化、思維流暢化、認(rèn)識(shí)邏輯化等方面有哪些提升？基于上述兩點(diǎn)思考，教師開始設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)與學(xué)生表現(xiàn)性評(píng)價(jià)任務(wù)，有效地編制問題鏈促進(jìn)學(xué)生走向深度學(xué)習(xí)。

１．１ 課前診斷——“學(xué)習(xí)之旅”的起點(diǎn)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版２０２０年修訂）》將模型建構(gòu)的能力要求劃分為五個(gè)水平，核心素養(yǎng)導(dǎo)向的新高考對(duì)模型建構(gòu)的考查大致分為三個(gè)層次：（１）用簡(jiǎn)單、熟悉的物理模型解決問題，對(duì)應(yīng)于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平１和水平２；（２）選用適當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q問題，對(duì)應(yīng)于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平３；（３）創(chuàng)建新的模型解決復(fù)雜問題，對(duì)應(yīng)于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平４和水平５［１］。

分析近五年高考，可以發(fā)現(xiàn)：試題對(duì)于模型建構(gòu)能力的考查，由原來的給定條件引導(dǎo)建模，轉(zhuǎn)向類比經(jīng)典模型進(jìn)行模型遷移，正逐漸轉(zhuǎn)向根據(jù)實(shí)際問題自主建模，對(duì)于模型建構(gòu)能力的要求越來越高。

課前，教師結(jié)合一模試題作答表現(xiàn)編制了調(diào)查問卷，調(diào)查學(xué)生在模型建構(gòu)過程中遇到的困難，概括為４個(gè)方面：（１）缺乏對(duì)題目中情境的感性認(rèn)識(shí)；（２）對(duì)于典型模型的建構(gòu)過程關(guān)注不夠，導(dǎo)致解題時(shí)思維僵化；（３）不能準(zhǔn)確地將題目中所提供的信息與物理概念和規(guī)律建立聯(lián)系，進(jìn)行合理問題轉(zhuǎn)化；（４）缺乏建構(gòu)模型解決物理問題的方法總結(jié)。

1.2 課前診斷——“學(xué)習(xí)之旅”的終點(diǎn)

為了有效幫助學(xué)生解決模型建構(gòu)中遇到的困難，本節(jié)課將通過教師的引導(dǎo)、問題的設(shè)計(jì)和方法的總結(jié)等過程使學(xué)生增強(qiáng)建立物理模型的意識(shí)，能主動(dòng)將實(shí)際問題和典型的物理模型建立聯(lián)系。具體教學(xué)目標(biāo)包括：

第一，觀察實(shí)驗(yàn)或視頻，能用物理概念準(zhǔn)確地描述實(shí)際情境，對(duì)實(shí)際情境形成感應(yīng)認(rèn)識(shí)。

第二，閱讀題目信息并思考如何用物理概念和規(guī)律表達(dá)實(shí)際情境的狀態(tài)和過程，進(jìn)行合理問題轉(zhuǎn)化，能畫出運(yùn)動(dòng)情境圖輔助分析。

第三，通過“蕩秋千”和“水柱沖擊”問題的分析，體會(huì)模型建構(gòu)過程，歸納總結(jié)建構(gòu)模型解決實(shí)際問題的思路和方法。

1.3 規(guī)劃路徑——“學(xué)習(xí)之旅”的認(rèn)知邏輯

用建模的思想解決實(shí)際問題是物理學(xué)中重要的手段和方法。從某種意義上，物理學(xué)就是用模型描述世界、用數(shù)學(xué)表達(dá)模型、用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目茖W(xué)。建模的思想具有統(tǒng)攝性，貫穿于整個(gè)物理學(xué)的研究領(lǐng)域，聚焦模型建構(gòu)的專題復(fù)習(xí)可以從科學(xué)思想方法的角度幫助學(xué)生整合一輪復(fù)習(xí)的知識(shí)，促進(jìn)思維的深度發(fā)展［２］。

模型建構(gòu)的過程充分體現(xiàn)了分析、抽象、概括等思維過程，基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型解決實(shí)際問題的能力屬于高階思維能力。建構(gòu)模型分析和解決問題的關(guān)鍵在于“轉(zhuǎn)化”，即能否把情境的故事情節(jié)轉(zhuǎn)化為物理現(xiàn)象；能否把描述情境的文字轉(zhuǎn)化為物理表述；能否把情境中需要完成的工作轉(zhuǎn)化為物理問題，并建立相應(yīng)的物理模型。因此，對(duì)于模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)離不開情境創(chuàng)設(shè)、情境描述、問題轉(zhuǎn)化、建模分析等教學(xué)環(huán)節(jié)。反之，如果某些環(huán)節(jié)有缺失，就容易引起學(xué)生的認(rèn)知偏差，形成思維定式，“生搬硬套”模型而缺乏深度思考。

在高三二輪復(fù)習(xí)中，許多教師都會(huì)選擇模型建構(gòu)這一專題，教學(xué)流程往往是：先給定常見的物理模型（如柱體模型、球輻射模型、碰撞模型、電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)模型等），然后選取例題說明解題方法和細(xì)節(jié)，最后通過大量變式習(xí)題鞏固模型理解。這樣的“三步走”教學(xué)過程呈現(xiàn)了“以講解代替理解，以提示代替思考，以被動(dòng)接受代替主動(dòng)建構(gòu)”的教學(xué)形態(tài)，在此形態(tài)下，學(xué)生獲取的知識(shí)往往是機(jī)械性、重復(fù)性、淺層性的，很難激發(fā)學(xué)生的深度思考與自主遷移，更談不上培養(yǎng)學(xué)生自主建模解決新情境問題的能力了。這也是目前物理教學(xué)中存在的普遍問題。

開設(shè)本節(jié)研究課的目的也是想為突破上述問題做些引領(lǐng)性的探索與嘗試。本節(jié)課通過“蕩秋千，在最低點(diǎn)站起，擺角會(huì)變化嗎”“水刀對(duì)鋼板的沖擊力有多大”和“水流不同位置的流速有何關(guān)系”三個(gè)問題的引領(lǐng)，體會(huì)模型建構(gòu)的過程，形成模型建構(gòu)解決問題的認(rèn)知路徑。對(duì)于模型建構(gòu)過程，教學(xué)路徑如圖１所示。

2 教學(xué)實(shí)錄：引導(dǎo)模型建構(gòu)，促進(jìn)深度思考，激發(fā)思維躍遷

2.1 教學(xué)活動(dòng)一：蕩秋千，在最低點(diǎn)站起，擺角會(huì)變化嗎

情境 秋千由踏板和繩組成，人在秋千上的擺動(dòng)過程可以簡(jiǎn)化為單擺的擺動(dòng)，等效“擺球”的質(zhì)量為ｍ，不計(jì)空氣阻力，重力加速度大小為ｇ。

在沒有別人幫助的情況下，人可以通過在低處站起、在高處蹲下的方式使“擺球”擺得越來越高。人蹲在踏板上從最大擺角θ１開始運(yùn)動(dòng)，到最低點(diǎn)時(shí)突然站起，此后保持站立姿勢(shì)擺到另一邊的最大擺角為θ２。假定人在最低點(diǎn)站起前后“擺球”的擺動(dòng)速度大小不變。比較θ１和θ２的大小。

教師組織學(xué)生閱讀題目后，播放視頻并引導(dǎo)學(xué)生觀察：人在最后階段是如何蕩秋千的。

問題討論１ 蕩秋千是一種什么樣的運(yùn)動(dòng)？擺動(dòng)過程中，人站立或者蹲下（圖2），對(duì)應(yīng)著哪個(gè)物理量的變化？

有學(xué)生回答是圓周運(yùn)動(dòng)，有學(xué)生回答是單擺運(yùn)動(dòng)。教師自然發(fā)問“那是不是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)呢”，學(xué)生根據(jù)視頻中擺角比較大的特點(diǎn)否定了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為看成豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的一部分比較合理。通過討論，學(xué)生很快認(rèn)識(shí)到：人站立或者蹲下，對(duì)應(yīng)著半徑或者擺長(zhǎng)的變化。

問題討論２ 對(duì)題設(shè)過程可以做怎樣的簡(jiǎn)化？提取關(guān)鍵信息，哪些因素可以忽略掉，哪些問題可以做近似處理？

學(xué)生提取題目信息，并結(jié)合實(shí)際情境發(fā)現(xiàn)：不計(jì)空氣阻力和ｇ的變化，在最低點(diǎn)突然站起即“擺長(zhǎng)突變”意味著不考慮該過程所用時(shí)間，“擺長(zhǎng)突變”假設(shè)速度不變。聽課老師看到此處，不覺感嘆：給學(xué)生時(shí)間來發(fā)掘這一過程的主要因素和次要因素，這是抽象成理想化模型的基礎(chǔ)。但實(shí)際教學(xué)中往往“一帶而過”，甚至“理所當(dāng)然”。

畫運(yùn)動(dòng)示意圖 請(qǐng)你畫出從左側(cè)最高點(diǎn)到右側(cè)最高點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程示意圖，標(biāo)出擺角和擺長(zhǎng)。教師展示學(xué)生作答，如圖3所示。

解決實(shí)際問題 可以采用什么方法比較θ１和θ２的大小，運(yùn)動(dòng)過程可以分為幾個(gè)階段？

有的學(xué)生提出，可以分兩個(gè)階段，分別根據(jù)動(dòng)能定理得到含θ１和θ２的表達(dá)式。教師展示學(xué)生的解答過程，通過列式發(fā)現(xiàn)：ｌ１＞ｌ２，ｃｏｓθ１＞ｃｏｓθ２，即θ１＜θ２。這與視頻中的實(shí)際情境相符合，說明建立的模型是合理的。

此時(shí)，有學(xué)生突然提問“這個(gè)過程中重力勢(shì)能先轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，機(jī)械能應(yīng)該守恒吧”，聽課老師聽到這個(gè)生成性的問題感到欣喜，這是本題容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，教學(xué)中往往會(huì)被忽視。教師也很機(jī)智，借機(jī)將該問題拋給學(xué)生討論。

問題討論３ 蕩秋千從左到右的整個(gè)過程中機(jī)械能守恒嗎？為什么？

有的學(xué)生通過比較左側(cè)最高點(diǎn)和右側(cè)最高點(diǎn)的重力勢(shì)能發(fā)現(xiàn)，機(jī)械能增加了。還有的學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化角度去分析：“如果機(jī)械能一直守恒，人反復(fù)站立、蹲下、站立、蹲下……將不消耗能量，這與實(shí)際不符，所以，應(yīng)該是人消耗了生物能或者化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?！苯處熡诌M(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算這一過程增加的機(jī)械能：ΔＥ＝ｍｇ（ｌ１－ｌ２）。

解題思路小結(jié) 解題思路如圖4所示。

2.2 教學(xué)活動(dòng)二：水刀對(duì)鋼板的沖擊力有多大

情境 現(xiàn)代切割技術(shù)常用的一種“水刀”（圖5），它將水從高壓水槍中高速射出，形成很細(xì)的水束，用來切割鋼板等物體。已知水束的橫截面積為Ｓ，速度為ｖ，并垂直射向鋼板，若水射上鋼板后的速度視為０，水的密度為ρ，求水對(duì)鋼板的平均沖擊力。

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀題目，觀看水刀切割的視頻，幫助學(xué)生形成感性認(rèn)識(shí)。

問題討論１ 把水建構(gòu)成為一個(gè)怎樣的模型進(jìn)行研究？對(duì)這個(gè)情境要做怎樣的簡(jiǎn)化？

學(xué)生結(jié)合題目和實(shí)際情境發(fā)現(xiàn)在這個(gè)問題中：忽略了水碰到鋼板后的反彈；還可以忽略水的重力的作用，這意味著“水碰到鋼板前做勻速直線運(yùn)動(dòng)”，可以建立“柱體模型”進(jìn)行研究，并畫出過程示意（圖6）。

問題討論２ 這段水柱對(duì)鋼板的沖擊力是恒力嗎？用什么方法求解鋼板受到的平均沖擊力Ｆ呢？

多數(shù)學(xué)生運(yùn)用動(dòng)量定理解決了該問題，教師強(qiáng)調(diào)：動(dòng)量定理表達(dá)式是矢量式，要先規(guī)定正方向，再列式求解。（注：在二輪復(fù)習(xí)中要有意識(shí)地訓(xùn)練學(xué)生規(guī)范解題的習(xí)慣）

思想方法遷移 請(qǐng)同學(xué)們思考，我們?cè)谘芯磕男﹩栴}中還建立過柱體模型呢？

學(xué)生互相補(bǔ)充回答，發(fā)現(xiàn)在推導(dǎo)電流微觀表達(dá)式、計(jì)算風(fēng)能和氣體壓強(qiáng)、推導(dǎo)洛倫茲力與安培力的關(guān)系都建立過柱體模型。聽課老師覺得通過“柱體模型”能將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)了模型的遷移與拓展，這樣具有高度結(jié)構(gòu)化的知識(shí)才是可以靈活運(yùn)用的知識(shí)。

2.３ 教學(xué)活動(dòng)三：水流不同位置的流速有何關(guān)系

題目 在生活中經(jīng)?？吹竭@種現(xiàn)象：適當(dāng)調(diào)整開關(guān)，可以看到從水龍頭中流出的水柱越來越細(xì)，如圖7所示，垂直于水柱的橫截面可視為圓。在水柱上取兩個(gè)橫截面Ａ、Ｂ，經(jīng)過Ａ、Ｂ的水流速度大小分別為ｖ１、ｖ２；Ａ、Ｂ的直徑分別為ｄ１、ｄ２，比較ｖ１、ｖ２的大小關(guān)系。

教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀題目，并觀看自拍的水龍頭流水視頻，使學(xué)生對(duì)問題情境形成感性認(rèn)識(shí)。然后，教師通過２個(gè)問題引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷建模過程，解決問題。

問題討論１ Ａ、Ｂ處的水流速度哪個(gè)大？為什么流速大的地方橫截面積??？

學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)很容易判斷出ｖ１＞ｖ２，但有人錯(cuò)誤地認(rèn)為“流速大，壓強(qiáng)小，所以橫截面積也小”，教師引導(dǎo)“如果在真空中，水流形狀與此相似，與流體壓強(qiáng)無關(guān)”，有學(xué)生提出這應(yīng)該是“流量守恒”的結(jié)果，即從截面Ａ流入的水量等于從截面Ｂ流出的水量。

問題討論２ 如何選取研究對(duì)象呢？建立什么樣的物理模型來求解ｖ１、ｖ２？

學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到選?。?、Ｂ間的水為研究對(duì)象，從Ａ流入水的體積等于從Ｂ流出水的體積?！翱紤]到各位置水流速度不同，如何求解瞬時(shí)速度ｖ１與ｖ２”，對(duì)這一問題，有些學(xué)生論述不清。教師啟發(fā)“可以選取哪段時(shí)間的平均速度代替瞬時(shí)速度呢”，學(xué)生立刻回答：“應(yīng)該取液片附近極短時(shí)間Δｔ研究，且在Δｔ內(nèi)的水流速度不變”，于是學(xué)生建立了分層的柱體模型解決問題（圖8）。

2.4 教學(xué)活動(dòng)四：總結(jié)歸納建構(gòu)模型解決實(shí)際問題的思路

建構(gòu)模型解決實(shí)際問題的思路如圖9所示。

3 溯源反思：課堂有留白，學(xué)生真思考，素養(yǎng)方形成

法國(guó)物理學(xué)家拉普拉斯曾說：“普遍的定律表現(xiàn)在特殊的現(xiàn)象里，而特殊的事例里常摻雜有許多外來的因素，只有用最巧妙的心思才能將它們分開而發(fā)現(xiàn)規(guī)律?！边@段話說明人類認(rèn)識(shí)自然、發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程中首先要學(xué)會(huì)識(shí)別現(xiàn)象的主要因素和次要因素，抽象出本質(zhì)物理特征，才能發(fā)現(xiàn)定律，這就是運(yùn)用物理模型思維。本節(jié)課聚焦模型建構(gòu)解決問題，是基于思維方法整合知識(shí)的一次教學(xué)嘗試。

這節(jié)課令老師們印象深刻的是學(xué)生真實(shí)、完整地經(jīng)歷了蕩秋千、流體柱的模型建構(gòu)過程：閱讀問題—展示情境（視頻或圖片）—抽象物理本質(zhì)、忽略次要因素—建構(gòu)模型—解決問題—模型拓展與關(guān)聯(lián)?？此啤敖虒W(xué)節(jié)奏慢、內(nèi)容少”，筆者卻認(rèn)為這才是發(fā)展學(xué)生素養(yǎng)的“高效課堂”，教師問題引領(lǐng)契合時(shí)機(jī)，注重學(xué)生的體驗(yàn)、思考與充分表達(dá)，唯有如此的教學(xué)氛圍才能促進(jìn)學(xué)生深度思考，實(shí)現(xiàn)思維躍遷，有效落實(shí)核心素養(yǎng)發(fā)展。

美國(guó)教育家杜威曾說：“如果我們用過去的方法教今天的學(xué)生，那么我們就是在剝奪他們的未來?！边@句話發(fā)人深省：在急劇變革的２１世紀(jì)，課堂教學(xué)要如何轉(zhuǎn)變？筆者認(rèn)為，一定要從“傳遞型教學(xué)”轉(zhuǎn)向“建構(gòu)型教學(xué)”，釋放課堂活力。在課堂中盡可能調(diào)動(dòng)學(xué)生活躍的思維，發(fā)現(xiàn)不同的思路，激發(fā)認(rèn)知沖突，展開集體智慧，使學(xué)生間的認(rèn)知沖突與活躍對(duì)話成為推動(dòng)教學(xué)的原動(dòng)力［３］。通過這種學(xué)習(xí)掌握的技能與態(tài)度，在走上社會(huì)之后才是有用的。

4 結(jié)束語

今年，ＣｈａｔＧＰＴ引發(fā)了社會(huì)各界關(guān)于ＡＩ發(fā)展前景與影響的激烈討論。作為教師，我們要敢于迎接時(shí)代挑戰(zhàn)，積極探索新型教學(xué)模式：選取“少而重要”的物理“大概念”，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，讓學(xué)生以小組合作的方式運(yùn)用學(xué)科觀念解決真實(shí)問題，經(jīng)歷真實(shí)實(shí)踐，形成個(gè)人理解［４］，達(dá)到“發(fā)展每一個(gè)學(xué)生的核心素養(yǎng)”的根本目的。

參考文獻(xiàn)：

［１］中華人民共和國(guó)教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版２０２０年修訂）［S］．北京：人民教育出版社，２０20：７８－８０．

［２］張健，王華，李春密．基于物理思想方法的專題復(fù)習(xí)單元設(shè)計(jì)——以“守恒思想”教學(xué)為例［Ｊ］．物理教學(xué)，２０２３，45（３）：１２－１５．

［３］鐘啟泉．核心素養(yǎng)十講［Ｍ］．福州：福建教育出版社，２０１８：２１．

［４］張華．讓學(xué)生創(chuàng)造著長(zhǎng)大——2022年版義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)核心理念解析［Ｍ］．北京：教育科學(xué)出版社，２０２２：３６－３９．

（欄目編輯 劉 榮）