核心素養(yǎng)理念下的高中物理模型教學(xué)方法的理論與實(shí)踐研究

摘 要：文章旨在深入探討高中物理核心素養(yǎng)的理論架構(gòu)，細(xì)致剖析物理模型教學(xué)的基礎(chǔ)理論，并通過(guò)實(shí)證研究探索高中物理模型教學(xué)的有效策略。文章首先闡釋了核心素養(yǎng)理念的內(nèi)涵，隨后明確了物理模型教學(xué)的定義，最后深入分析物理模型教學(xué)案例，進(jìn)一步探討了模型應(yīng)用的教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：高中物理；核心素養(yǎng)；物理模型教學(xué)；理論與實(shí)踐融合

一、高中物理核心素養(yǎng)概述

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要涵蓋“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”以及“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”這四個(gè)維度。這四個(gè)維度雖各有側(cè)重，但彼此間存在內(nèi)在聯(lián)系。教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)深入挖掘教材內(nèi)容，充分利用教學(xué)資源，以實(shí)現(xiàn)物理學(xué)核心素養(yǎng)的有效落實(shí)。

二、物理模型教學(xué)法的理論研究

（一）物理模型教學(xué)法的理論基礎(chǔ)

物理模型教學(xué)法基于構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論，旨在探究物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用。構(gòu)建主義理論主張以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在知識(shí)獲取過(guò)程中的主動(dòng)探索、發(fā)現(xiàn)以及對(duì)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。該理論區(qū)分了以學(xué)生為中心的“學(xué)”和以教師為中心的“教”。在模型構(gòu)建過(guò)程中，學(xué)生積極參與知識(shí)的構(gòu)建，這一過(guò)程充分體現(xiàn)了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。因此，物理模型教學(xué)法特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生的“學(xué)”。

認(rèn)知學(xué)習(xí)理論致力于通過(guò)探究人類(lèi)的認(rèn)知過(guò)程，揭示學(xué)習(xí)活動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律。該理論框架下，學(xué)生在獲取新信息后，通過(guò)加工、知識(shí)轉(zhuǎn)化、建模及輸出等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化與應(yīng)用。在此過(guò)程中，教師扮演著至關(guān)重要的引導(dǎo)角色，旨在激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)思考，促進(jìn)其科學(xué)思維能力的發(fā)展，并優(yōu)化其認(rèn)知結(jié)構(gòu)?；诖死碚摚锢砟Ｐ徒虒W(xué)法體現(xiàn)為一種在教師引導(dǎo)和啟發(fā)下的探索性學(xué)習(xí)過(guò)程。

（二）物理模型教學(xué)法的內(nèi)涵

物理模型的構(gòu)建旨在針對(duì)特定的物理問(wèn)題，通過(guò)抽象化和簡(jiǎn)化研究對(duì)象的特定屬性，以深入探究事物的本質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律。該方法是物理學(xué)家研究自然界現(xiàn)象的基礎(chǔ)手段。在高中物理教育實(shí)踐中，采用物理模型教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建精確且適宜的物理模型，不僅能夠增進(jìn)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，而且有助于提升其思維能力，滿足素質(zhì)教育對(duì)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的需求。

物理模型建構(gòu)過(guò)程如圖1所示：

如圖1所示，物理模型教學(xué)法的核心在于將物理問(wèn)題抽象化為模型，通過(guò)構(gòu)建物理模型的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。該模型構(gòu)建過(guò)程與學(xué)生掌握科學(xué)知識(shí)的認(rèn)知邏輯相契合。

（三）物理模型教學(xué)法與物理核心素養(yǎng)的關(guān)系

在物理模型構(gòu)建的過(guò)程中，貫徹新課程理念，將物理學(xué)科的核心素養(yǎng)——包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”以及“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”——貫穿始終?；谛抡n程改革的理念，遵循新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，物理模型教學(xué)法作為一種創(chuàng)新的教育實(shí)踐方法，為物理教學(xué)提供了新的探索路徑，并為物理學(xué)科教學(xué)研究注入了新的活力，有效地促進(jìn)了學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

物理模型的建構(gòu)過(guò)程與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)系如圖2所示。

由圖中可以看出物理學(xué)科核心素養(yǎng)伴隨著物理建模的全過(guò)程，物理模型教學(xué)是落實(shí)核心素養(yǎng)的有效途徑。

三、高中物理模型教學(xué)法的教學(xué)實(shí)踐

在人教版高中物理選擇性必修第三冊(cè)的“恒定電流”章節(jié)中，電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)占據(jù)核心地位，是教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)難點(diǎn)內(nèi)容，并且是高考的常規(guī)考查點(diǎn)。以滑動(dòng)變阻器的教學(xué)為例，初中階段僅對(duì)其進(jìn)行了基礎(chǔ)性的闡述，學(xué)生對(duì)于滑動(dòng)變阻器的工作原理缺乏深入理解。進(jìn)入高中階段，學(xué)生在應(yīng)用滑動(dòng)變阻器時(shí)需掌握限流式接法與分壓式接法的區(qū)別。本研究嘗試通過(guò)以下五個(gè)遞進(jìn)式問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型，并運(yùn)用該模型解決實(shí)際問(wèn)題。

問(wèn)題一：如圖3所示，對(duì)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行拆解，以探究其電阻變化機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)變阻器由一段較長(zhǎng)的電阻絲構(gòu)成，其工作原理基于電壓與電阻絲長(zhǎng)度的正比關(guān)系，這一現(xiàn)象是歐姆定律及電阻定律在部分電路中的具體體現(xiàn)?；瑒?dòng)變阻器的電阻絲雖然長(zhǎng)度較大并纏繞成特定結(jié)構(gòu)，但其基本原理與直線型變阻器相同，如圖4所示。

問(wèn)題二：滑動(dòng)變阻器是如何實(shí)現(xiàn)限流功能的？依據(jù)部分電阻定律，通過(guò)調(diào)整電阻絲在電路中的接入長(zhǎng)度，可以改變其接入電路的電阻值。進(jìn)而，依據(jù)部分電路的歐姆定律，可以調(diào)節(jié)電路中的電流大小。具體操作方法可參照?qǐng)D5所示的接線方式。

問(wèn)題三：如何理解滑動(dòng)變阻器的分壓式接法呢？

如圖6所示的原理圖中，當(dāng)AB兩端接入電源并有電流通過(guò)時(shí)，CP兩端的電壓如何計(jì)算？顯然，AB兩端的電壓與CP兩端的電壓均與這兩段電路導(dǎo)線的長(zhǎng)度呈正比關(guān)系。該現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)在于串聯(lián)電路的分壓規(guī)律，即分壓電路的工作原理。

問(wèn)題四：在實(shí)際應(yīng)用中，變壓器的分壓式接線方法應(yīng)如何實(shí)施？

首先，需明確四個(gè)接線柱的功能，通過(guò)分析其原理圖，結(jié)合實(shí)際電路圖進(jìn)行闡述。具體而言，將電源連接于A與B兩個(gè)接線柱之間，而將負(fù)載接入A與P或B與P之間的接線柱，即可形成分壓電路。具體的接線方式可參照?qǐng)D7所示。

問(wèn)題五：以分壓式接法為例，探討控制電路的分壓式接法在測(cè)量小電阻與大電阻方面的適用性。

通過(guò)以下方法進(jìn)行闡釋?zhuān)航Y(jié)合串并聯(lián)電路的特點(diǎn)，按照一定的規(guī)律，利用Excel表格進(jìn)行數(shù)據(jù)精確計(jì)算（在教學(xué)實(shí)踐中依據(jù)探究原理也可以估算數(shù)據(jù)），本文將采用精確數(shù)據(jù)來(lái)闡明問(wèn)題。

在本研究中，采用兩種不同阻值的滑動(dòng)變阻器，其標(biāo)稱(chēng)總阻值分別為R0＝1000Ω和R0＝10Ω，以及一個(gè)恒定電壓電源U＝10V。同時(shí)，采用兩種不同阻值的負(fù)載電阻，分別為Rx＝1000Ω和Rx＝10Ω。本研究旨在探討在使用分壓式接法測(cè)量負(fù)載電阻時(shí)，哪種接法在技術(shù)上更為適宜。

探究一，分壓式接法測(cè)量負(fù)載電阻Rx＝10Ω，滑動(dòng)變阻器總阻值R0＝1000Ω為例，電路圖如圖8所示，測(cè)量電路采用電流表外接法，控制電路為分壓式接法。

計(jì)算原理圖如圖8，滑動(dòng)變阻器的總電阻分為R1和R2兩部分阻值。滿足關(guān)系式：R0＝R1＋R2，被測(cè)量的負(fù)載電阻Rx與滑動(dòng)變阻器的R1部分并聯(lián)，并聯(lián)阻值R并＝[R1RxR1+Rx]，電路中的總阻值為R總，由電路圖可知R總＝R2＋R并，測(cè)量電路部分的電壓為Ux，Ux＝[R并R總]U。

如表1所示，在上述公式中輸入相應(yīng)的電阻數(shù)值，計(jì)算出精確數(shù)據(jù)填入表格。當(dāng)移動(dòng)滑片P，改變滑動(dòng)變阻器的阻值時(shí)，注意到被測(cè)量電路的電壓數(shù)值很小，電壓變化非常不明顯。

結(jié)論：分壓式接法不適合用阻值大的滑動(dòng)變阻器測(cè)量阻值小的被測(cè)電阻。

探究二，滑動(dòng)變阻器分壓式接法測(cè)量負(fù)載電阻Rx＝1000Ω，滑動(dòng)變阻器總阻值R0＝10Ω為例，電路如圖9，計(jì)算原理同上。按照上述公式輸入電阻數(shù)值，計(jì)算出精確數(shù)據(jù)填入表格，結(jié)果如表2所示。

表中數(shù)據(jù)揭示，在滑動(dòng)變阻器阻值R隨滑片P的移動(dòng)而改變的過(guò)程中，觀察到被測(cè)電路的電壓Ux與電源電壓U之比值趨近于電阻R1與R0的比值，且電壓變化趨于線性變化，呈現(xiàn)顯著性。

結(jié)論：分壓式接法適合用阻值小的滑動(dòng)變阻器測(cè)量阻值大的被測(cè)電阻。

滑動(dòng)變阻器的使用是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，滑動(dòng)變阻器的建模分析過(guò)程綜合了恒定電流理論、電阻定律、部分電路歐姆定律以及對(duì)串聯(lián)電路和并聯(lián)電路這兩種基礎(chǔ)電路模型的理解與應(yīng)用。用串聯(lián)電路中的分壓原理針對(duì)分壓式接法的適用條件進(jìn)行深入探究，突破了教學(xué)難點(diǎn)，取得了很好的教學(xué)效果。

四、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)行的課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。依據(jù)新課程理念的指導(dǎo)，探索實(shí)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)的具體路徑、策略以及有效的教學(xué)媒介，成為教育工作者必須深思熟慮并付諸實(shí)踐的課題。物理模型的構(gòu)建，為學(xué)生提供了連接物理知識(shí)的橋梁。物理模型作為物理知識(shí)與思維方法的媒介，在知識(shí)傳遞過(guò)程中被賦予了更深層次的意義，有助于建立科學(xué)的思維模式，并在理解與應(yīng)用物理模型解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題方面發(fā)揮作用。因此，“物理模型教學(xué)法”在物理教學(xué)中具有一定的指導(dǎo)價(jià)值，并被視為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效手段。

參考文獻(xiàn)：

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