高中物理模型化教學案例研究

摘 ""要：高中生面臨著上課聽得懂，下課不會做題的困境。原因之一是學生對知識的分類和整理不足，陳述性知識沒有順利轉(zhuǎn)化成程序性知識或策略性知識。以高中物理“電磁感應”板塊模型應用為例，進行模型化教學案例展示和效果分析。結果顯示，模型化教學對不同層次的學生都有明顯的助益。模型化教學強化了知識點之間的邏輯關系，從而容易被記憶系統(tǒng)儲存和提取。模型化教學中對各種情境進行了整合，減少了學生直接經(jīng)驗獲得過程中的時間成本。

關鍵詞：模型化教學；程序性知識；遷移能力；電磁感應；細化和泛化

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2025）3-0026-5

高中生面臨著上課聽得懂，下課不會做題的困境；有些學生迷信題海戰(zhàn)術，費時費力，卻效果不佳。按照認知心理學分析，主要原因是傳統(tǒng)的不以物理模型為框架的教法和學法導致物理知識是靜態(tài)的陳述性知識，其要求的心理過程主要是記憶。通過物理建模形成的以物理模型為主框架建立的知識，是以產(chǎn)生式系統(tǒng)表征和儲存的程序性知識，有利于知識的攝入、儲存和遷移。物理建模的過程可以實現(xiàn)陳述性知識向程序性知識的轉(zhuǎn)化，甚至是程序性知識向策略性知識的轉(zhuǎn)化。策略性知識有助于提高學生的元認知能力，從而使學生可以自覺監(jiān)控學習過程，培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)的思維習慣，提高物理思維能力，提煉學習方法。

本文以高中物理“電磁感應”板塊模型應用為例，進行模型化教學案例展示和效果分析，進一步完善物理建模教法和學法的實踐策略。

１國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國外，關于物理建模教學的研究主要是以Ｄａｖｉｄ Ｈｅｓｔｅｎｅｓ的模型教學理論為基礎展開的，認為物理建模是包括建立模型、分析模型和驗證模型的基本認知過程。其模型化教學主要是將課堂內(nèi)容分割成板塊，以情境入手，離析出物理模型，進而確定建模的目的和驗證模型的思路，最終經(jīng)過優(yōu)化和修正，形成確定模型，之后再探討將模型應用于其他情境。

在國內(nèi)，一線教師關于物理建模教學的研究雖然起步晚，但成績卓然。例如，有團隊確立了物理建模教學的五項原則和三維目標，提出了學生建模能力中關于建模意義、工具、檢測和技巧等的具體目標。有團隊著眼于中學物理課堂上具體建模模式的建立，提出了物理建模的不同模式，例如，三階段式，即建立模型、識別模型、應用模型；五環(huán)節(jié)式，創(chuàng)設情境、建模準備、建立模型、應用模型和反饋評價。

但是，關于物理建模教與學的案例太少，所以大多數(shù)一線教師認為，在現(xiàn)有體制下，學生需要著重提高的應該是識別和應用模型的能力。學生的困境主體來自模型應用過程的非模型化，建模結果和應用過程嚴重脫節(jié)。本文展示模型應用過程的模型化教學的案例，期待對高中物理一線教學有一定的參考價值。

２模型化教學模式

模型化應用在高中階段大多是以習題課的形式完成的，習題課上，有些教師只是單純地講一些練習題，學生只是學到了零碎的、散點式的知識，無法習得網(wǎng)狀結構的、系統(tǒng)的方法。如果將各種分支類型的題目同時展現(xiàn)出來，讓學生加以分辨，學生能更深刻、完整地把握類似問題間的條件和邊界，從而提煉更簡潔統(tǒng)一的方法，最終才能培養(yǎng)出深層次的、策略性的思維習慣。模型應用過程實現(xiàn)了這些目標，才能減輕學生面對新問題束手無策的窘迫。為此，我們對模型應用的過程采取模型化教學，并以五環(huán)節(jié)模式展開，如圖1所示。

３模型化教學過程展示——“電磁感應”板塊模型應用

３．１主題情境展示

教師提問：發(fā)電機最早是誰發(fā)明的？發(fā)電機的基本原理是什么？最早的發(fā)電機長什么樣子？現(xiàn)在的發(fā)電機大致分為哪兩類？

學生活動：整理課前預習查閱的資料并回答。答案基本上是準確的：最早的發(fā)電機是由法拉第發(fā)明的，基本原理是電磁感應，現(xiàn)在的發(fā)電機分為交流發(fā)電機和直流發(fā)電機。

設計意圖：檢查學生預習的結果，完成有關電磁感應應用方面科學史的教學目標，順利引出電磁感應基本模型的復習。

３．２基礎模型復習

教師提問：電磁感應的兩種本質(zhì)是什么？基本算法有哪些？切割法計算的要點是什么？

學生活動：回憶上節(jié)課所學知識并作答，兩種本質(zhì)指的是感生和動生；基本算法有兩個，電磁感應定律法和切割法；切割法計算的要點是三個物理量必須滿足三垂直。

教師展示問題１：如圖2所示，導體ａｂ是金屬線框的一個可動邊，ａｂ邊長Ｌ＝０．４ ｍ，磁場的磁感應強度Ｂ＝０．１ Ｔ，當ａｂ邊以速度ｖ＝５ ｍ/ｓ向右勻速移動時，感應電流的方向如何？感應電動勢的大小是多少？

學生活動：獨立思考，分析并解答問題，展示答案。

設計意圖：引導學生復習電磁感應相關知識，以例題的形式展現(xiàn)基本模型——單棒平動切割，為接下來的問題作準備。

３．３模型細化

教師展示問題２：如圖3所示，在磁感應強度為Ｂ的勻強磁場中，放置有半徑為Ｌ的光滑半圓形導體框架，ＯＣ是可以繞Ｏ在框架上滑動的導體棒，ＯＣ之間連接阻值為Ｒ的電阻，其余電阻不計，當ＯＣ能以恒定角速度ω轉(zhuǎn)動時，求回路中的電流大小和方向。

教師提醒：相比于基礎模型，將“平動切割”改成“轉(zhuǎn)動切割”，轉(zhuǎn)動軸平行于磁場卻垂直于導體棒。各點線速度不同時，用中點線速度代替。

教師展示問題３：如圖4所示，有一面積為Ｓ、匝數(shù)為Ｎ、電阻為Ｒ的固定矩形線圈放置在磁感應強度大小恒為Ｂ的旋轉(zhuǎn)磁場中，磁場方向垂直于線框的對稱軸ＯＯ＇?，F(xiàn)讓磁場繞ＯＯ＇以角速度ω按圖示方向勻速轉(zhuǎn)動，從圖示位置開始計時，感應電動勢隨時間變化的規(guī)律以及感應電流的方向如何？

教師提醒：在問題２模型的基礎上，改變了轉(zhuǎn)軸的位置，導體棒ａｂ和ｃｄ繞垂直于磁場且平行于導體棒的軸轉(zhuǎn)動，關注感應電流大小和方向變化的特征和節(jié)點。

教師展示問題４：如圖5所示，Ｎ、Ｓ是永磁鐵的兩極，Ｍ是鐵芯，鐵芯外套著矩形導線圈，線圈繞鐵芯Ｍ的中心軸勻速轉(zhuǎn)動。磁極與鐵芯間形成輻向磁場。從圖示位置開始計時，設此時電動勢為正值，求線圈中感應電動勢ε隨時間ｔ的變化規(guī)律。

教師提醒：相比于問題３中的模型，將“勻強磁場”改成“輻向均勻磁場”，轉(zhuǎn)軸改成了垂直于磁場且平行于導體棒，關注磁感應強度的大小和方向。

設計意圖：以問題為基礎，通過改變切割模式和轉(zhuǎn)軸位置實現(xiàn)模型的細化。引導學生將相似問題關聯(lián)起來，提煉統(tǒng)一的方法。引導學生從基礎模型出發(fā)，探尋解決實際問題的方法。

３．４思維過程梳理

教師引導：提醒學生分析每個問題條件的異同：平動切割和轉(zhuǎn)動切割的區(qū)別；轉(zhuǎn)軸垂直于導體棒和平行于導體棒的區(qū)別；勻強電場和輻向均勻磁場的區(qū)別。提醒學生關注這些問題和兩種發(fā)電機的關系。提煉每個問題中應用到的物理和數(shù)學思想方法。

學生提問：直流電和交流電之間的區(qū)別是什么？

教師解答：交流電的大小和方向隨時間周期性變化，正余弦模式為主，而直流電大小和方向不隨時間變化。

設計意圖：課堂中留下必要的、適當?shù)臅r間，供學生總結和整理。讓學生有機會自行消化問題中的重難點，有機會提出自己的疑問。

３．５回歸主題情境

模型細化過程中，導體棒轉(zhuǎn)動切割問題完成后，學生已經(jīng)意識到了發(fā)電機發(fā)明過程中用到的關鍵原理。這一環(huán)節(jié)的設計旨在讓學生更明確發(fā)電機的發(fā)明和電磁感應模型應用過程之間的關系，實現(xiàn)課堂前后呼應。圖6是學生在這一環(huán)節(jié)中，利用發(fā)電機模型和微型手搖發(fā)電機分析驗證問題３和問題４中結論的過程。

設計意圖：在這一環(huán)節(jié)中，學生不僅成功完成了主題情境中的問題，更體驗到了“豁然開朗”的積極情緒，從而激發(fā)他們努力鉆研的勇氣。

４教學效果分析

教學活動結束一周之后，通過試卷考查１０個實驗教學班和１０個對照教學班共６００名學生對該知識板塊的學習效果。共設計１２道題，其中選擇題８道，計算題４道。試題考查內(nèi)容設置如表1所示。

結果顯示，無論是課堂中原例題的再現(xiàn)，還是在其基礎上的變式，實驗班的平均分皆高于對照班。在創(chuàng)新題中，實驗教學班的平均分更是遠超對照班。題目的變形程度、創(chuàng)新程度及難度越高，平均分的差值越大。分析每道題得分的方差，結果顯示，實驗班和對照班相差不大，證明模型化教學方案對不同能力層次的學生都產(chǎn)生了明顯的教學效果。

５反思與總結

模型化教學能夠幫助學生實現(xiàn)知識層次的升華，使原來散落的知識點有了脈絡和骨架，從而如珍珠一般被串聯(lián)起來；模型化教學提醒學生注意知識點之間的邏輯關系，從而容易被記憶系統(tǒng)儲存；模型化教學能夠幫助學生形成對考試題的理性認識，學會對各種類似情境進行整合，減少學生直接經(jīng)驗獲得過程中的時間成本；模型化教學能夠幫助學生提煉合理的學習方法，提高學習效率，優(yōu)化知識結構，從而可以提高學生的知識遷移能力。模型應用過程模型化教學，使學生面對問題時可以更準確地定位題型，更完整地把握細節(jié)，分辨條件，減輕學生面對新題、難題時束手無策的窘迫。

參考文獻：

［１］廖伯琴．物理教育學［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2012.

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［４］田世昆，胡衛(wèi)平．物理思維論［Ｍ］．南寧：廣西教育出版社，１９９６.

（欄目編輯劉 ""榮）

收稿日期：2024-09-11

作者簡介：馬星科（1989-），男，中學一級教師，主要從事高中物理教學工作。