高中物理“六環(huán)節(jié)四要點”模型教學(xué)實施路徑探究

摘 要：進階式的模型教學(xué)能分層搭建“臺階”，有效突破學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中存在的程序性知識缺乏迭代、關(guān)鍵能力運用鈍化等痛點。本研究提出“六環(huán)節(jié)四要點”模型教學(xué)方式，基于物理模型的科學(xué)性、系統(tǒng)性、發(fā)展性和局限性，提煉生長點、沖突點、探究點、素養(yǎng)點等四要點，結(jié)合學(xué)情分析、教材分析、目標(biāo)設(shè)定、問題導(dǎo)學(xué)、模型助學(xué)、反饋評價等六環(huán)節(jié)，構(gòu)建“六環(huán)節(jié)四要點”模型教學(xué)進階式教學(xué)路徑，以《力的分解》為例，通過真實情境創(chuàng)設(shè)、實驗探究和模型建構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生從問題簡化、分力方向分析到多模關(guān)聯(lián)應(yīng)用，逐步實現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)化與素養(yǎng)進階。

關(guān)鍵詞：物理模型；模型教學(xué)；六環(huán)節(jié)；四要點；課堂要素

中圖分類號：G63 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0450-9889（2025）08-0097-04

傳統(tǒng)課堂往往關(guān)注陳述性知識，注重訓(xùn)練學(xué)生按部就班地運用知識，導(dǎo)致學(xué)生只建立了具體表征，但是知識零星不成體系，思維僵化程度高，遺忘速度快，科學(xué)思維并沒有獲得發(fā)展；有的教學(xué)雖以問題導(dǎo)學(xué)，注重形成核心方法，立意很高，可是實施很難。根據(jù)建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論和科學(xué)研究方法論探究其原因，主要是未讓學(xué)生形成高度概括的圖式和樣例，從認知起點到一般問題解決跨度太大，僅靠問題鏈難以有力支撐概念進階，因而導(dǎo)致物理素養(yǎng)培養(yǎng)無枝可依、后勁不足。可見，只以問題作為“腳手架”仍舊難以形成問題圖式，還需要模型來搭好“臺階”。物理模型作為結(jié)構(gòu)化的知識和能力小單元，能幫助學(xué)生在解決問題過程中實現(xiàn)“化繁為簡、化生為熟、化難為易”。而模型教學(xué)包含模型的觀察、建構(gòu)、應(yīng)用和遷移四個階段，能幫助學(xué)生提升建模能力，有效突破程序性知識缺乏迭代、關(guān)鍵能力運用鈍化的普通高中物理學(xué)習(xí)痛點，使學(xué)生形成良好的認知策略，培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

本研究以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，從模型本身的四大特質(zhì)出發(fā)，找準(zhǔn)能夠促進學(xué)生實踐信息加工和意義建構(gòu)的四個模型教學(xué)要點，采用“5W1H”分析法梳理模型教學(xué)運行機制，提煉出高中物理“六環(huán)節(jié)四要點”模型教學(xué)方式。

一、“六環(huán)節(jié)四要點”模型教學(xué)方式的含義及實施路徑

物理模型是在研究和解決物理學(xué)問題時，舍棄次要因素，抓住主要因素，進而建立的概念模型［1］。它具有科學(xué)性［2］、系統(tǒng)性、發(fā)展性、局限性［3］等特點。

物理模型特性與模型課堂設(shè)計要點關(guān)系如圖1所示。模型的科學(xué)性與發(fā)展性特點指向模型教學(xué)中的“生長點”。在模型教學(xué)之初，教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)情分析與教材分析，聚焦“生長點”明確“學(xué)習(xí)主體（Who）”和“為什么學(xué)（Why）”，設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)。

模型的局限性與系統(tǒng)性能夠激發(fā)模型教學(xué)中的“沖突點”。圍繞“沖突點”創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，明確“學(xué)什么（What）”。

模型的科學(xué)性與系統(tǒng)性形成了模型教學(xué)中應(yīng)聚焦的“探究點”。根據(jù)“探究點”拆分任務(wù)，據(jù)此確定“怎么學(xué)（How）”“何處學(xué)（Where）”“什么學(xué)習(xí)階段（When）”。教師設(shè)置驅(qū)動問題且提供認知支架，助力學(xué)生自主建模、實施探究、驗證并表征模型。

模型的發(fā)展性與局限性將造就模型教學(xué)中的素養(yǎng)點。以結(jié)果為導(dǎo)向，找準(zhǔn)“學(xué)到什么程度”進行評價與反饋，從而實現(xiàn)知識系統(tǒng)化、思維系列化、方法模型化、策略歸元化的素養(yǎng)進階。

高中物理“六環(huán)節(jié)四要點”模型教學(xué)方式，是以美國學(xué)者哈倫（Halloun）提出的“模型選擇—模型建構(gòu)—模型驗證—模型分析—模型拓展”建模教學(xué)流程［4］為基礎(chǔ)，聚焦模型教學(xué)的生長點、探究點、沖突點和素養(yǎng)點，實施“學(xué)情分析—教材分析—目標(biāo)設(shè)定—問題導(dǎo)學(xué)—模型助學(xué)—反饋評價”六環(huán)節(jié)的教學(xué)流程（如圖2所示）。模型教學(xué)過程也不是線性的，需要不斷構(gòu)建與優(yōu)化，如果反饋評價發(fā)現(xiàn)模型建構(gòu)能力水平不佳，則繼續(xù)創(chuàng)設(shè)新情境或選取新問題［5］，繼續(xù)開展模型助學(xué)，持續(xù)完善問題解決圖式。

二、基于高中物理“六環(huán)節(jié)四要點”模型教學(xué)方式的“力的分解”教學(xué)設(shè)計

生活中的物理情境幾乎都可以構(gòu)建出相應(yīng)的物理模型，再結(jié)合力的分解和合成來分析與解決相應(yīng)的問題。學(xué)生此前學(xué)過的輕繩、輕桿、輕彈簧和剛性支持面等模型也在分析實際問題中關(guān)聯(lián)起來，促進學(xué)生從SOLO理論中的單點結(jié)構(gòu)上升到多點結(jié)構(gòu)甚至關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次。而通過建立物理模型，也能夠?qū)⒊橄蟮牧Φ姆纸膺^程具象化。因此，選取“力的分解”為例探討高中物理“六環(huán)節(jié)四要點”模型教學(xué)方式的實施具有較高的研究價值。

（一）聚焦生長點，分析學(xué)情和教材

“力的分解”內(nèi)容選自人教版教科書物理必修第一冊第三章第五節(jié)。力的合成和分解是矢量學(xué)習(xí)的入門，是受力分析和解決問題的重要工具［6］。等效替代思想為位移、速度、加速度等矢量的分解奠定了基礎(chǔ)。學(xué)生已經(jīng)掌握了力的概念及受力分析的基本方法，學(xué)習(xí)了力的合成及平行四邊形定則，知道了等效替代的思想方法。因此，本節(jié)課的重點是讓學(xué)生體會如何按力的作用效果分解力。

本節(jié)的情境與生活聯(lián)系緊密，建模難度較低，教師可以結(jié)合實驗循證，歸納分解規(guī)律，再運用到新情境中解決新問題。解決這類問題的核心是將三維情境中的受力分析分解降維到共面甚至共線的情況，實現(xiàn)化繁為簡。考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)過質(zhì)點、勻變速直線運動等模型，他們的物理模型構(gòu)建水平處于水平2——能在熟悉的問題情境中運用常見的物理模型［7］。因此，本節(jié)模型教學(xué)的生長點可以確定為從單一連接體模型拓展到關(guān)聯(lián)模型，受力從原來的一維拓展到多維。教師在設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)時應(yīng)有意識地創(chuàng)設(shè)情境，結(jié)合演示實驗，讓學(xué)生在觀察、探究過程中發(fā)展觀察能力和提取關(guān)鍵相似點、忽略次要因素的建構(gòu)模型的能力，最終在情境中識別模型并運用模型解決問題。

（二）聚焦沖突點，創(chuàng)設(shè)情境并提出問題

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境1，激趣引入。

教師活動：播放視頻1。昨天老師的車陷在淤泥中，旁邊只有一棵樹，車上只有拖車繩，車重1.5噸。同行的兩位男老師嘗試在車尾用力推車，但是沒推動。

師：（提出問題）大家能不能想想辦法，把車拖出來？

學(xué)生活動：學(xué)生紛紛提出方案，如利用杠桿、省力滑輪，以及多找些人等。

教師活動：播放視頻2。實驗員把拖車繩綁到樹干上后走到樹和車中間，輕松地拉動繩子，車便被拉動了。

學(xué)生活動：學(xué)生疑惑，提出問題。實驗員為什么能輕松把車拉動呢？

設(shè)計意圖：利用生產(chǎn)生活中“四兩撥千斤”的情境，設(shè)置實驗事實與前概念沖突，提出原始問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲，引入新課。

（三）聚焦探究點，任務(wù)驅(qū)動促模型助學(xué)

環(huán)節(jié)二：拆解問題，任務(wù)驅(qū)動。

師：要想回答實驗員為什么能夠“四兩撥千斤”這個問題，我們應(yīng)該怎么探究？

生1：探究繩給車的力與實驗員給繩的力的大小有什么關(guān)系。

生2：探究繩給車的力與實驗員給繩的力的方向有什么特點和關(guān)聯(lián)。

師：我們沒辦法到現(xiàn)場實地測量數(shù)據(jù)，該怎么辦？

生1：建模并采用實驗室儀器模擬情境，開展實驗探究，得到理論結(jié)果后如果條件允許再去實地驗證。

生2：利用粗糙滑塊等效替代汽車、細繩替代拉車繩、鐵架臺替代樹干，鐵架臺上的細繩可以拴接力傳感器測量繩給車的拉力，用另一個力傳感器等效替代實驗員。

學(xué)生活動：采用生2提出的方案分組探究，完成建模。學(xué)生分組開展實驗探究，記錄兩個力傳感器的示數(shù)，用兩點法標(biāo)記記錄兩個力的方向。運用力的圖示表征繩給車的力與實驗員給繩的力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)遵循平行四邊形定則，且繩給車的力遠大于實驗員給繩的力。

教師活動：演示實驗，直接拉木塊使之運動。

師：像這樣，如果原來幾個力產(chǎn)生的效果跟一個力產(chǎn)生的效果相同，這個力就叫作那幾個力的合力。求幾個力的合力叫作力的合成。幾個力共同作用的效果如果跟原來一個力產(chǎn)生的效果相同，我們就說這幾個力就叫作原來那一個力的分力。那么，求一個已知力的分力就叫作力的分解。

師：力的分解和合成有什么關(guān)系？

生：互為逆運算。

師：力的分解遵循什么原則？

生：平行四邊形定則。

師：注意，力的分解中合力真實存在，而分力不存在。力的合成是已知鄰邊求對角線，力的分解是已知什么求什么？

生：已知對角線求鄰邊。

師：如果沒有其他限制，對同一對角線，能夠作出多少個不同的平行四邊形？

生：無數(shù)個。

設(shè)計意圖：學(xué)生經(jīng)歷提取真實問題中的關(guān)鍵要素進而建構(gòu)模型的過程，自主開展實驗探究，體會科學(xué)態(tài)度與責(zé)任；歸納物理概念，進一步滲透等效替代思想，使學(xué)生形成物理觀念。

環(huán)節(jié)三：模型建構(gòu)，驗證提煉。

師：實際分解力時如何分解呢？

生：按力的作用效果。

教師活動：創(chuàng)設(shè)情境2。早上老師拉著行李箱返校。老師對行李箱的拉力有怎樣的作用效果？可以分解為哪兩個分力呢？

學(xué)生活動：提取模型。人在水平面拉著行李箱的情境，可以等效成水平面上的小物塊受一個斜向上的拉力。

教師活動：提供學(xué)習(xí)材料。提供兩個有橫桿的鐵架臺、一個自制的PVC支持面（較軟，易發(fā)生形變），引導(dǎo)學(xué)生用它們觀察斜拉木塊時支持面的變化。

學(xué)生活動：進行半定量實驗探究1——“拉力有什么效果？”。生1觀察發(fā)現(xiàn)，相比物塊靜止在支持面上的時候，有斜向上拉力情況下支持面不那么彎曲，說明拉力具有上提的作用。生2觀察發(fā)現(xiàn)，木塊往前運動，說明拉力有向前拉的作用。學(xué)生進而利用圖像表征，將拉力分解為沿水平向前和豎直向上的兩個分力。

師生活動：師生總結(jié)按力的效果進行力的分解的基本步驟。1.分析力產(chǎn)生的效果；2.由力的效果確定分力的方向，用虛線畫出兩個分力的方向；3.以兩個分力的方向為鄰邊作平行四邊形，確定兩條鄰邊的長，用帶箭頭的實線表示分力；4.計算分力的大小。

設(shè)計意圖：從新情境中確定研究對象，建立水平面滑塊模型。利用PVC自制軟平面讓學(xué)生直觀觀察到支持面形變，明確拉力的作用效果。確定分力方向，總結(jié)分解規(guī)范，形成具有系統(tǒng)性的知識。掌握使用圖像表征合力與分力關(guān)系的方法。

環(huán)節(jié)四：模型鏈接，方法檢驗。

教師活動：展示滑梯和引橋的圖片，創(chuàng)設(shè)情境。

師：同學(xué)們有沒有玩過過山車、滑梯？是不是越陡越刺激？但是大橋越平緩越使人放心。這是為什么呢？你能不能利用力的分解的知識解釋一下？

學(xué)生活動：提取模型，分析其中一截。忽略弧度影響，可以將過山車軌道、滑梯、橋面看成是斜面，游玩過山車、滑梯或車輛過橋相當(dāng)于一個小木塊在斜面上運動。

師：重力在這個情景里面有什么效果呢？

學(xué)生活動：開展體感實驗1。用手掌托住課本模擬斜面，增大傾斜程度體會重力的作用效果，畫出分力方向。

生：一開始水平，書壓在手上；隨著傾角增大，書變輕、下滑。重力讓書緊貼手面，又讓書沿著手下滑。

學(xué)生活動：開展半定量實驗探究2。1.托住小物塊保持軟斜面平直，釋放滑塊，滑塊下滑。說明重力的一個分力使物體下滑——這個力的方向沿斜面向下。2.托住斜面上端，觀察斜面形變情況，釋放滑塊，滑塊下滑時斜面彎曲。說明重力的另一個分力使物體緊貼斜面——其方向垂直斜面向下。模型圖像表征如圖3所示。

[G1=Gsin[θ]

G2=Gcos[θ]]

師：G2是壓力嗎？

生：不是，是重力的分力。

師：斜面傾斜角θ越大，G1、G2怎么變？

生：G1越大，G2越小。

師生活動：歸納得出結(jié)論。高大的橋要造很長的引橋，目的是減小車沿斜面方向的分力G1，使得上橋容易、下橋安全；為獲得更刺激的游玩體驗，過山車和滑梯需要傾斜角較大。

設(shè)計意圖：給出引橋、立交橋、盤山公路、過山車、滑梯等多個情境，讓學(xué)生觀察相同點，忽略立交橋可能是環(huán)形立交等次要因素，提取斜面模型進行分析，強化模型觀察和提取能力。利用體感探究和自制軟平面演示實驗讓學(xué)生直觀觀察分力方向，得到分力表達式后結(jié)合數(shù)學(xué)知識分析變化，解釋實際問題，層層深入。

環(huán)節(jié)五：多模關(guān)聯(lián)，形成圖式。

教師活動：展示塔吊圖片（圖略）。

學(xué)生活動：提取模型。塔吊上面有繩有桿，并且繩和桿形成三角支架結(jié)構(gòu)、死結(jié)模型與活桿模型的結(jié)合。

學(xué)生活動：開展體感實驗2。如圖4所示，用筆支起繩子，感受手指受的是拉力還是壓力，手掌受的又是什么力。

學(xué)生活動：學(xué)生展示模型圖像表征（如圖5所示），畫出分力的方向，求兩分力大小。

教師活動：展示港珠澳大橋圖片（圖略）。

師：這個模型還運用在港珠澳大橋上。大橋全長55km，主橋為三座大跨度鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋。

學(xué)生活動：驗證表征，解決問題。手拉繩這部分簡化成輕繩活結(jié)模型。手給繩的拉力可以分解成兩邊拉繩的力，兩分力一樣大。對角線相同時，從作圖可知兩分力夾角越大，鄰邊越長，分力越大。

設(shè)計意圖：強化模型觀察能力和信息提取能力，從原始問題中進行問題簡化和物理量純化，經(jīng)歷模型組合與建模過程。利用體感探究繩桿彈力方向，確定分力效果。展示拉索橋也運用了該模型，使力的分解的知識有效結(jié)構(gòu)化，也使模型建構(gòu)認知程序化，有效發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。最后讓學(xué)生觀看港珠澳大橋圖片激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生觀察生活的習(xí)慣。

（四）聚焦素養(yǎng)點，反饋評價顯素養(yǎng)進階

環(huán)節(jié)六：反思小結(jié)，內(nèi)化知識。

師生活動：課后反思小結(jié)，完善認知圖式。對標(biāo)物理學(xué)科核心素養(yǎng)和物理模型建構(gòu)能力水平劃分，結(jié)合過程性評價與形成性評價，進行模型教學(xué)的學(xué)后診斷［8］。

學(xué)生模型認知層次以及對應(yīng)的素養(yǎng)培養(yǎng)可以分為以下四個層次。

第一層次：模型認知角度建立——“煉”。觀察描述、去“枝”留“干”。解析優(yōu)化模型要素。

第二層次：模型認知思路形成——“鏈”。分析關(guān)聯(lián)、歸納檢驗。靶向增強模型鏈接。

第三層次：模型認知方式生成——“聯(lián)”。推論聯(lián)想、綜合運用。訓(xùn)練多重模型表征。

第四層次：模型認知策略呈現(xiàn)——“斂”。遷移發(fā)散、建模歸納。歸納拓展模型方法。

教學(xué)設(shè)計與實踐中，采用“六環(huán)節(jié)四要點”模型教學(xué)聚焦“生長點”，分層分類實施課堂教學(xué)，為模型學(xué)習(xí)注入了活力；圍繞“沖突點”，以真實探究為平臺發(fā)展科學(xué)思維，提升了模型學(xué)習(xí)的魅力；根據(jù)“探究點”，以認知策略為根本，增強了學(xué)生模型學(xué)習(xí)的動力；錨定“素養(yǎng)點”，以學(xué)科閱讀為環(huán)境提升科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，強化了模型學(xué)習(xí)的實效，發(fā)展了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻

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［3］蘭俊卿，杜國宏.“電磁場與電磁波”教學(xué)中物理模型的構(gòu)建方法和作用研究［J］.無線互聯(lián)科技，2018，15（19）：85-87+93.

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［5］劉瑞燕，高守寶.指向物理學(xué)科關(guān)鍵能力培養(yǎng)的“牛頓第三定律”學(xué)歷案設(shè)計研究［J］.中學(xué)物理，2022，40（21）：4-10.

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［8］任文俊.基于模型轉(zhuǎn)變的高中物理靜電教學(xué)例析［J］.廣西教育，2024（17）：131-133+141.

注：本文系2024年度南寧市基礎(chǔ)教育教學(xué)成果獎“高中物理‘三模共育’素養(yǎng)培養(yǎng)的創(chuàng)新實踐”的研究成果。

（責(zé)編 劉小瑗）

作者簡介：劉瓏，1988年生，廣西柳江人，碩士研究生，高級教師，主要研究方向為物理教學(xué)、跨學(xué)科融合課程設(shè)計。