建构物理模型 提升核心素养
作者： 农丽清
［摘 要］模型建构是“科学思维”核心素养的要素之一。建构物理模型对于学生学习物理知识和发展物理思维尤其重要。文章对电磁感应的动力学问题中的模型进行归纳总结，并从解决问题的基本思路去分析如何通过合理建构物理模型提升学生的核心素养。
［关键词］物理模型；核心素养；电磁感应；动力学问题
［中图分类号］ G633.7 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2024）06-0078-03
物理学作为当今最精密的自然科学，是其他自然科学和社会科学的基础。高中物理重要的教学目标之一是发展学生的科学思维。“科学思维”核心素养的要素之一是模型建构。建构物理模型可以帮助学生更好地运用物理思维方式解决问题，透彻理解物理概念，掌握物理规律。建构物理模型对于学生学习物理知识和发展物理思维尤其重要。
一、物理模型的含义
物理模型广泛地存在于物理学中，但目前国内外学者对于物理模型并没有统一的定义。人教版高中物理必修1教材对物理模型进行了这样的表述：在物理学中，突出问题的主要方面，忽略次要因素，建立理想化的“物理模型”，并将其作为研究对象，是经常采用的一种科学研究方法。普利高津曾经说过：“物理学并不是自然界本身，是人类与自然界的对话。”模型建构是人类与自然界“对话”的一种重要方式，也是认识物质及其运动的重要手段和思维方式。
在梳理了国内外学者对物理模型的定义之后，笔者认为，物理模型是对物理现象、系统或过程进行抽象和简化的一种描述，是将实际的物理现象或问题经过加工处理后形成的一个思维产物。
二、建构物理模型的教学策略
（一）创设真实情境，培养建模意识
在教学中，教师可以利用探究实验、视频、图片、物理学史等创设情境引入课堂。所创设的情境要贴近学生的生活，要具备真实性和实际意义。创设情境不能是单纯地用来吸引学生的注意力，要从实际生活过渡到模型建构，使学生产生共鸣，从而培养学生的建模意识。
（二）强化概念理解，夯实建模基础
理解并掌握基本概念是建构物理模型的基础。在教材中，有些概念的描述较为简单，需要教师进行详细阐释；有些概念描述得非常清楚，要求学生准确记忆。因此，在建构模型前需要先让学生对相关的概念、规律有清晰的认知。
（三）加强建模训练，强化建模思维
在教学过程中，部分学生由于缺乏对有效信息的准确提取或由于审题不清而抓不住题干的关键信息，只会机械地套用经典模型，无法灵活运用模型。这就要求教师加强建模训练，防止学生的模型建构过程单一化、流程化，强化学生的建模思维。在模型建构教学中，教师应选取具有代表性的习题来强化学生的建模思维，培养学生从题目中提取有效信息、应用已有模型解决问题或建立新模型的能力。教师还要引导学生在审题时抓住关键信息，提高对题干信息的敏感度，从而实现精准建模。
（四）创建学习共同体，促进深度建模
学生的学习不仅需要教师的指导，还需要自身的自主探究和同伴之间的互帮互助。因此，可建立“师生”学习共同体或“生生”学习共同体。“师生”学习共同体的建立，有利于增加学生与教师之间的亲密度，而“生生”学习共同体的建立有利于加强学生之间的合作，提高学生建构模型的积极性。教师在引导学生建构物理模型时，可以发挥学习共同体的作用，引导学生合作分析问题的本质，构建新旧知识的联系，促进学生深度建模。
三、“模型建构”水平的划分
《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对物理学科核心素养的水平进行了划分，其中“科学思维”中的“模型建构”水平划分如表1所示。
四、建构物理模型的作用
（一）有助于培养学生的核心素养
建构物理模型不是一蹴而就的，需要不断地修正与完善，需要实事求是、精益求精的科学态度。通过建构物理模型，可以培养学生的科学探究素养；通过建构物理模型能够帮助学生看透现象的本质，培养学生的科学思维。
（二）有利于学生理解物理概念和掌握物理规律
在建构物理模型前，教师需要引导学生对物理现象和物理问题进行分析，这可加深学生对物理概念的理解。在建构物理模型时，教师需要引导学生运用观察、假设、实验、近似等方法进行独立思考、讨论、研究，在这个过程中，学生的自主学习能力会大幅度提升，并能加深对物理概念的理解和物理规律、物理方法的掌握。
五、建构物理模型提升学生核心素养的实践
下面以电磁感应的动力学问题为例说明如何通过建构物理模型提升学生的核心素养。
（一）模型的建构和选择
根据建构物理模型的教学步骤，教师可以通过演示实验的方式导入目标物理模型，并要求学生仔细观察实验现象，思考相关的物理问题。
电磁感应的单杆模型的建构首先从电磁感应分析产生感应电流开始，要求学生通过讨论分析感应电流的大小跟哪些因素有关，进而理解电磁感应的单杆模型的实质。
如图1所示是电磁感应的动力学问题中的基本模型，即导体棒ab以一定速度v在光滑水平导轨上滑动，质量为m，电阻为r，两导轨的间距为L。首先，进行“源”的分析。在电路中，导体棒ab切割磁感线产生感应电动势充当电源，电源内部电流从b流向a，故a为电源的正极，b为电源的负极，感应电动势E=BLv，内阻为r。接着，进行“路”的分析。这是一个简单的串联电路，只有外电阻R和内电阻r，电流[I=ER+r]。然后，进行“力”的分析。对导体棒ab进行受力分析，其受到重力、支持力、安培力，合外力为安培力。最后，进行“运动”的分析。导体棒ab所受到的安培力的方向和初速度的方向相反，导体棒ab做的是减速运动，随着v减小，E、I、[F安]、[F合]均减小，根据加速度[a=F合m]，可知a减小，所以导体棒ab做的是加速度减小的减速运动，最后导体棒ab速度为0，静止不动。
当学生无法独自建构电磁感应的单杆模型时，教师可引导学生从“源”“路”“力”“运动”四个方面进行分析。学生在教师的引导下建立并完善电磁感应的单杆基本模型，同时拓展出导体棒在水平导轨上受到外力作用的模型及导体棒在倾斜导轨、竖直导轨上的模型（如图2）。
电磁感应的动力学问题的解答关键是“先电后力”，具体的思路如图3所示。
（二）模型的验证和分析
待学生建立了电磁感应的单杆模型后，教师需要引导他们对所建构的模型进行验证和分析。为此，教师可以通过教材例题、习题或高考题来帮助学生检验模型的内在一致性，给学生提供批判性思考的机会。如通过选择性必修第二册教材第46页第6题、第47页第4题两道课后习题来强化学生对模型的验证和分析。第46页第6题展示的是导体棒在光滑水平导轨上的模型，第47页第4题展示的是导体棒在光滑的竖直导轨上的模型。学生通过分析解决不同情境下的问题，强化了对电磁感应的单杆模型的理解。
教师引导学生找出问题中所涉及的模型，并将“源”的电动势、“路”的电流、“力”的[F合]、“运动”的加速度之间的关系（如图4）表征出来，实现对电磁感应的单杆模型的整合。
（三）模型的拓展
待学生建立了电磁感应的单杆基本模型后，教师可以呈现一个涉及电源、电容器的新情境，并将所建构的模型融入新的情境中，引导学生从“源”“路”“力”“运动”四个方面进行分析，从而使电磁感应的单杆基本模型得到拓展（如图5）。例如，引导学生分析2022年高考全国甲卷物理试题第22题。通过高考真题的解题训练，学生充分运用了模型，把握了模型的本质。
六、关于建构物理模型的一些思考
在学习物理的过程中，部分学生存在着思维障碍，表现为不能灵活建构和运用物理模型。对此，教师在教学过程中应注意以下几点：
1.经验丰富的教师会在教学活动中创设情境帮助学生建构模型，培养学生的建模思维和迁移应用知识的能力。但部分教师更关注的是学生对基础知识的掌握以及应试能力的培养，而忽视了学生建模能力的培养，在教学中很少开展模型建构活动。这十分不利于学生的发展。对此，教师应注重开展模型建构教学，着力培养学生的模型建构能力。
2.《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》多次提到物理模型，但并没有明确给出物理模型的概念，新教材对物理模型的描述也比较隐晦，建构物理模型的活动也不多，因此需要教师深入挖掘，并对模型建构教学进行有效设计。
3.很多高考试题都是由教材素材改编、综合、延伸、拓展、嫁接而来，在教材习题中就可以找到“原型”。教师在教学中要回归教材，分析新旧教材的区别，以教材的例题或课后练习作为情境素材开展模型建构教学，引导学生建构物理模型。
4.物理试题的情境往往来源于生活，学生光靠死记硬背知识、机械套用公式是很难解答题目的，教师应引导学生灵活应用物理知识解决问题。学生经常会出现看不懂题目或理解错题意的情况，教师应引导学生建构模型，使学生审清题意，有效解答题目。教师在教学中还应注重结合生活、生产、体育、科技等元素创设教学情境，助推学生建构物理模型。
5.教师在教学中应注重引导学生科学建模，从基本模型建构入手，并进行知识的迁移和模型的拓展，帮助学生走出题海，回归核心素养的“海洋”。
6.物理模型建构教学是以全员参与为前提的，在物理模型教学中教师可以采用小组讨论的方式，引导学生互相交流、讨论。教师要鼓励学生多发言，特别是多鼓励平时不善于表达的学生参与讨论，为学生营造一个互帮互助、轻松愉快的学习氛围。
［ 参 考 文 献 ］
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（责任编辑 黄春香）