核心素養(yǎng)導向下的高中物理解題模型建構策略

摘

要：物理模型的建構會簡化問題，幫助學生了解解題的通性通法，提高學生的科學思維能力，促進學生靈活應用知識，解決物理問題。核心素養(yǎng)導向下教師要發(fā)揮物理模型作用，引導學生樹立模型思維意識，帶領學生參與模型思維過程，組織學生體驗模型思維方法，加強學生感知模型思維應用，促進學生主動感悟，掌握解題技巧和方法，形成規(guī)律性認識。文章主要探究了核心素養(yǎng)背景下的高中物理解題模型建構策略，促進學生理清物理邏輯關系，抓住重難點，達到對知識的靈活應用。關鍵詞：高中物理；核心素養(yǎng)；解題模型建構一、引導學生樹立模型思維意識，培養(yǎng)物理思維（一）注重概念引導，夯實基礎解題模型是通過物理現象發(fā)現物理規(guī)律的中介物質，學生通過對物理現象的主動分析和模型建構，會了解其中的本質，總結出規(guī)律，形成客觀性認識。教師要帶領學生了解模型概念，學會用模型思想去解決實際問題，發(fā)現更多的物理規(guī)律，推導出適用的公式，實現學生靈活解決問題，提高學習能力。例如，物質模型、狀態(tài)模型或者是過程模型等，會幫助學生更好地理解運動、力和能量的相關知識，促進學生靈活應用知識點和概念，學生在主動思考中會學會抽象思考和推理判斷。例如在探究質點問題時，需要學生將運動中的一些物體看成質點，方便學生對問題的深入探究和挖掘，只有學生將物體抽象化才能夠構建物理模型，提高學生對知識的理解能力，促進學生靈活解決問題。學生在主動探究中會更牢固地掌握基礎知識，鍛煉思維能力，學會邏輯分析，把復雜的問題簡單化，形成規(guī)律性認識，提升學生的學習能力。（二）介紹解題流程，建立模型為了使學生了解解題模型，教師就要向學生介紹解題流程，促進學生通過主動身體和探究的方式建立模型，解決問題。在探究中學生會主動思考，養(yǎng)成科學態(tài)度和求知欲望，鍛煉學生的創(chuàng)造力和建模能力。教師滲透解題建模流程，會使學生不僅知其然而且知其所以然，促進學生增強建模意識，把物理知識簡單化，把握知識本質。教師要引導學生認真研究模型建構的流程，讓學生學會識模、用模，提高解題能力和效率。體驗中學生會首先閱讀物理題目，分析題目中的有效信息，把握關鍵條件，尋找解題突破口，規(guī)范答題步驟，實現對知識的理性認識。例如在學習“楞次定律”時，教師提供試題：一長直鐵芯上繞有一固定線圈M，鐵芯右端與一木質圓柱密接，木質圓柱上套有一閉合金屬環(huán)N，N可在木質圓柱上無摩擦移動，M連接在電路中，其中R為滑動變阻器，E1和E2為直流電源，S為單刀雙擲開關。下列情況中，可觀測到N向左運動的是（

）A．在S斷開的情況下，S向a閉合的瞬間B．在S斷開的情況下，S向b閉合的瞬間C．在S已向a閉合的情況下，將R滑片向c端移動時D．在S已向a閉合的情況下，將R滑片向d端移動時分析中學生會認識到金屬環(huán)N向左運動，是向磁通量增大的方向運動，說明穿過金屬環(huán)N的磁通量在減小，說明線圈M中的電流在減小，故C正確，A、B、D錯誤。通過對解題方法的總結歸納，教師要讓學生認識到這是“增離減靠”法，也就是發(fā)生電磁感應現象時，通過什么方式來“阻礙”原磁通量的變化要根據具體情況而定?？赡苁亲璧K導體的相對運動，也可能是改變導體回路的有效面積，還可能是通過遠離或靠近變化的磁場源來阻礙原磁通量的變化。即（1）若原磁通量增加，則通過遠離磁場源起到阻礙作用。（2）若原磁通量減小，則通過靠近磁場源起到阻礙作用。形成了模型認知會提高學生的認識，促進學生靈活應用知識，主動建模。二、帶領學生參與模型思維過程，提升分析能力（一）探究式教學，主動思考學生是學習的主體，教師要引導學生主動探究，自主建模，了解物理建模解題思想，提高動手建模能力，實現學生順利解決問題。學生在探究中會提高物理建模思維意識，提高建模思維品質，了解解決物理試題的常用方法和一般規(guī)律，實現學生解題能力的提高。學生在自主探究中會了解勻速直線運動、圓周運動、交變電流等知識細節(jié)，在探究中形成規(guī)律性認識，學會用一般規(guī)律解決問題，建立模型認知。例如在學習“交變電流”時，教師提供試題：勻強磁場磁感應強度B＝■T，邊長L＝10cm的正方形線圈abcd共100匝，線圈總電阻r＝1Ω，線圈繞垂直于磁感線的軸OO′勻速轉動，角速度ω＝2πrad/s，外電路電阻R＝4Ω。求：（1）轉動過程中線圈中感應電動勢的最大值；（2）從圖示位置開始計時，感應電動勢的瞬時值表達式；（3）由圖示位置轉過30°角時電路中電流的瞬時值。自主探究中，學生會思考求電流瞬時值的思路是什么？經過對知識的加工學生會想到先求出感應電動勢的瞬時值，再根據閉合電路歐姆定律求解。解答第一問時學生可以設轉動過程中線圈中感應電動勢的最大值為Em，則Em＝NBL2ω＝2■V。在第二問中，學生從圖示位置開始計時，了解到感應電動勢的瞬時值表達式為e＝Emcosωt＝2■cos2πt（V）。第三問中學生從圖示位置轉過30°角時感應電動勢的瞬時值E＝2■cos30°，V＝■V，進而得到電路中電流的瞬時值為I＝■＝■A。自主建模和規(guī)律總結中，學生會認識到求解正弦式交變電流電動勢瞬時值表達式的步驟是確定線圈的轉動是從哪個位置開始計時的，確定表達式是正弦函數還是余弦函數，確定轉動的角速度ω及N、B、S，求出峰值Em，寫出瞬時值表達式。學生主動探究會認識到解題規(guī)律，形成客觀性認識，在主動總結中建構出解題模型，促進學生內化知識，提高解題能力。（二）合作式溝通，相互啟發(fā)在探究物理建模過程中，教師要引導學生通過合作交流的方式來共同討論和溝通，實現思維發(fā)散，提高對知識本質的把握，促進學生靈活應用知識，快速解決物理問題。例如在學習“磁場對通電導線的作用力”時，教師可以組織學生合作探究判斷安培力作用下導體運動情況的方法有哪些？學生會通過交流的方式共同總結方法，建立模型認知。通過溝通，學生會想到電流元法、等效法、特殊位置法、結論法、轉換研究對象法等不同的方法。通過進一步深入挖掘和總結，學生會認識到電流元法就是把整段導體分為多段電流元，運用左手定則判斷出每段電流元所受安培力的方向，從而確定導體運動方向；等效法就是環(huán)形電流可等效成小磁針，通電螺線管可以等效成條形磁體或多個環(huán)形電流，然后根據磁體間或電流間的作用規(guī)律判斷……學生建立了模型化認知會深化對知識的理解，在溝通中更好地理解知識。三、組織學生體驗模型思維方法，拓展應用途徑（一）多媒體創(chuàng)設情境，呈現直觀畫面在帶領學生進行物理建模時，教師要激發(fā)學生的興趣，提高學生學習的主動性，促進學生在主動加工中活躍思維，提高思維品質，了解物理基本模型。教師借助多媒體創(chuàng)設情境，會把抽象的知識形象化，給學生帶來直觀印象，促進學生獲得深刻理解，在主動觀察中理解知識，在情境中把握本質。例如為了使學生了解實用機械（發(fā)動機）在輸出功率恒定起動時各物理量變化過程，教師就可以借助多媒體創(chuàng)設情境，帶領學生觀看，通過形象畫面加深學生對知識的理解和認識。如教師提供如圖圖片，學生融入情境中主動加工和分析會認識到當v↑？圯F=■↓？圯a↓=■？圯F＝f時，a＝0，v達最大值vm→勻速直線運動。在勻加速運動過程中，F不變，a=■不變？圯v↑？圯P↑？圯Fv↑？圯當P=Pm，a≠0？圯v↑？圯■↓？圯a↓=■？圯當F＝f，a＝0，vm→勻速直線運動。學生在媒體情境中會直觀地看到知識，活躍思維，主動建構知識模型，形成對知識的系統(tǒng)性認識，達到理想的學習效果。（二）示范解題方法，完善物理思想學習物理知識的目的就是靈活應用知識，解決實際問題，提高知識的應用性，讓學生將解題體驗上升，達到觸類旁通。教師要帶領學生通過解題建模的方式幫助學生梳理解題規(guī)律，促進學生根據自身能力主動建模和解題，增強應用意識，完善物理思想。例如在學習“電磁感應中的電路、電荷量及圖像的問題”時，教師提供試題：在磁感應為B的勻強磁場固定放一半徑為L的金屬圓環(huán)，長度為L、電阻為r0的金屬棒OA繞圓環(huán)圓心O垂直圓環(huán)面轉軸在電阻為4r0的圓環(huán)上滑動，外電阻R1＝R2＝4r0。如果OA做順時針勻速轉動，電阻R1的電功率最小值為P0。求OA棒勻速轉動的角速度。解題中學生主動分析，探究思路會認識到OA棒轉動時感應電動勢為：E＝■BL2ω。棒轉動時，R1的電功率變化；當棒的A端處于環(huán)的最上端時，圓環(huán)接入電路的總電阻最大，電路中電流最小，R1的電功率最小，此時有：r1＝r2＝2r0，電路中的總電阻為：R＝r0＋■＋■＝r0＋r0＋2r0＝4r0。R1的最小電功率為：P0＝■■R1＝■，可解得：ω＝■，解題后學生主動梳理解題思路和探究方向會促進學生在建模中了解解題步驟，掌握解題方法，形成自己的解題策略。學生積極加工，主動分析會把解題方法存入到數據庫中，突破時空的限制，建立模型思想和模型結構，促進學生對知識的靈活應用。四、加強學生感知模型思維應用，掌握解題技巧（一）優(yōu)化實驗改革，主動體驗實驗教學是物理學習的重要內容，學生通過對實驗現象和實驗步驟的探究會總結出有效的物理規(guī)律，促進學生形成模型認知，提高思維品質。教師引導學生在實驗中探究物理知識，建構物理模型，會促進學生理解各種魔性概念和公式，在積極加工中突破學習難點，提高邏輯思維能力。例如在學習“電磁場和電磁波”時，學生探究麥克斯韋的電磁場理論的實驗通過對實驗裝置的分析，學生會了解所用器械。實驗過程中，學生會看到當感應圈兩個金屬球間有火花跳過時，導線環(huán)兩個小球間也跳過了火花。這是由于當與感應圈相連的兩個金屬球間產生電火花時，周圍空間出現了迅速變化的電磁場。這種變化的電磁場以電磁波的形式在空間傳播。當電磁波到達導線環(huán)時，它在導線環(huán)中激發(fā)出感應電動勢，使得導線環(huán)的空隙中也產生了火花，說明這個導線環(huán)接收到了電磁波。學生在進一步探究中還會明白電磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等現象，促進學生主動建模，深化對知識的提高，在積極參與中實現對知識的內化，提高模型思維能力。（二）編制校本教材，情感共鳴隨著高考命題的多元化和開放化，教師要引導學生多總結規(guī)律，主動建構解題模型，促進學生把握知識本質，面對各種問題都能夠靈活應對。教師可以結合高考命題特點編寫校本教材，帶領學生主動建模，形成物理解題的客觀性認識，促進學生在主動訓練中提高能力，掌握解題方法。例如在學習“磁場對運動電荷的作用力”時，教師就要讓學生明確本節(jié)推導洛倫茲力表達式時，首先根據安培力是洛倫茲力的宏觀表現，建立了物理模型——柱狀導體中定向運動的電荷形成電流。根據實際事物建立物理模型，是研究物理問題的第一步，然后才能運用相關規(guī)律分析解決問題。在建立物理模型時，很多情況下需要忽略次要因素，建立理想化模型，如質點、電荷、輕繩、輕滑