核心素养导向下的高中物理解题模型建构策略

摘

要：物理模型的建构会简化问题，帮助学生了解解题的通性通法，提高学生的科学思维能力，促进学生灵活应用知识，解决物理问题。核心素养导向下教师要发挥物理模型作用，引导学生树立模型思维意识，带领学生参与模型思维过程，组织学生体验模型思维方法，加强学生感知模型思维应用，促进学生主动感悟，掌握解题技巧和方法，形成规律性认识。文章主要探究了核心素养背景下的高中物理解题模型建构策略，促进学生理清物理逻辑关系，抓住重难点，达到对知识的灵活应用。关键词：高中物理；核心素养；解题模型建构一、引导学生树立模型思维意识，培养物理思维（一）注重概念引导，夯实基础解题模型是通过物理现象发现物理规律的中介物质，学生通过对物理现象的主动分析和模型建构，会了解其中的本质，总结出规律，形成客观性认识。教师要带领学生了解模型概念，学会用模型思想去解决实际问题，发现更多的物理规律，推导出适用的公式，实现学生灵活解决问题，提高学习能力。例如，物质模型、状态模型或者是过程模型等，会帮助学生更好地理解运动、力和能量的相关知识，促进学生灵活应用知识点和概念，学生在主动思考中会学会抽象思考和推理判断。例如在探究质点问题时，需要学生将运动中的一些物体看成质点，方便学生对问题的深入探究和挖掘，只有学生将物体抽象化才能够构建物理模型，提高学生对知识的理解能力，促进学生灵活解决问题。学生在主动探究中会更牢固地掌握基础知识，锻炼思维能力，学会逻辑分析，把复杂的问题简单化，形成规律性认识，提升学生的学习能力。（二）介绍解题流程，建立模型为了使学生了解解题模型，教师就要向学生介绍解题流程，促进学生通过主动身体和探究的方式建立模型，解决问题。在探究中学生会主动思考，养成科学态度和求知欲望，锻炼学生的创造力和建模能力。教师渗透解题建模流程，会使学生不仅知其然而且知其所以然，促进学生增强建模意识，把物理知识简单化，把握知识本质。教师要引导学生认真研究模型建构的流程，让学生学会识模、用模，提高解题能力和效率。体验中学生会首先阅读物理题目，分析题目中的有效信息，把握关键条件，寻找解题突破口，规范答题步骤，实现对知识的理性认识。例如在学习“楞次定律”时，教师提供试题：一长直铁芯上绕有一固定线圈M，铁芯右端与一木质圆柱密接，木质圆柱上套有一闭合金属环N，N可在木质圆柱上无摩擦移动，M连接在电路中，其中R为滑动变阻器，E1和E2为直流电源，S为单刀双掷开关。下列情况中，可观测到N向左运动的是（

）A．在S断开的情况下，S向a闭合的瞬间B．在S断开的情况下，S向b闭合的瞬间C．在S已向a闭合的情况下，将R滑片向c端移动时D．在S已向a闭合的情况下，将R滑片向d端移动时分析中学生会认识到金属环N向左运动，是向磁通量增大的方向运动，说明穿过金属环N的磁通量在减小，说明线圈M中的电流在减小，故C正确，A、B、D错误。通过对解题方法的总结归纳，教师要让学生认识到这是“增离减靠”法，也就是发生电磁感应现象时，通過什么方式来“阻碍”原磁通量的变化要根据具体情况而定。可能是阻碍导体的相对运动，也可能是改变导体回路的有效面积，还可能是通过远离或靠近变化的磁场源来阻碍原磁通量的变化。即（1）若原磁通量增加，则通过远离磁场源起到阻碍作用。（2）若原磁通量减小，则通过靠近磁场源起到阻碍作用。形成了模型认知会提高学生的认识，促进学生灵活应用知识，主动建模。二、带领学生参与模型思维过程，提升分析能力（一）探究式教学，主动思考学生是学习的主体，教师要引导学生主动探究，自主建模，了解物理建模解题思想，提高动手建模能力，实现学生顺利解决问题。学生在探究中会提高物理建模思维意识，提高建模思维品质，了解解决物理试题的常用方法和一般规律，实现学生解题能力的提高。学生在自主探究中会了解匀速直线运动、圆周运动、交变电流等知识细节，在探究中形成规律性认识，学会用一般规律解决问题，建立模型认知。例如在学习“交变电流”时，教师提供试题：匀强磁场磁感应强度B＝■T，边长L＝10cm的正方形线圈abcd共100匝，线圈总电阻r＝1Ω，线圈绕垂直于磁感线的轴OO′匀速转动，角速度ω＝2πrad/s，外电路电阻R＝4Ω。求：（1）转动过程中线圈中感应电动势的最大值；（2）从图示位置开始计时，感应电动势的瞬时值表达式；（3）由图示位置转过30°角时电路中电流的瞬时值。自主探究中，学生会思考求电流瞬时值的思路是什么？经过对知识的加工学生会想到先求出感应电动势的瞬时值，再根据闭合电路欧姆定律求解。解答第一问时学生可以设转动过程中线圈中感应电动势的最大值为Em，则Em＝NBL2ω＝2■V。在第二问中，学生从图示位置开始计时，了解到感应电动势的瞬时值表达式为e＝Emcosωt＝2■cos2πt（V）。第三问中学生从图示位置转过30°角时感应电动势的瞬时值E＝2■cos30°，V＝■V，进而得到电路中电流的瞬时值为I＝■＝■A。自主建模和规律总结中，学生会认识到求解正弦式交变电流电动势瞬时值表达式的步骤是确定线圈的转动是从哪个位置开始计时的，确定表达式是正弦函数还是余弦函数，确定转动的角速度ω及N、B、S，求出峰值Em，写出瞬时值表达式。学生主动探究会认识到解题规律，形成客观性认识，在主动总结中建构出解题模型，促进学生内化知识，提高解题能力。（二）合作式沟通，相互启发在探究物理建模过程中，教师要引导学生通过合作交流的方式来共同讨论和沟通，实现思维发散，提高对知识本质的把握，促进学生灵活应用知识，快速解决物理问题。例如在学习“磁场对通电导线的作用力”时，教师可以组织学生合作探究判断安培力作用下导体运动情况的方法有哪些？学生会通过交流的方式共同总结方法，建立模型认知。通过沟通，学生会想到电流元法、等效法、特殊位置法、结论法、转换研究对象法等不同的方法。通过进一步深入挖掘和总结，学生会认识到电流元法就是把整段导体分为多段电流元，运用左手定则判断出每段电流元所受安培力的方向，从而确定导体运动方向；等效法就是环形电流可等效成小磁针，通电螺线管可以等效成条形磁体或多个环形电流，然后根据磁体间或电流间的作用规律判断……学生建立了模型化认知会深化对知识的理解，在沟通中更好地理解知识。三、组织学生体验模型思维方法，拓展应用途径（一）多媒体创设情境，呈现直观画面在带领学生进行物理建模时，教师要激发学生的兴趣，提高学生学习的主动性，促进学生在主动加工中活跃思维，提高思维品质，了解物理基本模型。教师借助多媒体创设情境，会把抽象的知识形象化，给学生带来直观印象，促进学生获得深刻理解，在主动观察中理解知识，在情境中把握本质。例如为了使学生了解实用机械（发动机）在输出功率恒定起动时各物理量变化过程，教师就可以借助多媒体创设情境，带领学生观看，通过形象画面加深学生对知识的理解和认识。如教师提供如图图片，学生融入情境中主动加工和分析会认识到当v↑？圯F=■↓？圯a↓=■？圯F＝f时，a＝0，v达最大值vm→匀速直线运动。在匀加速运动过程中，F不变，a=■不变？圯v↑？圯P↑？圯Fv↑？圯当P=Pm，a≠0？圯v↑？圯■↓？圯a↓=■？圯当F＝f，a＝0，vm→匀速直线运动。学生在媒体情境中会直观地看到知识，活跃思维，主动建构知识模型，形成对知识的系统性认识，达到理想的学习效果。（二）示范解题方法，完善物理思想学习物理知识的目的就是灵活应用知识，解决实际问题，提高知识的应用性，让学生将解题体验上升，达到触类旁通。教师要带领学生通过解题建模的方式帮助学生梳理解题规律，促进学生根据自身能力主动建模和解题，增强应用意识，完善物理思想。例如在学习“电磁感应中的电路、电荷量及图像的问题”时，教师提供试题：在磁感应为B的匀强磁场固定放一半径为L的金属圆环，长度为L、电阻为r0的金属棒OA绕圆环圆心O垂直圆环面转轴在电阻为4r0的圆环上滑动，外电阻R1＝R2＝4r0。如果OA做顺时针匀速转动，电阻R1的电功率最小值为P0。求OA棒匀速转动的角速度。解题中学生主动分析，探究思路会认识到OA棒转动时感应电动势为：E＝■BL2ω。棒转动时，R1的电功率变化；当棒的A端处于环的最上端时，圆环接入电路的总电阻最大，电路中电流最小，R1的电功率最小，此时有：r1＝r2＝2r0，电路中的总电阻为：R＝r0＋■＋■＝r0＋r0＋2r0＝4r0。R1的最小电功率为：P0＝■■R1＝■，可解得：ω＝■，解题后学生主动梳理解题思路和探究方向会促进学生在建模中了解解题步骤，掌握解题方法，形成自己的解题策略。学生积极加工，主动分析会把解题方法存入到数据库中，突破时空的限制，建立模型思想和模型结构，促进学生对知识的灵活应用。四、加强学生感知模型思维应用，掌握解题技巧（一）优化实验改革，主动体验实验教学是物理学习的重要内容，学生通过对实验现象和实验步骤的探究会总结出有效的物理规律，促进学生形成模型认知，提高思维品质。教师引导学生在实验中探究物理知识，建构物理模型，会促进学生理解各种魔性概念和公式，在积极加工中突破学习难点，提高逻辑思维能力。例如在学习“电磁场和电磁波”时，学生探究麦克斯韦的电磁场理论的实验通过对实验装置的分析，学生会了解所用器械。实验过程中，学生会看到当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。这是由于当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时，周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势，使得导线环的空隙中也产生了火花，说明这个导线环接收到了电磁波。学生在进一步探究中还会明白电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象，促进学生主动建模，深化对知识的提高，在积极参与中实现对知识的内化，提高模型思维能力。（二）编制校本教材，情感共鸣随着高考命题的多元化和开放化，教师要引导学生多总结规律，主动建构解题模型，促进学生把握知识本质，面对各种问题都能够灵活应对。教师可以结合高考命题特点编写校本教材，带领学生主动建模，形成物理解题的客观性认识，促进学生在主动训练中提高能力，掌握解题方法。例如在学习“磁场对运动电荷的作用力”时，教师就要让学生明确本节推导洛伦兹力表达式时，首先根据安培力是洛伦兹力的宏观表现，建立了物理模型——柱状导体中定向运动的电荷形成电流。根据实际事物建立物理模型，是研究物理问题的第一步，然后才能运用相关规律分析解决问题。在建立物理模型时，很多情况下需要忽略次要因素，建立理想化模型，如质点、电荷、轻绳、轻滑