构建中学物理闯关型教学模式促进学生建模能力的水平进阶

摘 要：当前高考应试形势下，部分师生只注重模型的硬性记忆、生搬硬套，学生难以形成真正的建模能力.以学习進阶理论为指导，借鉴游戏中的闯关理念，构建了中学物理闯关型教学模式;并将该模式应用于复习课“平抛模型”的教学实践中.本模式有比赛、合作、自主、对比等闯关形式，学生在进阶问题链引导下逐级闯关，建模水平层级在闯关中逐级进阶发展.

关键词：闯关;建模;水平;进阶;能力

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0028-04

作者简介：余耿华（1976-），男，广东兴宁人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学、教学模式.

在中学物理教学中，师生们越来越意识到建模的重要性，但在应试的教育体制下，导致部分师生只注重模型的硬性记忆、生搬硬套，长此为往，学生思维慢慢僵化，很难形成真正的建模能力;另一方面，学生对游戏却是欲罢不能、无师自通，学生的游戏思维进阶神速.为此，笔者尝试以学习进阶理论为指导，借鉴游戏中的闯关理念，构建了中学物理闯关型教学模式;并将该模式应用于高三复习课“平抛模型“的教学实践中，学生在逐级闯关中其建模水平逐级进阶发展.

1 相关概念的界定

1.1 学习进阶理论及中学物理闯关型教学模式

美国国家研究理事会（NRC） 将学习进阶理论定义为：“学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的假定描述.在一个适当的时间跨度下，学生学习和探究某一重要知识或实践领域时，思维方式逐渐进阶[1].”

中学物理闯关型教学模式：本模式以学习进阶理论为指导，借鉴游戏中的闯关理念，以学生原有的认知为闯关基础，以核心概念、规律或方法为主线，设计闯关，一般以教学内容的模块为大关，以具有思维进阶的问题链为一个个小关（学习进阶中的阶）.闯关形式有比赛、合作、自主、对比等，学生在问题链引导下逐级闯关，科学思维水平在闯关中不断进阶发展.本模式主要应用在提升学生的科学思维水平层级，也可以应用在提升学生物理核心素养的其他要素的水平层级.

从以上阐述可知，学习进阶刻画的是学生思维发展的过程，因此从这一理论出发，基于学生原有认知基础，根据学生认知思维发展进阶的特点，设计基于学生视角的具有思维进阶的闯关大关（任务）和小关（进阶问题链）是课堂活动设计的关键.

该模式在实践应用中，可根据教情和学情需要，有针对性地选择或融合多种闯关形式.在具体的一节课教学中，若学生遇到困难，可以自主揭开预先提供的锦囊（参考答案或提示），同时根据个性或共性的反馈情况，可以采用师生互助、小组互助等形式一起闯关，促进学生自主而有个性的学习.

1.2 建模的水平层级

2020年，教育部发布了《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标），新课标尤其关注学生物理学科核心素养的提升，将科学思维中的建模能力按学业质量要求进行了如图1所示详细的水平层级划分[2-3].

2 闯关型教学模式——水平进阶案例

本文以高三复习课“平抛模型”为例的闯关过程总框架如图2所示.

2.1 大闯关一：自主闯关，整合知识框架

新课标理念之一是引导学生自主学习，自主学习也是学生终身发展所必需的关键能力之一.在教学实践中，我们应该注意将大闯关（大任务）分解为若干进阶的小关（小任务），可以将闯关过程中的小关答案或提示变成锦囊，放在台面的小盒子里，学生不会时可以通过锦囊，也可以适时通过师生互助、同伴互助继续自主闯关，让学生能自主闯关、喜欢自主闯关，在闯关过程中找到兴趣和信心，不断促进学生的自主学习能力提升.自主闯关宜设计在较简单的任务中.

闯关基础：学生在日常生活中常见一些平抛运动，高一已经学习过平抛运动，本节课定位是复习课;学生已有处理曲线运动的基本方法，如化曲为直.但学生习惯于死记模型，往往未能将实际的平抛运动与平抛模型联系起来，缺乏对动力学具体问题具体分析的习惯.

闯关情境设置：

小关1：请水平抛出一个粉笔头，观察粉笔头做什么运动？回答以下几个问题？（有条件的小组或学校可以用手机慢拍粉笔头做平抛运动的视频，并按一定时间间隔展示平抛运动的轨迹）

小关2：请只用米尺测出粉笔头做平抛运动的初速度v0？

小关3：一般如何处理曲线运动？

小关4：请通过计算求出t=1s时粉笔头的速度v1和位移？（注意矢量有大小和方向）

小关5：请通过计算求出水平位移x=1m时粉笔头的速度.

小关6：思考处理曲线运动与直线运动的方法有何不同？

设计意图：小关1，通过学生动手做身边常见、简易的实验，激发学生学习物理的兴趣，让学生逐步意识到生活中处处体现物理的观念—小关2、小关3，引导学生领悟基本的“化曲为直”的思想方法，培养学生利用所学知识和日常生活物品解决实际问题的能力—小关4、小关5，通过闯一个个小关，引导学生自主梳理基础知识，自主构建平抛运动的基本模型—小关6，完善直线运动和曲线运动的知识框架.

本闯关通过将呆板的模型计算转化为以简单实验为基础的一个个小关，让学生能闯关、爱闯关，真真切切地体验到自主闯关的乐趣.

2.2 大闯关二：基础应用模型

通过比赛闯关形式，更能调动学生强烈的学习兴趣，让学生在全身心体验中内化物理知识，培养实践意识.比赛闯关宜设计在较简单的模型应用中.

闯关基础：学生通过闯关一已具备了较完善的平抛运动模型，进一步完善了有关直线运动、曲线运动的认知结构.但学生的实践意识仍欠缺.

闯关情境设置：

小关1：进行如图3所示的“套圈圈”游戏，要求投“圈圈”都是水平抛出的，投掷的位置距目标的水平距离为2米，要套中目标玩具，体验分别从不同高度水平抛出圈圈，其初速度应如何控制？比赛哪组同学套中的圈较多.

小关2：比赛谁先用理论分析出你的实验结论.

设计意图：小关1，创设比赛游戏情境，学生在“玩中学”，更易内化知识、激发内驱力、增强实践意识—小关2，先现象再理论分析，符合学生的心理学认知规律，促进学生自发应用平抛模型解决实际问题的能力.

本闯关希望通过将传统的模型应用转变为学术游戏的比赛闯关，学生兴趣浓厚，实践意识增强，学生学以致用的自信心和自豪感增强，使学生的平抛建模水平自然进阶到水平2.

2.3 大闯关三：提升应用模型

对比是科学探究的重要方法，对比是高阶思维的重要行为，学生在对比中更容易领悟到问题的本质，建模水平3要求学生能在熟悉情境中选出恰当模型，因此选用对比闯关是一个很好的闯关形式.

闯关基础：学生在前面的闯关中已构建了平抛运动的基本模型，能够进行简单的应用，达到平抛建模水平层级2;但学生仍容易受思维定势影响，存在简单的生搬硬套模型情况，不敢、不愿用基本的动力学分析方法解决实际问题.

闯关情境设置：

小关1：如图4，S是光源，在此处水平抛出小铁球，猜想小铁球的影子在右边墙壁做什么运动？

小关2：请用理论论证您的猜想.

视教情和学情可以给以下锦囊提示：

（1）0时刻的小球影子在哪里？

（2）某一时刻t，小球的影子在哪里？

（3）作几何图，利用相似三角形，分析得到小球的影子在竖直墙上的位移与时间的关系？

（4）根据以上式子，思考铁球在墙上的影子做什么运动？

小关3：小铁球影子在墙上若做匀变速直线运动，请求出其加速度;若做匀速直线运动，请求出其速度大小.

小关4：可否用现有的生活用品，设计实验，实验验证您的理论分析结果（以4人为一组，课内先设计实验方案，可以课后进一步实验验证）.

设计意图：小关1，以学生身边虽然常见、但易受思维定势影响而引起认知冲突的情境引入教学，有利于激发学生热情—小关2，考虑到分析小关2台阶太大，有些学生可能无从入手，采用锦囊形式细分台阶，一步步引导学生如何通过具体分析、建构模型，得到理论结果，让学生从中领悟到建模更重要的是分析建构模型的过程，而不是死记模型，进而培养学生正确的建模观念—小关3，进一步提升学生定量分析问题的能力，提升修正模型的能力—小关4，鼓励学生用身边的生活用品，设计实验，检验模型.

本闯关通过设置学生熟悉而易错的情境，引起学生认知冲突，提高学生恰当选择模型的能力，让学生领悟到建模能力的提高更重要的是分析建模的过程，同时鼓励学生用身边的生活用品检验模型，使学生的平抛建模水平逐级进阶到水平3或以上.

2.4 大闯关四：创新应用模型

新课标倡导合作学习，合作是学生适应社会发展的必备能力之一，合作學习包含师生合作、生生合作等形式.

闯关基础：学生通过以上闯关，具备简单的模型应用和在熟悉情境中恰当选用模型的能力;但将实际情境转化为平抛模型的能力仍有待提高.

闯关情境设置：

本闯关建议生生合作闯关，有一定难度，但是学生互助后能解决问题;学生在闯关过程中，可以先自己独立思考，若遇到不会问题或做完后才在小组内生生合作讨论，提升模型迁移创新应用的水平层级.

小关1：（2019全国Ⅱ卷 1题）如图5，两金属板P、Q水平放置，间距为d.两金属板正中间有一水平放置的金属网G，P、Q、G的尺寸相同.G接地，P、Q的电势均为φ（φ>0）.质量为m、电荷量为q（q>0）的粒子自G的左端上方距离G为h的位置，以速度v0平行于纸面水平射入电场，重力忽略不计.则粒子从射入电场至此时在水平方向上的位移大小？

小关2：粒子第一次穿过G时的动能？

小关3：若粒子恰好从G的下方距离也为h的位置离开电场，则金属板的长度最短应为多少？

小关4：反思模型应用的基本步骤和方法？

设计意图：小关1，创设实际情境，加入电场元素，忽略粒子重力，需要学生通过具体分析，从动力学角度分析粒子做类平抛模型，促进学生将实际问题转化为模型的建模能力—小关2，需要学生从能量角度分析研究平抛模型，提高学生从大概念角度（力学三大观点）去研究平抛模型—小关3，学生需要根据对称性，迁移平抛模型的逆向过程，促进学生模型迁移创新能力提升.

本闯关希望通过设置实际情境，将常见的平抛模型迁移到电场中的类平抛模型，同时还要迁移“对称性”到类平抛模型中，使学生的平抛建模水平逐级进阶到水平4.

闯关情境设置：

本闯关建议师生合作闯关，适宜闯关难度较大的问题情境;在闯关过程中，学生先独立思考，然后教师再适时指导提升，不断提升学生模型迁移创新应用的水平层级.

小关1：（2020全国Ⅰ卷 2题）如图6，在一柱形区域内有匀强电场，柱的横截面积是以O为圆心，半径为R的圆，AB为圆的直径，如图所示.质量为m、电荷量为q（q>0）的带电粒子在纸面内自A点先后以不同的速度进入电场，速度方向与电场的方向垂直.已知刚进入电场时速度为零的粒子，自圆周上的C点以速率v0穿出电场，AC与AB的夹角θ=60°.运动中粒子仅受电场力作用.求该电场的电场强度大小？

小关2：为使粒子穿过电场后的动能增量最大，该粒子进入电场时的速度应为多大？

小关3：为使粒子穿过电场前后动量变化量的大小为mv0，该粒子进入电场时的速度应为多大？

小关4：反思解决实际问题的一般步骤和方法.

设计意图：小关1，学生需要运用具体的动力学分析方法，将电场类比为重力场，而且在重力场中平抛的初速度水平方向需要迁移类比为初速度方向不水平但与电场力方向垂直情境—小关2，学生需要迁移电场力做功何时最大的知识才能正确求解，研究方法也从动力学角度进一步拓宽到能量角度—小关3，本关具有开放性，因为粒子既可以沿AC方向运动使其动量增加mv0，也可以做类平抛运动使其动量变化量大小mv0，同时需要学生研究问题的视角进一步拓宽到动量角度—小关4，师生一起总结、反思，进一步提升学生从大概念（力学三大观点）的视角构建、应用平抛模型的能力.

3 结束语

实践表明，中学物理闯关型教学模式对于促进学生的建模水平进阶能起到较好的作用，但并不能适用所有教学活动，教学中用到的自主、比赛、对比、合作闯关也并非一定要按这个顺序组织教学，在实际教学中要根据教情和学情，融合几种闯关形式或只用其中的几个闯关形式.本模式同样可以尝试用在物理核心素养的其他要素水平层级进阶的培养过程中.

参考文献：

[1]余耿华.运用实验闯关策略 促进学生思维进阶——以高中物理“弹力”一课为例[J].中学物理，2020，38（03）：13-16.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]余耿华.指向高阶思维的高中物理实验闯关教学策略探索——以必修1“力的分解”一课为例[J].物理教师，2020，41（07）：16-19.

[4]居津.基于科学思维水平层次，培养学生建模能力——以“圆锥摆模型”为例[J].物理教师，2019，40（01）：8-20.

[5]翟小铭，郭玉英.美国科学建模教育研究三十年概述及启示[J].全球教育展望，2015，44（12）：81-95.

（收稿日期：2021-01-04）