AI背景下民族地区高中物理建模教学法的实践路径

【摘要】本文论述AI背景下民族地区高中物理建模教学法的途径，认为教师应厘清物理建模教学理念、明确物理建模教学目标，建构“探究发展式”物理建模教学模式，做到创设情境多样化、观察发问自主化、设计方案科学化、亲历探究合作化、分享成果体验化以及技能迁移有效化。

【关键词】AI背景 民族地区 高中物理 建模教学法

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）02-0086-05

目前，民族地区高中物理教学仍存在重理论轻实践、重知识传授輕实践操作等问题。在AI背景下探索促进民族地区高中物理教学改革之路，进而破解当地教育教学实验条件弱、教学观念更新慢等问题正当其时。基于此，我们找出物理学科教学的相关问题，立足学科特点，以发展式教育教学理论为指导，以科学探究为过程依托，结合国家基础教育课程改革和相关政策，充分吸收海斯特斯（David Hestenes）提出的建模理论以及哈伦（Ibrahim Halloun）提出的五阶段建模，即模型选择、模型建立、模型验证、模型分析、模型拓展等开展AI背景下民族地区的高中物理建模教学法的探索实践。教师根据不同学生的素养，在实施教学时开展“探究发展式”建模教学的各环节活动;在实践中凝练出“六环六化”课堂建模教学，即创设情境多样化、观察发问自主化、设计方案科学化、亲历探究合作化、分享成果体验化、技能迁移有效化，培养学生像科学家一样进行观察和发问，像科学家一样进行逻辑推理和实践操作，像科学家一样进行分享与拓展。

一、厘清物理建模教学理念，指导物理建模教学法探索

物理学是研究物质运动规律的学科，而实际的物理现象和物理规律一般都是十分复杂的，涉及许多因素。舍弃次要因素，抓住主要因素，从而突出客观事物的本质特征，就可以称为构建物理模型。构建物理模型是一种研究问题的科学的思维方法。中学物理模型一般可分三类：物质模型、状态模型、过程模型。我们紧密联系一线教学实践，为解决这些教学困境组建了课题研究小组，开展物理模型的实验教学研究，以期通过第二课堂（即校本选修课），给学生提供新的学习物理模型知识和应用模型解决问题的平台与机会，破解学生普遍陷入的物理概念抽象费解、模型复杂晦涩难懂的困境，变抽象为形象，化繁为简，透过现象看本质，构建物理模型，实践物理教学理念。

（一）激发兴趣，激活学习的动力系统

1.做好物理模型的演示实验

充分利用实验室现有的器材和生活中的物品、材料进行物理实验，为学生的科学探究活动创造可靠的物质条件，能增强学生对物理实验的兴趣。另外，在演示实验中，教师作为实施实验的主体，让对物理不感兴趣的学生从旁协助，长此以往，也能增强这部分学生对物理实验的兴趣。

比如在《牛顿第一定律》一节的教学中，教师可以选择用装满粉笔的盒子压住白纸，迅速抽出白纸的物理模型演示。当教师快速抽出白纸时，学生注意观察盒子的位置是否变化。学生观察到盒子仍在桌上后，教师顺势提出问题引发学生思考，激发学生的学习兴趣。

又如讲到电场线和磁感线分布时，教师利用生活中的物品和材料制作了等量异种电荷之间的电场线分布模型，正、负电荷的电场线分布模型，平行板电容器之间的电场线分布模型，通电直导线周围的磁感线分布模型等教具，上课时做好演示，能够激发学生的学习兴趣。

再如研究平抛运动模型时，教师从两个方向入手进行实验建模，一是利用薄板和玻璃珠指导学生制作平抛运动的物理模型教具，该模型形象地显示不同时刻平抛运动的落点，直观地反映平抛运动的轨迹特征，帮助学生建构平抛运动模型;二是引进先进的光控技术的平抛运动演示仪。学生通过针对该实验建模的操作、讨论和分享，可以更牢固地掌握平抛运动在水平方向上做匀速直线运动、在竖直方向上做自由落体运动的模型特点。

2.讲好科学家的科学故事

我们充分利用大数据查找科学家和科学家故事。比如，教学开普勒三大定律时，讲好开普勒与第谷的故事，让学生学习科学家严谨的科学态度与较强的责任感;讲到法拉第电磁感应定律时，我们先讲好科学家法拉第的生平故事以及他在电学和化学方面的伟大成就，让学生从科学家的故事中感悟科学真理，从而激发学生的学习兴趣和求知欲望。

3.利用VR技术展示形象生动的物理情景

通过VR仿真平台建立相应的物理模型，设置合适参数来模拟复杂的物理现象和物理过程，进而展示形象生动的物理情景，能帮助学生理解相关的抽象物理知识和概念。

比如教学粒子散射实验、重核裂变、轻核聚变等在课堂上无法进行的原子物理实验，以及万有引力部分的卫星变轨、对接过程、双星及三星模型等物理学问题时，教师可运用基于VR手段的仿真系统将一幅幅由宏观到微观的物质运动规律和相互作用的动态图像直观地呈现在学生眼前，从而激发学生的学习兴趣。

（二）科学观察，建构模型情境

物理教学大多遵循从现象到本质、从感性到理性的科学认知过程。与物理教学有关的图片、视频和实验等都是教学的活素材，在教学中具有十分重要的作用，能够用于建构物理教学模型情境。

以人教版高中物理必修1第二章第5节《自由落体运动》为例，该教学引导学生做铁片和小羽毛下落的对比实验，通过观察两者的下落情况建构自由落体的运动模型。教师将四名学生分成两人一组共两组进行演示实验。第一组的两名学生用细线将铁片和小羽毛悬挂在空气中，从同一高度同时剪断两根细线，观察两者的下落情况，并做记录。学生很容易通过该演示实验观察到铁片比小羽毛先落地的现象。另一组的两名学生则利用牛顿管进行实验，改变铁片和小羽毛所处的环境，同时从同一高度释放牛顿管中的铁片和小羽毛，观察两者竖直下落的情况，并做记录。教师给出提示：如何改变空气这一环境？学生想到尝试用气泵将牛顿管中的空气抽出后进行实验。教师又引导学生借助手机的慢动作拍摄可以实现更精准的观察对比。学生观察该演示实验发现，铁片和小羽毛几乎同时落地。

学生通过分析对比实验得到：在空气影响较大的情况下，只受重力作用由静止开始下落的小羽毛比铁片下落慢;当尽可能降低空气的影响时，铁片和小羽毛几乎同时落地。教师再引导学生思考：如果牛顿管中的空气全部被抽出，形成真空环境，没有空气的影响，会看到什么现象？学生容易通过合理推理得到两物体同时落地的结论。

在这个环节教学中，学生通过科学观察实验，建构自由落体的运动模型，理解这一模型的特点是物体只在重力作用下由静止开始运动。进而将模型延伸得到结论：在有空气的空间中，如果空气阻力的作用比较小，可以忽略，那么物体的下落也可以近似看作自由落体运动。在模型建构的过程中，学生的探索精神、创新精神得到了培养。

（三）亲历物理建模探究过程，培养合作精神

我们坚持以学生为主体，围绕物理模型开展实验建模，在合作探究中培养学生的合作精神。因此，我们均衡考虑，对学生进行合理分组，尽可能使每一名学生都能在课程中得到成长;在学生实验建模的过程中注重对学生的观察能力和实验操作规范性进行引导，强调数据记录和证据收集的重要性。此外，我们还要求学生围绕实验建模的探究主题，领会、尝试从物理学视角解释自然现象和解决实际问题，如电场线可以很好地描述电场的特点，在建构电场线模型的过程中逐渐形成电场是一种物质的物质观;在研究平抛运动时，逐渐形成运动观。

（四）提高创新意识，培养物理建模的创新思维

我们在教学过程中围绕物理模型，鼓励学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考，培养学生物理建模的创新思维。

比如牛顿第二定律实验建模，为了减小实验误差，学生对课本实验进行了改装，图1为改装后的实验装置图，实验步骤如下。

1.用天平测量砝码的质量m、砝码盘质量m0和小车的质量M。

2.按实验装置图安装好实验装置。

3.利用垫块调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车（与纸带、细绳和砝码盘相连）能沿长木板向下做匀速运动。

4.取下细绳和砝码盘。

5.将小车置于打点计时器旁（小车与纸带相连，但与细绳和砝码盘不相连）先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a。

6.重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复1、2、3、4、5步，求得小车在不同合外力F作用下的加速度。

7.描点作图，作a-F图象。

8.保持小盘和砝码的质量m′不变，改变小车质量M，重复步骤1、2、3、4、5，作a-[1m′]图象。

二、明确物理建模教学目标，指明物理建模教学法的方向

物理建模的教学目标可分为四方面。一是形成科学的物理观念，包含科学的物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等，要求学生能用物理观念解释自然现象和解决实际问题。二是形成像科学家一样的思维品质。能用科学思维方法从定性或定量角度对相关问题进行科学推理、找出规律、形成结论;能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测。三是培养像科学家一样的探究意识与能力。能在观察和实验中发现问题、提出合理猜想与假设;能设计、正确实施探究方案，获取证据;能使用不同方法和手段分析、处理信息;能描述并解释探究结果和变化趋势，有交流的意愿与能力。四是培养像科学家一样的科学态度与责任感，重点培养学生的学习兴趣、参加科技活动的热情、正确认识科学本质的态度，形成具有学习和研究物理的好奇心与求知欲。能主动与他人合作，尊重他人，具有合作精神;能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是，不迷信权威，关心国内外科技发展现状与趋势，了解物理研究和物理成果的应用应遵循道德规范;能认识科学、技术、社会、环境的关系，形成具有热爱祖国、热爱人民的科学家责任感和具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。

以教学《动能和动能定理》为例，明确动能定理物理模型的建模教学目标有：物理观念方面为理解动能的概念，会用动能定理解决力学问题，进一步树立能量观念;科学思维方面为运用科学的方法定量地进行科学推理，找出功与动能的关系，得出动能定理的表达式;科学探究方面为能在观察中发现问题，提出猜想与假设，通过理论探究得到动能定理，描述并解释动能定理各项的物理意义;科学态度与责任方面为通过对动能的利用教学，使学生形成节约能源的意识和与自然和谐发展的观念。教师利用游客玩倾斜的直线彩虹滑道和曲线彩虹滑道娱乐项目视频引导学生观察并思考：如果已知人的受力情况以及彩虹滑道倾斜面的长度，能不能求出人滑到斜面底端时速度的大小？学生容易根据受力情况得到人沿斜面向下的加速度，再利用位移与速度的关系可以得到人滑到斜面底端时速度的大小。教师再问：是否可以用同样的方法求得曲线彩虹滑道底端人的速度大小？学生在受力分析、运用牛顿第二定律时发现人的加速度是变化的，无法求解。教师进一步引导学生：在学习重力做功与重力势能的变化关系时我们是通过重力做功入手分析的。接着教师引导学生分析人从曲线彩虹滑道滑下的过程的特点，学生此时不难联想到运用动能定理可以求解人滑到底端时速度的大小。教学的最后，教师向学生展示三峡工程利用水的势能转化为水轮机的动能，进而切割磁感线实现发电，让学生认识到三峡工程是我国的重大水利工程，不仅发电量巨大，而且保障了长江中下游的工农业生产，使学生形成节约能源和科学利用自然资源的意识。

三、建构“探究发展式”物理建模教学模式，丰实物理课堂教学法

在实践中，基于知识建构主义，参考并吸收了哈伦（Ibrahim Halloun）的五个阶段建模教学，我们建构了物理学科的“六环六化”的“探究发展式”物理建模教学模式，即创设情境多样化、观察发问自主化、设计方案科学化、亲历探究合作化、分享成果体验化、技能迁移有效化。

（一）创设情境多样化

实际情境往往是问题的发源地，提供多样化的物理情境是引导学生发问的前提。我们通过互联网媒体、大数据，将虚拟与现实结合，打造仿真实验室，为学生提供优质的物理情境，丰富学科教学资源。我们设立了由物理教师管理，学生自主参与的“物理建模实验中心”。学生可以利用课余时间，自主选材、自主合作设计方案，师生联合加工，學生合作组装，实现物理建模，并将成果分享。教师组建团队，运用现代化技术，虚拟建模，如利用3DMAX软件创设模型，创建实际生活生产难以实现的、具有一定危险性的物理情境。以“探究感应电流的产生条件”为例，我们这样创设情境引入新课。如图3，通过电磁炉“发电”引起学生的好奇心，即使电路中没有电源，导体中也有电流经过使灯泡发光。

（二）观察发问自主化

要想让学生动手，得先让学生动脑。教师引导学生认真观察、自主发问。学生通过观察现象，科学地分析物理问题，确定研究对象及其状态的变化、过程的变化情况等，逐渐以物理模型思维进行发问。问题可以纵向发展，如链式问题，也可以横向发展，如发散问题等。问题的产生是基于学生的自主分析，例如，有的是自问自答，有的是互助互答，有的则需要通过课后专题研究后作答，等等。鼓励并尊重学生的个体差异性，例如，在遇到一些不常见的问题时，教师不要急于简单地肯定或否定学生的回答，而应以鼓励为主。以“探究感应电流的产生条件”教学为例，学生通过观察电磁炉“发电”后，各小组就自主发问：导体中是怎样产生电流的？电磁炉是怎样“发电”的呢？

（三）设计方案科学化

我们鼓励学生参与到探究方案的设计中，师生共同基于对问题的思考、分析、预期等，逐步制订探究方案。学生也可以是探究方案的讨论者、设计者，是探究的主体，也是问题产生者，更是探究方案的实际使用者。教师则可以向探究方案的评估者、审定者身份转变，帮助学生把握方案设计的科学性，实施要具备有效性，逻辑要符合科学。

比如，研究导体与磁体相对静止时，回路中怎样产生感应电流。学生分组自行设计实验方案。某一学习小组设计方案如下。

实验目的：探究通电线圈在闭合线圈中静止，回路中怎样产生感应电流。

实验器材：灵敏电流计、大小螺线管各一个、电源、滑动变阻器、导线、开关。

实验连接图：如下图所示。

实验步骤：进行以下操作时注意观察电流表指针摆动情况。

1.开关闭合瞬间。

2.开关断开瞬间。

3.开关闭合时，滑动变阻器不动。

4.开关闭合时，迅速移动滑动变阻器滑片。

实验表格：如下表所示。

实验现象、分析与结论：当小线圈内电流变化时大线圈内会出现感应电流。

（四）亲历探究合作化

在探究的过程，我们引导学生建立学习小组，利用学习小组的形式促进学生的合作与交流。建立学习小组时，我们以学生自愿为基本原则，均衡小组间的学习能力水平等，开展探究建模。学生在合作探究中掌握演绎法、归纳法等科学方法，亲历探究过程，有效地加深学生之间的情感。

以上文研究导体与磁体相对静止时，回路中怎样产生感应电流为例，学生亲历探究合作化过程如下。

1.设计好实验方案后开始分组进行实验，连接电路，按实验步骤观察实验现象，填写实验表格。

2.根据实验现象讨论分析，得出实验结论。

（五）分享成果体验化

获得他人认可是每个人的基本需求之一。学生分享探究历程、探究成果，获得老师、其他同学的认可，可以体验探究的成功与喜悦，形成积极向上的情感，增强科学探究的自信心和求知欲望。

学生各组代表发言，阐述实验现象和结论，教师适当点评，共同分享成果。最后形成结论：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流产生。

（六）技能迁移有效化

“探究发展式”物理建模教学能真正让学生掌握并迁移知识与技能。经历该模式教学的学生可以较好地将所学的知识、物理模型等迁移到同类事物、相似情境中，将物理模型的知识应用到新的物理场景中分析问题、解决问题。如上例，总结得出感应电流产生的条件后，学生能够用所学知识解释电磁炉是怎样“发电”的，能在课后分析“摇绳发电”现象。

本文探索了AI背景下民族地区高中物理建模教学法的实践路径，明确了物理建模的教学理念、物理建模的教学目标、物理建模的教学模式，论述具有“六环六化”特色的“探究发展式”物理建模教学模式，丰实了物理建模教学法，提高了课堂教学效率，改变民族地区的学生思考能力、动手能力不足的现状，走出了一条提高民族地区高中物理教学质量的新路子。

参考文献

[1]陈汉光，李立辉，陈典义，等.高中物理实验教学方法策略与案例研究[M].广州：广东高等教育出版社，2016.

[2]王冬婷.中学物理教学模式改革与创新的理性思考[D].哈尔滨：哈尔滨师范大学，2017.

[3]温丽平.创新教育视野下中学物理课堂教学模式研究[D].西安：陕西师范大学，2008.

[4]赵秀玉.网络信息环境下中学物理教学模式的创新[J].西部素质教育，2019（17）.

[5]高嵩，趙福政，刘晓晖.国外虚拟现实（VR）教育研究存在的问题与启示[J].中国电化教育，2018（3）.

作者简介：农宁（1970— ），广西天等人，高级教师，主要从事中学物理教学与研究。

（责编 刘小瑗）