在模型建构、论证和应用中培养科学思维

黄镇宇

摘   要：中学物理教学需要建构各种不同的力学、电学模型。教师按照模型学习的路径，引导学生遵循“参与、体验、分析、抽象建构模型;多角度推理、论证、质疑，验证、修正模型;在模型拓展、应用等过程中深化模型”这一学习路径进行教学，提升学生核心素养。

关键词：模型建构;科学思维;一杆多模

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）6-0014-5

学生在物理学习中会产生种种错误概念，教师可以通过设置情境激发认知冲突，从而发现学生的错误概念。教师要善于将学生的错误转化为教学资源。问题引导是通向高效课堂的钥匙，问题可以引导学生主动探究知识。通过问题引导和任务驱动促进学生参与模型建构、论证和修正、模型应用等过程，掌握本质规律，实现错误概念的转化。海斯特纳提出，一般的物理建模教学过程包含三个阶段：建立模型、检验和完善模型、应用模型，三个阶段形成一个建模教学环[1]。建模教学是培养学生核心素养、提高学生综合运用知识解决实际问题能力的有效途径。本文以金属杆的多重电学模型建构为例，初探如何通过物理建模教学培养学生科学思维。

1    创设情境，激疑引思

情境1：随着科技的发展，各类机器人层出不穷，而驱动这些机器人的正是大量的电机。我们利用如图1所示的电路测量某直流电动机的电流、电压，测得数据如表1所示。

学生质疑：当电机不转时，可视为电阻模型，由数据可得其电阻r=5.0 Ω。当电机转动时，①电动机的线圈就是电阻，为什么U≠Ir？为什么还有除Ir之外的电压呢？②U-Ir表示什么？③为什么（U-Ir）I代表电动机输出的机械功率？

猜想：这可能和线圈在磁场中的转动有关。

学生产生上述几个问题的根源可能是对线圈在电路中的作用认识片面，建构的模型是错误的。我们以认知冲突为依托，激发学生的学习兴趣和探究欲望[2]，基于学生的认知基础，从金属杆在磁场中的多重模型建构开始探究。

2    参与、体验、分析、抽象建构模型

情境2：如图2所示，电动势为E、内电阻为R的电源与单刀双掷开关的1接線柱连接，定值电阻R与开关的2接线柱连接。水平光滑轨道足够长，轨道间距为L。轨道所在区域加一方向竖直向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场。质量为m的金属杆长度略大于L，垂直放置在轨道上，其轨道间电阻为r。其余电阻不计。

根据学生的认知情况设置难度不断增加、杆的模型各异的进阶任务，引导学生循序渐进、拾阶而上。和教材一致，为了方便，可以认为金属杆中的自由电荷是正电荷。

任务1：开关S与1接线柱连接，用水平拉力使金属杆保持静止状态。建构此时杆和电路的模型，求拉力大小。

任务2：开关S与2接线柱连接，对杆施加水平向右的恒力F。建构金属杆速度稳定时杆和电路的模型，求杆的稳定速度。

任务3：开关S与1接线柱连接，将金属杆从静止开始释放。建构金属杆加速过程中杆和电路的模型，求杆的最大速度。

2.1    分析内因、外因，初步建模

电路元件的主要模型有理想电源、纯电阻、纯电感、纯电容、理想变压器等，它们都属于性能模型。这些性能模型主要是通过抽象和理想化等科学思维，根据物理对象在性能方面的特征而建构的物理模型[1]。在实际问题的处理中，我们经常用到由它们组成的关联模型。如有内阻的电源可以看作理想电源和纯电阻的串联。

根据情境，通过任务驱动引导学生通过小组交流等形式分析金属杆的内、外因素。金属杆的内部因素，如材料、长度、粗细等。金属杆的外部因素，如光滑轨道、磁场、外部电路等。杆的电学模型建构和杆的受力、运动情况紧密相连。

2.2    以纯电阻模型为起点，探讨模型建构、应用路径

任务1中杆的电阻模型学生非常熟悉，教师借此引导学生回顾力学模型建构和电阻模型建构过程，通过师生、生生互动设计表格（表2）。建立金属杆电学模型建构、论证、应用的基本路径：①分析内因、外因，初建模型;②从宏观和微观、力和能量等角度，论证、修正模型;③建构完整电路模型;④模型运用。

任务1的模型建构虽然简单，但从进阶学习的角度为学生后续建模搭建第一个“阶”。杆的宏观和微观、力和能量等各方面是息息相关的，全面分析有助于发现本质规律，为分析、验证模型提供有力证据。通过问题解决让学生充分体验其中大量的建模过程，经历分析、抽象、概括等思维过程，提高学生科学思维素养。

3    多角度推理、论证、质疑，验证、修正模型

3.1    问题引导，多角度推理、论证、验证金属杆的电源（发电机）模型

任务2中的金属杆建构什么电学模型呢？学生可能猜想“金属杆仍视为纯电阻模型”，也可能质疑并猜想“金属杆切割磁感线产生动生电动势，应该视为电源模型”。

通过初步建模中的猜想、质疑，培养学生物理研究中的科学态度，具体问题具体分析。

3.1.1    从宏观角度探究

3.1.2    从微观角度探究，探寻宏观和微观的自洽

3.2    问题引导，多角度推理、论证、质疑、修正金属杆的电动机模型

在任务3的金属杆电学模型建构过程中，学生产生了诸多猜想、质疑、修正、创新。有的学生认为，既然杆在切割磁感线，那么杆应视为电源模型。有的学生认为，因为电路中已经有电源，所以杆不应视为电源模型，仍是电阻模型。有的学生认为，杆产生的电动势和电流方向相反，是（反向）动生电动势。此时，金属杆适合建构什么模型呢？这个过程中，学生经历了评价、质疑、创新等高阶思维过程，经历深度学习。

3.2.1    从宏观角度探究

3.2.2    从微观角度探究，探寻宏观和微观的自洽

4    举一反三、融会贯通，在模型拓展、应用等过程中深化模型

4.1    运用电源模型，丰富对闭合电路欧姆定律的认知

4.2    运用电动机模型，解决电动机实验中的质疑和猜想

4.3    综合运用金属杆的模型解决复杂问题

情境3：如图6所示，光滑、水平、足够长的轨道间距为L。金属杆1、2的质量分别为m1、m2，电阻分别为R1、R2，垂直放置在轨道上。整个装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中。其余电阻不计，不计空气阻力。现使杆1以v0的初速度开始向右运动，杆2由静止开始释放。

5    结  语

通过任务驱动和问题引导，学生主动参与金属杆建模过程的体验，领悟到力学和电学建模结果完全不同，但过程是相似的。教师在课堂中根据学情灵活设疑激思，激发学生的认知冲突，通过追根溯源，揭示本质，促进学生认知的发展并获得了认知水平的提高。问题解决过程中不断利用力、动量、功、能量转化等知识进行分析、推理、论证，既提高了学生科学探究和科学思维素养，也提升了学生的运动和相互作用观、能量观。

参考文献：

[1]蔡铁权，梅尹.模型、建模与物理教学[J].物理教学，2013，35（8）：4-10.

[2]余嘉懿，尹文慧，张军朋.重视情境创设  落实学科核心素养——以“涡流、电磁阻尼和电磁驱动”为例[J].物理教学探讨，2021，39（2）：77-80.

（栏目编辑    赵保钢）