促进学生模型建构能力提升的深度教学实践——以电磁感应线框模型微专题教学设计为例

文∣柯尊淦

《国务院办公厅关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》提出，积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学。《普通高中物理课程标准(2017年版)》68次提到情境，课标的教学建议第二条指出：在教学设计和教学实施中要重视情境的创设，指出模型建构是科学思维发展的核心要求，可见“情境”和“模型建构”在教学中拥有举足轻重的地位。本文结合一线教学实践经验，在学习进阶和深度学习理念的指导下，总结形成了“情境解构、模型建构、回归情境”教学模型，以“情境解构、模型多元表征、模型修正优化、模型拓展与推广”为主线，融合“整体构建，多元表征，类比迁移，思维进阶，表现评价”等设计策略，设置驱动性学习任务和活动，通过对物理模型的深度解构，实现对物理知识和规律的深度加工，通过学生的深度参与，沉浸体验，内化吸收，真正提高学生问题解决能力，发展学生物理核心素养，为一线教师开展微专题复习课提供可借鉴的操作模式、实施路径和教学案例。

一、“情境解构、模型构建、回归情境”操作程序

学习进阶是对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时依次进阶、逐级深化的思维方式的描述，学习进阶理论认为，学习是一个逐渐累积、不断演进的过程，学生对某一内容主题的理解存在多个不同的中间水平。在学习某个内容主题相当长的时间段中，学生对该内容的理解和思考将日趋成熟、不断深入。[1]在电磁感应线框微专题教学设计中，笔者尝试以学习进阶和深度学习理论为指导，构建了图1所示的“情境解构、模型建构、回归情境”模式操作程序。在操作程序中实现情境线、建模线、思维线三条线索并行，其中情境解构是明线，模型建构是暗线，贯穿着学生思维水平的逐步进阶。在教学实施时，首先根据学生的学情、考查方向、难点及教学目标选择合适的情境，从真实情境中抽提出必备知识、关键能力、学科素养、核心价值，将其转化为学科核心问题，设计教学活动。在活动设计中基于课标和真实情境，聚焦学生认知行为，采用表现性评价手段，采用任务驱动、问题链接、逻辑串联策略，逐层分解教学目标，对教学内容进行关联分析，形成完整的认知结构，促进学生科学思维发展，培养学生的关键能力。在教学目标、情境和问题三者的相互关系的理解上， “情境”营造的是学习场域，“问题”牵引的是教学线索，而“目标”达成的是课堂教学的应然追求。情境创设与问题探究过程不能只是热闹场面，必须自始至终围绕教学目标和教学内容，将生成知识、形成关键能力和培养学科核心素养的教学目标融入具体情境和相关问题中，在最大程度上促进师生的发展与进步。在模型优化环节要注重对比分析，将不同个体的模型进行对比，找出其中的共性和区别，尝试进行初步的构建，将自己的模型与公认的规范结论进行比较，找出模型的差距及差距形成的原因，在模型完善阶段要注意整合策略，将其他个体的模型、公认的规范结论和自己的模型进行整合，形成对模型的全面理解。这一过程可以是同化为主，也可以是顺应为主，或者平衡整合。在建模完成后要进行合理拓展和推广，尝试在应用中印证，对模型进行全面总结，包括研究对象、成立条件、适用范围、表达方式等，尝试用规范的方式将科学模型规范地表达出来。

图1 “情境解构、模型构建、回归情境”模式操作程序

二、“情境解构、模型建构、回归情境”教学模式的课堂实施

只有在学生面对新的、真实世界的情境知道如何调适、修正知识，能够解释知识、创建模型、解决问题、建立与其他概念和学科及真实世界情境的关联，从而形成理解世界的新方式时，有深度的学习才真实发生。[2]以下是笔者结合“情境解构、模型建构、回归情境”的模式操作程序采用情境、模型、问题融合设计策略，在一节公开研讨课上的教学设计。

(一)任务1：情境解构，模型表征

1.情境呈现

超级高铁是一种以“真空管道运输”为理论核心设计的交通工具，它具有超高速、低能耗、无噪声、零污染等特点。它具有两个重要系统。一个是悬浮系统，利用磁力(可由超导电磁铁提供)使车体在导轨上悬浮起来与轨道脱离接触从而减小阻力；另一个是驱动系统，即利用磁场与固定在车体下部的感应金属框相互作用，使车体获得牵引力。

【问题链】

(1)请观看超级高铁视频，并思考超级高铁的原理。

(2)在电磁感应的学习过程中，有哪些物理模型？超级高铁情境与之前学习的哪个模型相似？

(3)根据以往学习电磁感应的知识，你觉得可以从哪些方面来研究超级高铁的运行？能够想起哪些问题解决的方法？

【设计意图】

情境是教学活动设计的载体，选择“超级高铁”这一情境素材，可以承载电磁感应几乎所有的知识和方法，实现对教材中电磁感应内容的深度挖掘。同时超级高铁是高铁技术的发展和延伸，是中国的国家重器，是国家的名片。能够引起学生的自豪感，更好发挥物理课堂的育人价值；能够引发学生的积极思考，刺激学生的兴趣点；可启迪思考，激发学生的探究兴趣。引导学生进行模型的定向表征，达成学生模型建构学习进阶水平一模型外显的目标，也对接模型建构的学业质量水平的第一个水平，即能够说出一些简单的物理模型，促进学生模型建构、科学推理和质疑创新等学科核心素养的提升。

2.模型表征

研究小组根据以上情境建立了如图2模型：管道中固定两根平行金属导轨MN、PQ，轨道间有垂直轨道平面的匀强磁场，在列车的底部固定着绕有N匝相同的闭合正方形金属线圈，并且与之绝缘。金属线圈abcd的边长为L，且两磁场的宽度均与金属线圈的边长相同(列车的车厢在图中未画出)已知列车车厢及线圈的总质量为m,不计导轨的电阻。

图2 超级高铁模型

【问题链】

(1)超级高铁列车为什么可以悬浮？

(2)超级高铁列车受到了什么力使其驱动前行？

(3)超级高铁受到的磁场力怎样产生？

(4)产生磁场力的磁场分布有怎样特点？请尝试画出模型结构示意图。

【设计意图】

本环节在利用学生阅读、质疑、讨论、交流、释疑等环节，引导学生在模型建构过程中抓住主要矛盾，忽略次要因素，注重图像表征，将运动过程简化，纯化为一种理想状态，保留物理本质，使其更能反应运动特征，将情境转化为模型，通过对模型原型的抽象概括，实现由感性知识到理性认知的飞跃，达成模型建构能力学习进阶水平二等级，概念模型表征目标，对接模型建构学业质量水平的第二个等级，能在问题情境中应用常见的物理模型，培养学生的抽象思维、形象思维、直觉和逻辑思维能力。

(二)任务2：启动分析，初步建模

图3 模型参数1

【问题链】

(1)若电源E端接电源“-”、F接“+”，接通电源时判断列车运行方向，并简要说明理由。

(2)请画出电路的等效电路图。

(3)求通过电源的电流大小？

(4)请画出列车的受力分析图，并求刚接通电源时列车的加速度a的大小？

(5)请评估以上列车启动模型并尝试优化。

【设计意图】

问题链的设置以小切口切入，聚焦核心知识和关键能力的培养，注重学生学情分析。第(1)问从左手定则入手，考查学生安培力的方向判定方法；第(2)问考查电路结构图，从等效电路图的方式表征模型；第(3)问考查闭合电路欧姆定律；第(4)问考查动力学在电磁感应中的应用。以上四个问题牵涉知识面非常小，有利于培养学生的思维深度。(1)～(4)问对接模型建构学业质量水平的第三等级，能在熟悉的问题情境中根据需要选用恰当的模型解决简单的物理问题；第(5)问则从模型修正的角度思考建模是否符合实际，引导学生进行抽象表征，达成学习进阶水平三的模型优化等级的目标，培养学生科学推理和批判性思维的能力。

(三)任务3：运行分析，模型修正

如图4，学生为了模拟列车的运行规律，在轨道间设置垂直轨道平面的匀强磁场B1和B2，且B1和B2的方向相反，大小相等，即B1=B2=B=1 T。线框总电阻R=2 Ω，正方形线框长度L=0.1 m，匝数N=10 匝,磁场水平向右移动的速度大小为v0=5 m/s，m=2 kg。

图4 模型参数2

【问题链】

(1)列车为什么会运动？若列车不受阻力，将如何运动？

(2)请画出列车运动的v-t图象。

(3)为使列车能运动，列车所受到的阻力f应该满足哪些条件？

(4)若列车受到的阻力f=2 N时，列车的最大速度vm为多少？

(5)若列车受到的阻力f=2 N时，要使列车维持最大速度运动，每秒需要消耗多少能量？这些能量谁来提供？

(6)若列车受到的阻力f=2 N时，如果两磁场由静止开始沿水平向右匀加速运动来启动列车，当两磁场运动的时间为t1=9 s时，列车也正在以速度v1=7 m/s向右做匀加速直线运动。求两磁场开始运动到列车开始运动所需要的时间t0以及列车的加速度a。

(7)通过以上问题的思考，你有何启示？

【设计意图】

在模型修正阶段采用支架式教学策略，将复杂问题逐步分解，搭建脚手架，让下一个问题都能够处在学生的最近发展区中，引导学生对列车运行模型的评估和修正，促进学生进一步思考。前五个问题都为贴近生活实际的第六个问题作铺垫，第七个问题目的在于引导学生进行反思性评价。以上问题从动力学与能量角度不断挖掘核心知识的应用价值，促使学生深度思考和学习，最终达成模型建构的进阶水平三等级；模型优化完善，实现模型建构学业质量水平的第四级水平，能将实际问题中的对象和过程转换成物理模型，在解决实际问题的思维引导下建立对象模型和过程模型，培养学生形象思维、科学论证和元认知的能力。

(四)任务4：刹车分析，模型拓展

学生为了研究列车进站的制动规律，做如图5实验设计：当列车进站时，轨道内依次分布磁场，磁感应强度为B1=B2=B，宽度为L的匀强磁场，且相邻的匀强磁场的方向相反。线框匝数为N，线圈总电阻为R，某次实验时，列车以速度v0进入车站开始制动。

图5 模型参数3

【问题链】

(1)画出列车运行的v-t图象并求列车以速度v0制动后通过距离L后的速度v(此时列车滑行L未停)。

(2)列车以速度v0制动后到停止前运行的距离x为多少？

(3)列车从上一段磁场中进入下一段磁场中，通过线圈的电荷量q是多少？

(4)求列车在刹车过程中产生的总热量Q。

【设计意图】

问题(1)用图象表征模型，并尝试用微元法及动量定理研究列车刹车问题的速度，促使学生从低价思维逐步过渡分析综合；创新应用高阶思维，尤其是问题(2)需要考虑列车运行L是否停止的问题，故要分两种情况进行讨论，培养学生分析问题的严谨性和思考的完备性；问题(3)和问题(4)拓展学生思维的时空，从电荷量和热量的角度重新审视分析列车刹车模型，从而达成模型建构的学习进阶水平四等级，模型拓展和模型变式，培养学生分析综合、质疑创新等高阶科学思维能力。

(五)任务5，回归情境，模型推广

如图6，在水平导轨上进行超级高铁列车实验，不考虑摩擦及空气阻力。导轨的水平部分有n段相同的匀强磁场区域(图中虚线部分)，磁感应强度为B，宽度为L，垂直导轨平面向上，当列车以一定初速度滑上水平导轨进入磁场区域，最终列车恰好完全通过n段磁场区域，感应电流产生的磁场可以忽略。

图6 模型参数4

【问题链】

(1)求列车刚进入第一段磁场区域的速度v0。

(2)求整个过程中产生的焦耳热Q。

(3)求列车完全进入第k(k

【设计意图】

通过改变情境的初始条件，促使学生举一反三，触类旁通，类比迁移，达成模型建构学习进阶水平五等级的模型推广应用，同时对接模型建构学业质量水平五等级，能将较复杂的实际问题中的对象和过程转换成物理模型，在解决较复杂实际问题的思维引导下建立多个对象模型或多个过程模型的组合，培养学生的应变能力和创新思维能力。

三、教学实施建议

“情境解构、模型建构、回归情境”模式在课堂教学中是非常有效的方法，有利于培养学生在具体实践活动中分析问题、解决问题的能力，使以知识导向的课堂，真正转型为以思维、能力为导向的课堂。该教学方法不仅仅在微专题复习课中有重要作用，在新授课及实验教学中也可以得到推广应用，使物理学科核心素养真正落实。但在实施该教学方法时要注意如下几个方面。

(一)情境解构要融合激趣性、任务群、整合性的功能

设计真实、有意义的情境，能促使学生对物理知识发生兴趣，激发学生的学习动机，进而产生认知需要。情境背后的实际问题应针对课程标准和学业要求，通过任务群、问题链形式，设置挑战性问题情境，引起学生的认知冲突，维持学习动力。另外，情境创设要具有全程性的特点，有利于学生抓住探究的主线，形成清晰的知识体系。如：本教学设计中始终围绕超级高铁的情境，通过五个任务群，设置问题链，研究了列车启动问题、刹车问题，运行问题等全过程的物理规律，每一个任务研究的方法和方式都有差异，设置的问题链要能够整合学科核心知识和关键能力培养，聚焦学生学习疑点和难点问题；本教学设计中整合了多匝线框感应电动势的计算、安培力的计算、电量求解以及磁场动而线框不动的处理方法等，这些都是学习的疑点、难点和重点。通过设置脚手架逐步铺设台阶，使每一个问题都在学生的最近发展区中，让学生始终沉浸在探究、获取新知、进行问题解决的思维亢奋中，有利于培养学生的科学思维能力。

(二)情境与模型要兼备本质性、典型性、匹配性的特点

物理情境一般来源于自然界及社会生活、生产中客观存在能够反映物理概念、物理规律本质且未被加工的典型物理现象和物理事实。学习理论认为，采用建模思想，将物理问题中次要的、非本质的信息舍去，可使本质的知识变得清晰，更容易纳入学习者已有的知识框架中。初中生抽象思维尚未成熟，教学中要先帮助他们建立熟悉的模型，建立的模型应该具备典型性，不管遇到怎样陌生的情境，只要将复杂的问题与模型中的要素一一对应，进行模型匹配，就能很好地解决这类问题。如果学生学会运用这样的模型，就可以用物理知识解决问题。在情境解构和模型建构过程中，应避免教学形式化，如：在情境创设方面应考虑诸如情境是否只是作为导课环节？情境与知识点是否契合？情境难易程度是否符合学生的认知水平？情境是完整的还是碎片化的？在任务群和问题链设计方面，教师应从关注释疑解惑到关注激疑生惑的转变，仅释疑解惑是不够的，必须要让学生产生疑问、提出问题，然后去分析解决问题，按照核心素养的要求，要培养学生的创新精神、批判思维等。

(三)模型建构应注重抽象、图像、物理、数学等多元表征方法

学生经历一个真实情境问题的模型构建需要经历多个表征层次。如任务1中情境呈现环节的定向表征和模型表征环节的抽象表征，在任务2初步建模环节的抽象表征和画图表征，在任务3模型修正环节的赋值表征和图像表征，在任务4模型拓展环节中有方法表征和物理表征，在任务5中模型应用环节的数学表征等，学生在定向表征过程中根据情境的描述和已有知识，凭借不严密、不连续、不完整的逻辑思维进行定向的思维判断，如任务1中问题链的第(2)(3)问。抽象表征就是要思考在物理情境中进行问题解决中决定舍弃什么，保留什么的过程，是抓住主要因素，忽略次要因素，把情境转为模型的过程。学生在经历抽象表征的过程中需要常运用到理想化方法、直觉与逻辑思维，将情境中的研究对象抽象为理想模型，并将这个理想模型的运动过程简化、纯化为一种理想状态，使其能更本质、生动地反映物理本质，抽象表征是物理模型建构的关键，如任务2中的模型表征环节的问题链的第(4)问。物理建模过程中还要特别重视图像表征，在本教学设计中特别引进了等效电路图、v-t图、模型图、受力分析图、运动分析图等多种图像，丰富图像表征方式，培养学生形象思维能力。任务3中有意设置具体物理量对模型进行赋值表征和物理表征，让学生将模型与核心知识和规律与关键能力培养能够更好地关联起来，培养学生的科学推理能力和高阶思维能力。在模型建构中，各种不同的表征方式并不是孤立的，它们都可以相互牵连，彼此融合，如方法表征在本教学设计中有较多，如微元法、图像法、极限法、守恒法、类比法等的运用，方法表征可以与数学表征及物理表征融合，在数学表征中一定会有对应的物理表征，也会用到物理学问题解决的方法，只有将各种不同的表征方法有效整合，才能更好地培养学生的科学思维能力。

(四)模型建构要采用核心知识整体构建及思维进阶策略

在教学设计时，笔者根据物理课标所提倡的理念，研究教材内容，整合教学资源来组织教学。在教学设计过程中，采用“一个对象”贯穿，整节课围绕超级高铁展开，从情境到模型，再回到探索情境，试图让学生能够在问题情境中抽象出物理模型，能根据物理模型去构建问题情境。理解问题情境是物理模型的外延，物理模型是问题情境的内涵。在教学设计过程中还要特别注重学生思维的进阶设计，本教学设计将超级高铁的真实情境作为教学的驱动任务情境，引导学生将实物简化抽象成线框模型，以线框模型为基础采用任务群，多维度设计问题链，依据由表及里的顺序逐步建构模型，把模型与电磁感应的知识和规律联系起来，从问题的角度、梯度、广度和难度等层面将问题串珠成线，引导学生在模型问题解决过程中逐步将知识和科学思维方法内化，提升物理问题解决能力。构建模型时，情境以任务群及问题链的形式呈现，有利于知识的储存、提取；而在应用模型解决情境问题中，学生把形象的情境问题本质化，自动搜索已构建的模型进行匹配，使现行显性知识再次隐性化，让学生经历模型外显、模型表征、初步建模、模型优化、模型修正、模型推广等环节。在模型构建的过程，教师引导学生体验由个体到一般、由典型到普遍，由易到难、由简单到综合的螺旋式上升的过程，使学生的思维水平由低价思维经过任务群、问题链逐步推进，延伸拓展，创新实践逐步过渡至高阶思维(见图7)。

图7 “情境解构、模型构建、回归情境”思维进阶路线图

(五)“情境解构、模型建构、回归情境”教学要注重表现性评价方式

高阶学习过程表现为学生为达成复杂、高层次的学习目标，积极开展主动性、合作性、建构性的学习活动，在学习过程中主动探究、积极思考、合理利用资源、建立良好同伴关系、不断自我反思与调整，在思维活动上经历分析、发现、构想、抉择、归纳、评价、创造等思维经验积累的过程。表现性评价任务的设计应驱动学生经历高阶学习过程。首先基于情境，联系学生学习和生活，分析开展哪些活动能够完成学习目标，初步确定任务类型，如本节教学设计中，一共设计了五个学习任务，每一个任务都向学生阐明期望达成的学习目标和成果，促使学生在明晰的目标和成果导向下，进行深度思考和不懈努力以达成预期，体现高阶学习“意图”的特征；将表现性评价融入情境解构、模型建构教学，不但能评价学生运用复杂认知和非认知能力取得的学习成果，而且能有效驱动高阶学习的发生，促进学生对这些能力和成果的获得时为学生提供反馈信息，促进自我调整与完善。

总之，“情境”要服务“问题”的提出，“模型”应来源于“知识”的应用。只有准确把握“情境”“问题”“知识”“模型”四者的定位及其相互联系，才能达到使学生在解决问题中逐渐发展物理核心素养的目的。