陆永华

(南京航空航天大学苏州附属中学,江苏 苏州 215000)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》中指出，模型建构是科学思维的核心要素.基于模型的建构与解决实施深度教学，围绕物理核心素养的培养，以生活情境构建模型驱动学习任务，通过物理模型的深度解构，对相关物理知识进行深度加工，提升对情境物理模型的问题解决能力，通过模型微专题促进深度学习，使物理核心素养的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等要素培育由理论走向教学实践.

1 教学设计结构思路

教学设计结构思路如图1所示，围绕培养学生的物理核心素养为主线，教学过程中设置模型线、情境线、问题线、知识线4线并行，教学实施以模型线为“明线”展开，以“磁力缓降高楼安全逃生装置”作为任务情境驱动教学，通过简化抽象构建电磁感应单杆切割模型，然后以模型为基础设置多维度问题，按照由表及里的顺序具体解构模型，将模型涉及的电磁感应综合物理知识、科学思维等作为“暗线”“溶解”转化为系列问题助推教学，从问题的角度、梯度、深度、广度、难度等方面将“问题串珠成线”进一步解构模型，引导学生在模型问题解决过程中逐步将知识和科学思维等内化“结晶”，优化构建模型解决的认知结构，从而提升学生的物理问题解决能力，促进深度学习，培养学生的物理核心素养.

图1 “主线”深度教学设计结构思路

2 教学设计具体环节设置

教学环节1： 情境建构模型.

任务情境： 磁力缓降高楼安全逃生装置(图2).

图2 情境构建单杆切割模型

设计意图： 将“磁力缓降高楼安全逃生装置”真实情境作为教学的驱动任务情境，引导学生简化抽象为电磁感应单杆切割模型，通过对情境的物理建模促进学生的情境关联能力和素养达成水平.

教学环节2： 教材回归模型.

图3 教材情境、构建单杆切割模型

回归教材： 人教版高中物理教材《选修3-2》第38页“思考与讨论(图3)”.

问题链如下.

(1) 自由电荷会随着导体棒运动，并因此受到洛伦兹力.导体中自由电荷的合运动在空间大致沿什么方向？

(2) 导体棒一直运动下去，自由电荷是否也会沿着导体棒一直运动下去？为什么？

(3) 导体棒的哪端电势比较高?

(4) 如果用导线把C、D两端连到磁场外的一个用电器上，导体棒中电流是沿什么方向？

设计意图：由教材出发回归模型解构是对教材知识的再审视，促使学生深化对物理模型的起点本质认识，为打破涉及电磁感应综合问题不同知识模块壁垒进行融合奠定基础.

教学环节3： 模型的理解与运用.

图4

模型条件设置： 如图4所示，间距为L，电阻不计的足够长平行光滑金属导轨水平放置，导轨左端用一阻值为R的电阻连接，导轨上横跨一根质量为m，电阻为r的金属棒，金属棒与导轨接触良好，整个装置处于竖直向下的匀强磁场B中.

问题： 要使金属棒向右运动起来，可以采用什么办法？

学生回答预设： (1) 给初速度； (2) 施加外力； (3) 提供电源.

图5

教学片段设计意图： 通过问题引入模型分析，引导学生理解“动—电—动”发电式导轨和“电—动—电”电动式导轨两种基本单杆切割模型，本节课重点研究“动—电—动”类型.

情况1：电磁感应中的电路问题(条件：给导体棒一个初速度v0,如图5).

问题链如下.

问题1：画出整个装置的等效电路图；

问题2：当运动速度为v0时，求ab两端的电势差，并指出哪端电势高？

问题3：当运动速度为v0时，电阻R的电功率？

问题4：若一段时间后，向右运动距离为x，则该过程中流过电阻R的电荷量？

问题5：定性的画出通过电阻R的电荷量q随导体棒运动距离x的变化图；

问题6：若导体棒在整个运动过程中通过的电荷量为q，求导体棒在导轨上的运动距离x？

教学片段设计意图：通过对电路问题涉及的与电磁感应结合的电学知识进行整合设置“问题链”，并在教学过程中引导学生对电磁感应电路问题求解方法进行自我小结，通过“3步走”思路分析电磁感应中的电路问题.

图6

情况2：电磁感应中的动力学问题(条件：导体棒在一个恒力F作用下从静止开始运动，如图6).

问题链如下.

问题1：画出导体棒ab在运动过程中的平面受力分析图；

问题2：当运动速度为v时，求安培力表达式；

问题3：分析导体棒的运动情况，并画出v-t图像；

问题4：若改变拉力F，则最终速度vm也会相应改变，请画出vm-F图像；

问题5：若要使得导体棒做匀加速运动，求F随时间t的变化关系，并画出F-t图像.

教学片段设计意图：通过对动力学问题涉及的与电磁感应结合的动力学知识进行整合设置“问题链”，并在教学过程中引导学生对电磁感应动力学问题求解方法进行自我小结，在分析电学问题基础上，通过“4步法”思路分析电磁感应中的动力学问题.

情况3：电磁感应中的能量问题.

问题：导体棒在一个恒力F作用下从静止开始运动(与情况2相同)，若运动一段距离x后，导体棒恰好达到vm，求该过程电阻R上产生的焦耳热？

问题分层解析.

问题1：能否用Q=I2Rt直接计算？试画出I-t图像；

问题2：(1) 列出棒运动过程中的动能定理；(2) 列出棒运动过程中的功能关系方程或能量守恒方程；

问题3：求出的Q与所要求的电阻R上产生的焦耳热QR什么关系？

教学片段设计意图：通过“问题链”设置，一方面阶梯式设问降低焦耳热求解的难度，另一方面通过阶梯式设问体现求解焦耳热的常见思路方法.

设计意图：对于整个教学环节3，通过对单杆导轨切割模型层层精心设计问题链，逐步推进思维进阶，将“问题串珠成线”，逐步解决电磁感应中的电路问题、动力学问题、能量问题，并在3类问题中分别穿插图像问题分析，将4类问题进行有机融合建构模型的知识网络结构，丰富完善学生脑中该模型的物理认知结构.

教学环节4：模型的拓展变式(图7).

图7 模型的拓展变式

图8

拓展变式：如图8所示，两根足够长的光滑平行直导轨与水平面成θ=37°角放置，两导轨间距为L=0.5 m，在导轨间接有阻值为R=0.3 Ω的电阻．一根质量m=0.5 kg的均匀直金属杆ab放在两导轨上，并与导轨垂直，金属杆电阻r=0.2 Ω，整套装置处于匀强磁场B中，磁场方向垂直于导轨平面向上，导轨和金属杆接触良好，其他电阻均不计．(g=10 m/s2)

(1) 若ab棒由静止释放，当运动过程中最大速度vm=6 m/s，则磁感应强度B应为多少？

(2) 当ab棒匀速时，ab两端的电压Uab为多少？

(3) 若ab棒从释放到速度达最大速度vm的过程中沿导轨下滑的距离x=4 m，则电阻R上产生的热量Q为多少？

(4) 上问中流过电阻R的电荷量q为多少？

(5) 若只改变金属杆质量m的大小，则最大速度vm也会相应改变，vm-m图线应该怎样？

(6) 若ab棒从静止开始向下做匀加速直线运动a=1 m/s2，则当t=6 s时外力F为多少？外力的瞬时功率P为多少？

(7) 若导轨粗糙，如ab棒能静止在导轨上离最高处h=3 m高处，且磁场B按B=1+0.5t(T)的规律变化，则当t=2 s时，ab棒所受的摩擦力大小和方向如何？

设计意图： 通过改变现成水平放置、倾斜放置、竖直放置等模型的结构形式，改变研究对象的物理环境，改变提问或题给物理量等对基本模型进行适度拓展.通过斜面放置单杆切割模型进行系列问题设置解决，融合电磁感应电路问题、动力学问题、能量问题和图像问题，进一步提升对模型的深层次认知.

图9

教学环节5： 模型的深度解构(图9).

问题链如下.

(1) 洛伦兹力做功吗？

(2) 能量是怎样转化的呢？

典例分析：2017年北京理综第24题(如图10所示，具体题目内容略)

图10

设计意图：澄清学生脑中的模型疑难点，理清模型中洛伦兹力的认识，通过典型高考真题分析动生电动势的产生机理，导体棒ab中的自由电荷所受洛伦兹力对运动电荷不做功，洛伦兹力通过两个分力做功起到“传递”能量的作用，进一步促进对模型解构的深层次认知.

教学环节6：模型的总结.

图11 模型的问题解决方法总结

设计意图：通过模型问题的“发散”，从“源”、“路”、“力”、“运动”、“能量”等方面将电磁感应与电路问题、动力学问题、能量问题以及图像问题进行“收敛”融会贯通，引导学生感悟模型解决路径，从碎片化走向体系化，提升模型问题解决的有序化与组织化程度.

教学环节7：情境模型的问题解决.

学生活动(自编自导)： 根据构建的模型自主设置已知物理量，设置定性或定量求解的不同物理量，自主搭建设置解决问题的路径.

样例示范：如图12所示是依附建筑物架设的磁力缓降高楼安全逃生装置，具有操作简单、无需电能、逃生高度不受限制，下降速度可调、可控等优点.

该装置原理可等效为：间距L=0.5 m的两根竖直导轨上部连通，人和磁铁固定在一起沿导轨共同下滑，磁铁产生磁感应强度B=0.2T的匀强磁场.人和磁铁所经位置处，可等效为有一固定导体棒ab与导轨相连，整个装置总电阻始终为R，如图13所示.

在某次逃生试验中，质量M1=80 kg的测试者利用该装置以v1=1.5 m/s的速度匀速下降，已知与人一起下滑部分装置的质量m=20 kg，重力加速度取g=10 m/s2，且本次试验过程中恰好没有摩擦.

图12

图13

(1) 判断导体棒ab中电流的方向；

(2) 总电阻R多大？

(3) 如要使一个质量M2=100 kg的测试者利用该装置以v1=1.5 m/s的速度匀速下滑，其摩擦力f多大？

(4)保持第(3)问中的摩擦力不变，让质量M2=100 kg测试者从静止开始下滑，测试者的加速度将会如何变化？当其速度为v2=0.78 m/s时，加速度a多大？要想在随后一小段时间内保持加速度不变，则必需调控摩擦力，请写出摩擦力大小随速率变化的表达式.

设计意图：通过学生对模型处理的“自编自导”，在模型设置已知量和未知量过程中不断促进学生对模型理解的深加工水平.通过2019年上海浦东二模考试题进行样例示范，丰富学生头脑中的模型相关问题图式，完善学生对模型解决思想和方法的认知样例，提高物理模型的问题表征能力.

3 指向物理核心素养的“主线”深度教学实践的意义

3.1 通过“主线”深度教学提升学生的科学思维发展水平

物理核心素养中“科学思维”部分关于物理模型建构与运用的水平层次划分如表1所示.

表1 物理模型的水平划分与具体内容

依据《普通高中物理课程标准(2017年版)》，水平2是高中学业水平合格性考试的命题依据；水平4是高校招生录取的学业水平等级性考试的命题依据.水平1到水平5从能否应用常见模型、能否选用恰当模型解决简单的问题、能否将实际问题转化为物理模型等逐次递进，其中水平1、2、3仅涉及模型的识别与选用，未涉及建构模型，水平4、5涉及建构模型的差异在于实际问题的复杂程度.本节教学设计“以生活问题情境为起点，构建模型——从‘模型识别’走向‘模型建构’；以科学思维发展为中心，解构模型——从‘知识重现’走向‘知识重演’；以实际应用解决为落点，拓展模型——从‘模型习得’走向‘问题解决’”.通过情境建构模型、教材回归模型、模型的理解与运用、模型的拓展变式、模型的深度解构、模型的总结、情境模型的问题解决等环节，引导学生掌握模型解决的方法和策略，搭建从单一结构水平到多元、关联的结构水平的可攀登的思维台阶，实现模型内化并解决问题，拓展训练科学思维的实践途径.

3.2 通过“主线”深度教学优化学生的物理认知结构

学生头脑中的物理认知结构主要包括物理知识储备量、物理知识的组织程度和物理知识在头脑中的表征方式等方面.认知加工水平与相关的知识储备量有着密切关系.有序的物理知识的组织程度能有效激活问题解决过程中的物理知识，促进物理概念和规律的理解与内化，优化物理认知结构.本节教学内容涉及较多的物理概念与规律，包括电磁感应的电学问题、动力学问题、能量问题以及图像问题，属于综合性程度较高的复合模块.从知识论的角度构建优化物理认知结构，有效促进深度学习，必须考虑知识学习的充分广度、深度和关联度.因此，本节教学设计通过单杆切割模型为“明线”，通过对构建物理模型的问题情境化呈现，从模型问题解决过程中整合碎片化的物理概念与规律，通过设置问题链等教学主线，在问题解决的过程中逐层深化知识，拓展知识的广度，促进知识内化的深度，融合提升知识的关联度，促进物理教学从知识本位走向物理认知结构的优化完善，促进物理观念的内化，促进对物理模型的深度学习，发展学生的物理核心素养和学科关键能力.

3.3 通过“主线”深度教学发展学生的物理问题解决能力

目前常见教学现状是知识学习优先于问题解决，将问题解决过程看作是已有知识的应用过程，并无形中突出陈述性知识优先于程序性知识的学习，由此将部分物理知识变成了“惰性知识”.《普通高中物理课程标准(2017版)》注重“通过问题解决促进物理学科核心素养的达成”，指出“要从培养物理学科核心素养的视角审视教学的目的，应通过习题教学，使学生在科学思维、探究能力、实践意识、科学态度等方面得到有效提升.习题教学的作用不仅仅是为了得到答案，而是要全面提高学生的问题解决能力.”因此，在教学实践中，应引导学生在真实生产生活中体验问题的复杂性和丰富性，构建从情境中学习知识的认知路径，而将实际情境问题转换为物理模型是问题解决的基础.在本节教学设计的最后“情境模型的问题解决”环节中，通过学生的“自编自导”创设基于设计学习的教学活动，有利于学生将模型模块知识进行融合反思.通过设置已知量和未知量的合理性与有效性，不断迭代修改，在如此反复的过程中最终解决问题，并结合样例教学示范印证，促进深度学习.从本节教学目的的有效达成和学生的反馈情况看，将情境线、模型线、知识线、问题线等“明线”与“暗线”相结合的“主线”深度教学，有利于培养学生在真实情境中的问题解决能力，“在问题解决中进一步提高探究能力、增强实践意识、养成科学态度，促进物理学科核心素养的形成.”