聚焦模型建构 促进深度学习

摘 要：通过品评一节高三二轮专题复习的研究课，旨在引领教师如何基于“课前诊断”进行“有效教学”的设计，提升教师教学设计的水平。通过“模型建构与融合”的课堂实录，溯源反思，提出核心素养导向的物理教学要重视情境创设与展示，重视问题引领与学生活动设计，重视认识冲突与对话，重视课堂留白与生成，引导教师能基于未来教育观和理解性教学观开展课堂教学，有效促进核心素养的落实。

关键词：情境创设；模型建构；专题复习；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）8-0028-5

为了帮助学生高效备战高考，促进知识的结构化与系统化，实现物理知识的融合、迁移与应用；也为促进一线教师在核心素养导向的高考背景下教学设计水平的提高，实现核心素养在课堂教学中有效落实，笔者主持了一节高考专题复习的区级研究课。本节课的课题是“模型建构与融合”，时长４０分钟。

１ 设计蓝图：基于“课前诊断”的“教学提升”

在架构高三专题复习的教学设计时，教师首先要明确本节课要解决的核心问题是什么？对于解决这一问题学生已经具备了哪些知识基础与认识能力，在哪些方面仍存在认知困惑？这些问题可以通过课前诊断进行调研和评估；基于课前诊断结果，教师要明确本节课的教学目标，即通过本节课的复习，学生在知识结构化、方法迁移化、思维流畅化、认识逻辑化等方面有哪些提升？基于上述两点思考，教师开始设计教学活动与学生表现性评价任务，有效地编制问题链促进学生走向深度学习。

１．１ 课前诊断——“学习之旅”的起点

《普通高中物理课程标准（2017年版２０２０年修订）》将模型建构的能力要求划分为五个水平，核心素养导向的新高考对模型建构的考查大致分为三个层次：（１）用简单、熟悉的物理模型解决问题，对应于学业质量水平１和水平２；（２）选用适当的模型解决问题，对应于学业质量水平３；（３）创建新的模型解决复杂问题，对应于学业质量水平４和水平５［１］。

分析近五年高考，可以发现：试题对于模型建构能力的考查，由原来的给定条件引导建模，转向类比经典模型进行模型迁移，正逐渐转向根据实际问题自主建模，对于模型建构能力的要求越来越高。

课前，教师结合一模试题作答表现编制了调查问卷，调查学生在模型建构过程中遇到的困难，概括为４个方面：（１）缺乏对题目中情境的感性认识；（２）对于典型模型的建构过程关注不够，导致解题时思维僵化；（３）不能准确地将题目中所提供的信息与物理概念和规律建立联系，进行合理问题转化；（４）缺乏建构模型解决物理问题的方法总结。

1.2 课前诊断——“学习之旅”的终点

为了有效帮助学生解决模型建构中遇到的困难，本节课将通过教师的引导、问题的设计和方法的总结等过程使学生增强建立物理模型的意识，能主动将实际问题和典型的物理模型建立联系。具体教学目标包括：

第一，观察实验或视频，能用物理概念准确地描述实际情境，对实际情境形成感应认识。

第二，阅读题目信息并思考如何用物理概念和规律表达实际情境的状态和过程，进行合理问题转化，能画出运动情境图辅助分析。

第三，通过“荡秋千”和“水柱冲击”问题的分析，体会模型建构过程，归纳总结建构模型解决实际问题的思路和方法。

1.3 规划路径——“学习之旅”的认知逻辑

用建模的思想解决实际问题是物理学中重要的手段和方法。从某种意义上，物理学就是用模型描述世界、用数学表达模型、用实验检验模型的科学。建模的思想具有统摄性，贯穿于整个物理学的研究领域，聚焦模型建构的专题复习可以从科学思想方法的角度帮助学生整合一轮复习的知识，促进思维的深度发展［２］。

模型建构的过程充分体现了分析、抽象、概括等思维过程，基于经验事实建构物理模型解决实际问题的能力属于高阶思维能力。建构模型分析和解决问题的关键在于“转化”，即能否把情境的故事情节转化为物理现象；能否把描述情境的文字转化为物理表述；能否把情境中需要完成的工作转化为物理问题，并建立相应的物理模型。因此，对于模型建构能力的培养离不开情境创设、情境描述、问题转化、建模分析等教学环节。反之，如果某些环节有缺失，就容易引起学生的认知偏差，形成思维定式，“生搬硬套”模型而缺乏深度思考。

在高三二轮复习中，许多教师都会选择模型建构这一专题，教学流程往往是：先给定常见的物理模型（如柱体模型、球辐射模型、碰撞模型、电动机与发电机模型等），然后选取例题说明解题方法和细节，最后通过大量变式习题巩固模型理解。这样的“三步走”教学过程呈现了“以讲解代替理解，以提示代替思考，以被动接受代替主动建构”的教学形态，在此形态下，学生获取的知识往往是机械性、重复性、浅层性的，很难激发学生的深度思考与自主迁移，更谈不上培养学生自主建模解决新情境问题的能力了。这也是目前物理教学中存在的普遍问题。

开设本节研究课的目的也是想为突破上述问题做些引领性的探索与尝试。本节课通过“荡秋千，在最低点站起，摆角会变化吗”“水刀对钢板的冲击力有多大”和“水流不同位置的流速有何关系”三个问题的引领，体会模型建构的过程，形成模型建构解决问题的认知路径。对于模型建构过程，教学路径如图１所示。

2 教学实录：引导模型建构，促进深度思考，激发思维跃迁

2.1 教学活动一：荡秋千，在最低点站起，摆角会变化吗

情境 秋千由踏板和绳组成，人在秋千上的摆动过程可以简化为单摆的摆动，等效“摆球”的质量为ｍ，不计空气阻力，重力加速度大小为ｇ。

在没有别人帮助的情况下，人可以通过在低处站起、在高处蹲下的方式使“摆球”摆得越来越高。人蹲在踏板上从最大摆角θ１开始运动，到最低点时突然站起，此后保持站立姿势摆到另一边的最大摆角为θ２。假定人在最低点站起前后“摆球”的摆动速度大小不变。比较θ１和θ２的大小。

教师组织学生阅读题目后，播放视频并引导学生观察：人在最后阶段是如何荡秋千的。

问题讨论１ 荡秋千是一种什么样的运动？摆动过程中，人站立或者蹲下（图2），对应着哪个物理量的变化？

有学生回答是圆周运动，有学生回答是单摆运动。教师自然发问“那是不是简谐运动呢”，学生根据视频中摆角比较大的特点否定了简谐运动，认为看成竖直面内圆周运动的一部分比较合理。通过讨论，学生很快认识到：人站立或者蹲下，对应着半径或者摆长的变化。

问题讨论２ 对题设过程可以做怎样的简化？提取关键信息，哪些因素可以忽略掉，哪些问题可以做近似处理？

学生提取题目信息，并结合实际情境发现：不计空气阻力和ｇ的变化，在最低点突然站起即“摆长突变”意味着不考虑该过程所用时间，“摆长突变”假设速度不变。听课老师看到此处，不觉感叹：给学生时间来发掘这一过程的主要因素和次要因素，这是抽象成理想化模型的基础。但实际教学中往往“一带而过”，甚至“理所当然”。

画运动示意图 请你画出从左侧最高点到右侧最高点的运动过程示意图，标出摆角和摆长。教师展示学生作答，如图3所示。

解决实际问题 可以采用什么方法比较θ１和θ２的大小，运动过程可以分为几个阶段？

有的学生提出，可以分两个阶段，分别根据动能定理得到含θ１和θ２的表达式。教师展示学生的解答过程，通过列式发现：ｌ１＞ｌ２，ｃｏｓθ１＞ｃｏｓθ２，即θ１＜θ２。这与视频中的实际情境相符合，说明建立的模型是合理的。

此时，有学生突然提问“这个过程中重力势能先转化为动能，动能又转化为重力势能，机械能应该守恒吧”，听课老师听到这个生成性的问题感到欣喜，这是本题容易出现的错误，教学中往往会被忽视。教师也很机智，借机将该问题抛给学生讨论。

问题讨论３ 荡秋千从左到右的整个过程中机械能守恒吗？为什么？

有的学生通过比较左侧最高点和右侧最高点的重力势能发现，机械能增加了。还有的学生从能量转化角度去分析：“如果机械能一直守恒，人反复站立、蹲下、站立、蹲下……将不消耗能量，这与实际不符，所以，应该是人消耗了生物能或者化学能转化为机械能。”教师又进一步引导学生计算这一过程增加的机械能：ΔＥ＝ｍｇ（ｌ１－ｌ２）。

解题思路小结 解题思路如图4所示。

2.2 教学活动二：水刀对钢板的冲击力有多大

情境 现代切割技术常用的一种“水刀”（图5），它将水从高压水枪中高速射出，形成很细的水束，用来切割钢板等物体。已知水束的横截面积为Ｓ，速度为ｖ，并垂直射向钢板，若水射上钢板后的速度视为０，水的密度为ρ，求水对钢板的平均冲击力。

教师引导学生阅读题目，观看水刀切割的视频，帮助学生形成感性认识。

问题讨论１ 把水建构成为一个怎样的模型进行研究？对这个情境要做怎样的简化？

学生结合题目和实际情境发现在这个问题中：忽略了水碰到钢板后的反弹；还可以忽略水的重力的作用，这意味着“水碰到钢板前做匀速直线运动”，可以建立“柱体模型”进行研究，并画出过程示意（图6）。

问题讨论２ 这段水柱对钢板的冲击力是恒力吗？用什么方法求解钢板受到的平均冲击力Ｆ呢？

多数学生运用动量定理解决了该问题，教师强调：动量定理表达式是矢量式，要先规定正方向，再列式求解。（注：在二轮复习中要有意识地训练学生规范解题的习惯）

思想方法迁移 请同学们思考，我们在研究哪些问题中还建立过柱体模型呢？

学生互相补充回答，发现在推导电流微观表达式、计算风能和气体压强、推导洛伦兹力与安培力的关系都建立过柱体模型。听课老师觉得通过“柱体模型”能将所学知识进行整合，实现了模型的迁移与拓展，这样具有高度结构化的知识才是可以灵活运用的知识。

2.３ 教学活动三：水流不同位置的流速有何关系

题目 在生活中经常看到这种现象：适当调整开关，可以看到从水龙头中流出的水柱越来越细，如图7所示，垂直于水柱的横截面可视为圆。在水柱上取两个横截面Ａ、Ｂ，经过Ａ、Ｂ的水流速度大小分别为ｖ１、ｖ２；Ａ、Ｂ的直径分别为ｄ１、ｄ２，比较ｖ１、ｖ２的大小关系。

教师引导学生阅读题目，并观看自拍的水龙头流水视频，使学生对问题情境形成感性认识。然后，教师通过２个问题引领学生经历建模过程，解决问题。

问题讨论１ Ａ、Ｂ处的水流速度哪个大？为什么流速大的地方横截面积小？

学生根据生活经验很容易判断出ｖ１＞ｖ２，但有人错误地认为“流速大，压强小，所以横截面积也小”，教师引导“如果在真空中，水流形状与此相似，与流体压强无关”，有学生提出这应该是“流量守恒”的结果，即从截面Ａ流入的水量等于从截面Ｂ流出的水量。

问题讨论２ 如何选取研究对象呢？建立什么样的物理模型来求解ｖ１、ｖ２？

学生能够认识到选取Ａ、Ｂ间的水为研究对象，从Ａ流入水的体积等于从Ｂ流出水的体积。“考虑到各位置水流速度不同，如何求解瞬时速度ｖ１与ｖ２”，对这一问题，有些学生论述不清。教师启发“可以选取哪段时间的平均速度代替瞬时速度呢”，学生立刻回答：“应该取液片附近极短时间Δｔ研究，且在Δｔ内的水流速度不变”，于是学生建立了分层的柱体模型解决问题（图8）。

2.4 教学活动四：总结归纳建构模型解决实际问题的思路

建构模型解决实际问题的思路如图9所示。

3 溯源反思：课堂有留白，学生真思考，素养方形成

法国物理学家拉普拉斯曾说：“普遍的定律表现在特殊的现象里，而特殊的事例里常掺杂有许多外来的因素，只有用最巧妙的心思才能将它们分开而发现规律。”这段话说明人类认识自然、发现规律的过程中首先要学会识别现象的主要因素和次要因素，抽象出本质物理特征，才能发现定律，这就是运用物理模型思维。本节课聚焦模型建构解决问题，是基于思维方法整合知识的一次教学尝试。

这节课令老师们印象深刻的是学生真实、完整地经历了荡秋千、流体柱的模型建构过程：阅读问题—展示情境（视频或图片）—抽象物理本质、忽略次要因素—建构模型—解决问题—模型拓展与关联。看似“教学节奏慢、内容少”，笔者却认为这才是发展学生素养的“高效课堂”，教师问题引领契合时机，注重学生的体验、思考与充分表达，唯有如此的教学氛围才能促进学生深度思考，实现思维跃迁，有效落实核心素养发展。

美国教育家杜威曾说：“如果我们用过去的方法教今天的学生，那么我们就是在剥夺他们的未来。”这句话发人深省：在急剧变革的２１世纪，课堂教学要如何转变？笔者认为，一定要从“传递型教学”转向“建构型教学”，释放课堂活力。在课堂中尽可能调动学生活跃的思维，发现不同的思路，激发认知冲突，展开集体智慧，使学生间的认知冲突与活跃对话成为推动教学的原动力［３］。通过这种学习掌握的技能与态度，在走上社会之后才是有用的。

4 结束语

今年，ＣｈａｔＧＰＴ引发了社会各界关于ＡＩ发展前景与影响的激烈讨论。作为教师，我们要敢于迎接时代挑战，积极探索新型教学模式：选取“少而重要”的物理“大概念”，创设真实情境，让学生以小组合作的方式运用学科观念解决真实问题，经历真实实践，形成个人理解［４］，达到“发展每一个学生的核心素养”的根本目的。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版２０２０年修订）［S］．北京：人民教育出版社，２０20：７８－８０．

［２］张健，王华，李春密．基于物理思想方法的专题复习单元设计——以“守恒思想”教学为例［Ｊ］．物理教学，２０２３，45（３）：１２－１５．

［３］钟启泉．核心素养十讲［Ｍ］．福州：福建教育出版社，２０１８：２１．

［４］张华．让学生创造着长大——2022年版义务教育课程方案和课程标准核心理念解析［Ｍ］．北京：教育科学出版社，２０２２：３６－３９．

（栏目编辑 刘 荣）