高中物理模型化教学案例研究

摘   要：高中生面临着上课听得懂，下课不会做题的困境。原因之一是学生对知识的分类和整理不足，陈述性知识没有顺利转化成程序性知识或策略性知识。以高中物理“电磁感应”板块模型应用为例，进行模型化教学案例展示和效果分析。结果显示，模型化教学对不同层次的学生都有明显的助益。模型化教学强化了知识点之间的逻辑关系，从而容易被记忆系统储存和提取。模型化教学中对各种情境进行了整合，减少了学生直接经验获得过程中的时间成本。

关键词：模型化教学；程序性知识；迁移能力；电磁感应；细化和泛化

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2025）3-0026-5

高中生面临着上课听得懂，下课不会做题的困境；有些学生迷信题海战术，费时费力，却效果不佳。按照认知心理学分析，主要原因是传统的不以物理模型为框架的教法和学法导致物理知识是静态的陈述性知识，其要求的心理过程主要是记忆。通过物理建模形成的以物理模型为主框架建立的知识，是以产生式系统表征和储存的程序性知识，有利于知识的摄入、储存和迁移。物理建模的过程可以实现陈述性知识向程序性知识的转化，甚至是程序性知识向策略性知识的转化。策略性知识有助于提高学生的元认知能力，从而使学生可以自觉监控学习过程，培养优质的思维习惯，提高物理思维能力，提炼学习方法。

本文以高中物理“电磁感应”板块模型应用为例，进行模型化教学案例展示和效果分析，进一步完善物理建模教法和学法的实践策略。

１国内外研究现状

在国外，关于物理建模教学的研究主要是以Ｄａｖｉｄ Ｈｅｓｔｅｎｅｓ的模型教学理论为基础展开的，认为物理建模是包括建立模型、分析模型和验证模型的基本认知过程。其模型化教学主要是将课堂内容分割成板块，以情境入手，离析出物理模型，进而确定建模的目的和验证模型的思路，最终经过优化和修正，形成确定模型，之后再探讨将模型应用于其他情境。

在国内，一线教师关于物理建模教学的研究虽然起步晚，但成绩卓然。例如，有团队确立了物理建模教学的五项原则和三维目标，提出了学生建模能力中关于建模意义、工具、检测和技巧等的具体目标。有团队着眼于中学物理课堂上具体建模模式的建立，提出了物理建模的不同模式，例如，三阶段式，即建立模型、识别模型、应用模型；五环节式，创设情境、建模准备、建立模型、应用模型和反馈评价。

但是，关于物理建模教与学的案例太少，所以大多数一线教师认为，在现有体制下，学生需要着重提高的应该是识别和应用模型的能力。学生的困境主体来自模型应用过程的非模型化，建模结果和应用过程严重脱节。本文展示模型应用过程的模型化教学的案例，期待对高中物理一线教学有一定的参考价值。

２模型化教学模式

模型化应用在高中阶段大多是以习题课的形式完成的，习题课上，有些教师只是单纯地讲一些练习题，学生只是学到了零碎的、散点式的知识，无法习得网状结构的、系统的方法。如果将各种分支类型的题目同时展现出来，让学生加以分辨，学生能更深刻、完整地把握类似问题间的条件和边界，从而提炼更简洁统一的方法，最终才能培养出深层次的、策略性的思维习惯。模型应用过程实现了这些目标，才能减轻学生面对新问题束手无策的窘迫。为此，我们对模型应用的过程采取模型化教学，并以五环节模式展开，如图1所示。

３模型化教学过程展示——“电磁感应”板块模型应用

３．１主题情境展示

教师提问：发电机最早是谁发明的？发电机的基本原理是什么？最早的发电机长什么样子？现在的发电机大致分为哪两类？

学生活动：整理课前预习查阅的资料并回答。答案基本上是准确的：最早的发电机是由法拉第发明的，基本原理是电磁感应，现在的发电机分为交流发电机和直流发电机。

设计意图：检查学生预习的结果，完成有关电磁感应应用方面科学史的教学目标，顺利引出电磁感应基本模型的复习。

３．２基础模型复习

教师提问：电磁感应的两种本质是什么？基本算法有哪些？切割法计算的要点是什么？

学生活动：回忆上节课所学知识并作答，两种本质指的是感生和动生；基本算法有两个，电磁感应定律法和切割法；切割法计算的要点是三个物理量必须满足三垂直。

教师展示问题１：如图2所示，导体ａｂ是金属线框的一个可动边，ａｂ边长Ｌ＝０．４ ｍ，磁场的磁感应强度Ｂ＝０．１ Ｔ，当ａｂ边以速度ｖ＝５ ｍ/ｓ向右匀速移动时，感应电流的方向如何？感应电动势的大小是多少？

学生活动：独立思考，分析并解答问题，展示答案。

设计意图：引导学生复习电磁感应相关知识，以例题的形式展现基本模型——单棒平动切割，为接下来的问题作准备。

３．３模型细化

教师展示问题２：如图3所示，在磁感应强度为Ｂ的匀强磁场中，放置有半径为Ｌ的光滑半圆形导体框架，ＯＣ是可以绕Ｏ在框架上滑动的导体棒，ＯＣ之间连接阻值为Ｒ的电阻，其余电阻不计，当ＯＣ能以恒定角速度ω转动时，求回路中的电流大小和方向。

教师提醒：相比于基础模型，将“平动切割”改成“转动切割”，转动轴平行于磁场却垂直于导体棒。各点线速度不同时，用中点线速度代替。

教师展示问题３：如图4所示，有一面积为Ｓ、匝数为Ｎ、电阻为Ｒ的固定矩形线圈放置在磁感应强度大小恒为Ｂ的旋转磁场中，磁场方向垂直于线框的对称轴ＯＯ＇。现让磁场绕ＯＯ＇以角速度ω按图示方向匀速转动，从图示位置开始计时，感应电动势随时间变化的规律以及感应电流的方向如何？

教师提醒：在问题２模型的基础上，改变了转轴的位置，导体棒ａｂ和ｃｄ绕垂直于磁场且平行于导体棒的轴转动，关注感应电流大小和方向变化的特征和节点。

教师展示问题４：如图5所示，Ｎ、Ｓ是永磁铁的两极，Ｍ是铁芯，铁芯外套着矩形导线圈，线圈绕铁芯Ｍ的中心轴匀速转动。磁极与铁芯间形成辐向磁场。从图示位置开始计时，设此时电动势为正值，求线圈中感应电动势ε随时间ｔ的变化规律。

教师提醒：相比于问题３中的模型，将“匀强磁场”改成“辐向均匀磁场”，转轴改成了垂直于磁场且平行于导体棒，关注磁感应强度的大小和方向。

设计意图：以问题为基础，通过改变切割模式和转轴位置实现模型的细化。引导学生将相似问题关联起来，提炼统一的方法。引导学生从基础模型出发，探寻解决实际问题的方法。

３．４思维过程梳理

教师引导：提醒学生分析每个问题条件的异同：平动切割和转动切割的区别；转轴垂直于导体棒和平行于导体棒的区别；匀强电场和辐向均匀磁场的区别。提醒学生关注这些问题和两种发电机的关系。提炼每个问题中应用到的物理和数学思想方法。

学生提问：直流电和交流电之间的区别是什么？

教师解答：交流电的大小和方向随时间周期性变化，正余弦模式为主，而直流电大小和方向不随时间变化。

设计意图：课堂中留下必要的、适当的时间，供学生总结和整理。让学生有机会自行消化问题中的重难点，有机会提出自己的疑问。

３．５回归主题情境

模型细化过程中，导体棒转动切割问题完成后，学生已经意识到了发电机发明过程中用到的关键原理。这一环节的设计旨在让学生更明确发电机的发明和电磁感应模型应用过程之间的关系，实现课堂前后呼应。图6是学生在这一环节中，利用发电机模型和微型手摇发电机分析验证问题３和问题４中结论的过程。

设计意图：在这一环节中，学生不仅成功完成了主题情境中的问题，更体验到了“豁然开朗”的积极情绪，从而激发他们努力钻研的勇气。

４教学效果分析

教学活动结束一周之后，通过试卷考查１０个实验教学班和１０个对照教学班共６００名学生对该知识板块的学习效果。共设计１２道题，其中选择题８道，计算题４道。试题考查内容设置如表1所示。

结果显示，无论是课堂中原例题的再现，还是在其基础上的变式，实验班的平均分皆高于对照班。在创新题中，实验教学班的平均分更是远超对照班。题目的变形程度、创新程度及难度越高，平均分的差值越大。分析每道题得分的方差，结果显示，实验班和对照班相差不大，证明模型化教学方案对不同能力层次的学生都产生了明显的教学效果。

５反思与总结

模型化教学能够帮助学生实现知识层次的升华，使原来散落的知识点有了脉络和骨架，从而如珍珠一般被串联起来；模型化教学提醒学生注意知识点之间的逻辑关系，从而容易被记忆系统储存；模型化教学能够帮助学生形成对考试题的理性认识，学会对各种类似情境进行整合，减少学生直接经验获得过程中的时间成本；模型化教学能够帮助学生提炼合理的学习方法，提高学习效率，优化知识结构，从而可以提高学生的知识迁移能力。模型应用过程模型化教学，使学生面对问题时可以更准确地定位题型，更完整地把握细节，分辨条件，减轻学生面对新题、难题时束手无策的窘迫。

参考文献：

［１］廖伯琴．物理教育学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2012.

［２］贾光武．高中物理模型教学的研究与实践［Ｄ］．兰州：西北师范大学，２００６.

［３］施良方．学习论［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２００１.

［４］田世昆，胡卫平．物理思维论［Ｍ］．南宁：广西教育出版社，１９９６.

（栏目编辑刘   荣）

收稿日期：2024-09-11

作者简介：马星科（1989-），男，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作。