袁 勇 付 民 羅 瑩

(1. 湛江市第二中學,廣東 湛江 524022; 2. 北京師范大學物理學系,北京 100875)

教育部制定的《普通高中物理課程標準(2017年版)》把模型建構(gòu)作為核心素養(yǎng)的重要部分,如何通過高中物理課程的教學來提高學生的建模能力是中學物理教師一直關(guān)注的話題.中學一線教師對物理模型并不陌生,師生每天都會接觸到很多模型,諸如質(zhì)點、理想氣體的狀態(tài)、自由落體運動、忽略空氣阻力等對象模型、狀態(tài)模型、過程模型和條件模型等.[1]通過文獻查閱,關(guān)于模型和建模的研究成千上萬篇,但關(guān)于科學建?；蚩茖W建模能力的研究寥寥無幾,主要是郭玉英團隊在研究,理論研究為主,教學設計與實踐研究很少.在實際教學中,教師更多的是直接講解模型及其建構(gòu)過程,更多地關(guān)注對客觀事物的共同特征和本質(zhì)屬性的概括和抽象,強調(diào)科學知識的屬性,而很少關(guān)注到學生原有觀念的影響和個人對知識的主觀理解而形成的心智模型,也很少通過認知沖突外顯學生的心智模型,心智模型的修正也是簡單的講授式,與科學建模要求相差甚遠.因此,基于培養(yǎng)和提升學生的科學建模能力的教學設計就顯得尤為重要.每一位物理教師都有義務和水平落實學科核心素養(yǎng)目標,但是需要努力研究課程標準,深入理解科學建模理論框架,自覺地應用科學建模的基本思路來統(tǒng)領(lǐng)中學物理教學,只有這樣,才能培養(yǎng)好學生科學建模能力,才能落實國家課程標準.

1 科學建模能力簡介

1.1 科學建模能力的內(nèi)涵

美國科學建模教學理論的創(chuàng)立者海斯特斯 (Hestenes)認為,物理研究(或?qū)W習)的過程即對自然世界建模的過程.[2]在科學中,模型被視為是對真實世界的一種表征,可以對物體、事件、系統(tǒng)、過程、 物體或事件間的關(guān)系等進行表征.建模是建構(gòu)或修改模型的動態(tài)過程,即從復雜的現(xiàn)象中,抽取出能描繪該現(xiàn)象的元素或參數(shù),并找出這些元素或參數(shù)之間的正確關(guān)系,建構(gòu)足以正確描述、解釋該現(xiàn)象的模型的過程.可見,建模是認識真實世界的過程.從這個意義上講,物理學科教學的重要育人價值之一即培養(yǎng)學生的科學建模能力,科學建模能力也成為物理學科核心素養(yǎng)的重要組成.[3]郭玉英研究團隊經(jīng)過多年來的研究認為,科學建模能力是主體意識對客體現(xiàn)象復雜加工過程中表現(xiàn)出來的個性化心理品質(zhì).建模首先需要基于原有認知、觀察、分析物理現(xiàn)象形成初步的心智模型,然后通過推理、論證等復雜的認知行為對心智模型進行修正,最后形成概念模型.顯然建模是一種主動的內(nèi)在心智行為能力,表現(xiàn)在主體行為對客體現(xiàn)象的操作表征過程中,以交流、解釋、預測等為目的,將心智模型用圖、表、實物、計算機仿真、數(shù)學語言等進行表征,再通過觀察、實驗等手段其進行驗證、修正,是一種外顯的科學探究能力,與科學家的科學研究能力具有本質(zhì)的一致性.[2]

1.2 科學建模能力培養(yǎng)和提升的基本流程

Hestenes 認為,[3]科學模型是對真實世界的一種表征,當科學共同體創(chuàng)造出一致的并被實踐所證實的模型時,此模型就是概念模型.概念模型可以用來描述科學、表征真實世界的．在概念模型與真實世界之間,是個人對真實世界的主觀認識,即心智模型.心智模型是個人所建構(gòu)出來的,不一定與概念模型完全相符.在建模教學的開始階段,學習者必須根據(jù)已有的知識經(jīng)驗,使用所給予的材料和工具來研究面對的情境,建構(gòu)起對當前情境的理解,并將自己這種理解表達出來,即心智模型充分外顯.基于以上觀點,結(jié)合郭玉英研究團隊的科學建模學習進階節(jié)點劃分方法[3]以及張冬冬關(guān)于思維型課堂促進科學建模流程的研究[4],本文提出如圖1的科學建模能力培養(yǎng)與提升流程.創(chuàng)設情境是科學建模的基礎(chǔ),是心智模型形成的前提,通過一系列表征表述,讓心智模型外顯,驗證修正心智模型后就可以形成科學模型,最后經(jīng)過拓展遷移,實現(xiàn)模型應用,學生的科學建模能力就基本形成.

圖1 科學建模能力培養(yǎng)與提升流程

2 科學建模能力培養(yǎng)與提升的教學設計及其實踐分析

洛倫茲力是運動的微觀粒子在磁場中受到的力,學生不容易看到微觀粒子,科學模型就顯得尤為重要.通過科學建?？梢园盐⒂^世界中的物理事實與規(guī)律形象地呈現(xiàn)在學生面前,更好地構(gòu)建洛倫茲力方向、大小、做功等一系列科學概念.基于以上科學建模能力培養(yǎng)與提升流程的基礎(chǔ)上,從以下4個維度培養(yǎng)和提升學生的科學建模能力.

2.1 創(chuàng)設情境,形成心智模型

心智模型是外部世界在個體頭腦內(nèi)部的表征,能夠解釋人們在學習過程中對事物和現(xiàn)象的理解.[5]洛倫茲力是描述微觀世界中帶電微粒子所受的力,看不到、摸不著,非常抽象.為此可以借助物理實驗把微觀的帶電粒子受力的模型外顯,讓學生看到,以幫助學生在頭腦中形成心智模型.

教學片段1.

圖2 陰極射線管

教師:教師給如圖2所示的陰極射線管加高壓,陰極發(fā)射電子束,在熒光屏上顯示一條亮線,然后再加磁場,陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn),并改變磁場方向、陰極射線方向.

學生:觀察演示實驗,發(fā)現(xiàn)射線偏轉(zhuǎn),并隨著磁場方向和電荷運動方向而改變.

教師:磁場對運動電荷的作用力叫洛倫茲力,洛倫茲力的方向與哪些因素有關(guān)?如何判斷其方向?

學生:猜想并形成一些心智模型.

實踐分析:在教師演示實驗的過程中,學生特別感興趣,當接通電源,伴隨著高壓電的“啪啪”聲,陰極射線管發(fā)出一道亮線,全班學生感到特別神奇,每個同學都陷入遐想之中．教師馬上就解釋實驗原理,告知學生陰極射線從陰極射出來的電子束,是帶負電的電子定向移動形成的.然后教師用蹄形磁鐵靠近陰極射線管,射線神奇般發(fā)生偏轉(zhuǎn),引起了學生極大興致,教師馬上提出問題,“是什么作用使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)的?”大部分學生都脫口而出“是磁場對電荷的作用力”.教師引出洛倫磁力概念,并改變磁場反向、電子束方向,發(fā)現(xiàn)電子束偏轉(zhuǎn)方向也隨著改變,基于實驗現(xiàn)象基礎(chǔ)上提出問題“如何判斷洛倫茲力的方向?”進一步引起學生構(gòu)建心智模型.

可見,通過實驗創(chuàng)設情境,觀察實驗,應用原有認知(磁場對電流的作用知識)分析情境,基本上能形成了關(guān)于洛倫茲力、磁場和電荷運動方向的三維心智模型,即3個方向兩兩垂直、能用左手定則判斷等心智模型.

2.2 心智模型充分外顯

為了充分外顯學生的心智模型,給每一個學生準備好竹簽和方形塑料泡沫,讓學生自己把看到的實驗中磁場方向、電荷運動方向和洛倫茲力方向用所給材料表征出來,并且通過討論與交流的方式描述出3個方向的關(guān)系,然后在紙上畫出3個方向的立體圖和平面圖.這樣,通過實物建模、物理數(shù)學建模、交流與解釋就很好地表征表述心智模型,使學生的心智模型外顯,并把外顯的心智模型在全班交流,產(chǎn)生認知沖突,為過渡到科學模型打下基礎(chǔ).

教學片段2.

教師:要求全班每一個學生運用事先準備好的竹簽和方形塑料泡沫進行建構(gòu)模型,把磁場方向、電荷運動方向和洛倫茲力方向分別用3種不同顏色的竹簽表示,紅色表示磁場方向,黑色表示正電荷運動方向(與負電荷運動方向相反),自然色表示洛倫茲力方向,按實驗現(xiàn)象插在方形塑料泡沫中.并交流解釋, 回答問題“如何判斷洛倫茲力的方向?”

圖3 構(gòu)建洛倫茲力立體模型

學生:構(gòu)建實物模型,外顯心智模型,如圖3所示.然后學生間相互交流,解釋自己的實物模型,得出磁場方向、電荷運動方向和洛倫茲力方向兩兩垂直,嘗試用左手定則判斷其方向.

教師:要求學生在紙上畫出電子在磁場中的3個方向的立體圖和平面圖. 然后讓學生相互解釋與交流,并預測左手定則能否準確判斷洛倫茲力的方向.

學生:構(gòu)建物理數(shù)學模型,心智模型外顯,如下圖4和5所示,既體現(xiàn)了物理學模型,又體現(xiàn)了數(shù)學模型,相互解釋交流,得出和上面一樣的結(jié)論.

圖4 洛倫茲力立體模型

圖5 洛倫茲力平面圖形

實踐分析:全班學生很快就把實物模型構(gòu)建起來,興趣特別濃,覺得教師很用心設計教學.學生們很快就根據(jù)實物模型得知3個方向兩兩垂直,且都在嘗試用左手定則比劃,大部分學生確信左手定則可以判斷洛倫茲力的方向,但是也有的學生發(fā)現(xiàn)左手定則不完全能判斷,經(jīng)過全班討論交流,發(fā)現(xiàn)這些學生的四指指向了電子的速度方向,當四指指向負電荷的反方向時,左手定則就可以很好地判斷洛倫茲力的方向了.學生在紙上畫出物理模型過程中,很多學生有困難,畫的隨意性較大,亂七八糟的,經(jīng)過教師引導,告知學生既可以用帶箭頭的線表示各個矢量的方向,也可以用·或×表示垂直紙面的矢量的方向,學生基本能畫出三維立體圖和平面圖,學生畫得津津有味,教學效果很好.

利用材料和工具把心智模型外顯,構(gòu)建實體模型和物理數(shù)學立體、平面模型,轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暤?、顯性的模型,不僅能明顯看出磁場方向、電荷運動方向和洛倫茲力方向兩兩相互垂直,而且能直觀驗證左手定則也適用于判斷洛倫茲力的方向.整個建模過程教師并沒有教干癟癟的物理符號、文字等物理知識,而是在教物理科學,通過精心設計使學生在歡快輕松、合作交流的體驗互動式教學中培養(yǎng)了科學建模能力,學生深刻體驗到研究物理的方法,也體會到物理學的美,學生學習的積極性特別高.

2.3 從心智模型到科學模型的提升

觀察實驗后,學生會在頭腦中產(chǎn)生關(guān)于洛倫茲力的一系列景象,如方向、大小和做功等概念,這些概念是模糊的、不完整、甚至是不科學的概念.經(jīng)過以上一系列心智模型外顯后,讓學生充分經(jīng)歷科學推理、科學論證、交流討論、質(zhì)疑創(chuàng)新和驗證修正等建模過程才能形成科學的概念.學生已經(jīng)把洛倫茲力的方向模型外顯出來,得知可以用左手定則判斷,但是,學生的心智模型中只有洛倫茲力、磁場和運動電荷的三維垂直的單一模型,還沒有涉及到磁場方向與電荷運動方向不垂直的情況,這就需要提出問題,進行質(zhì)疑、推理、論證和修正,形成完整的關(guān)于洛倫茲力方向的科學概念.另外,學生還有另一個心智模型,即洛倫茲力的大小怎么求?是不是與安培力有關(guān)?這就要教師引導全班學生通過一系列科學建模過程,形成科學的概念.

教學片斷3.

教師:伸出左手,嘗試驗證左手定則能否判斷洛倫茲力的方向.

學生:驗證猜想,嘗試用左手定則驗證洛倫茲力的方向,結(jié)果和猜想一致,猜想正確.

教師:請學生們同桌配對,交流討論以下問題,并隨機抽查一組匯報討論結(jié)果,全班交流．

(1) 洛倫茲力、磁場方向和運動電荷方向一定會兩兩垂直嗎?若不垂直,則如何判斷其洛倫茲力?

(2) 洛倫茲力能對電荷做功嗎?為什么?

學生:用手比劃,嘗試用左手定則判斷,產(chǎn)生認知沖突,嘗試建模,尋求解決辦法.

教師:提示學生用手中的竹簽建立實物模型,并畫出平面物理模型,再經(jīng)過推理論證,嘗試找到解決的辦法.

實踐分析:在討論洛倫茲力、磁場方向和運動電荷方向關(guān)系時,很多學生不知所措,覺得實驗結(jié)果和實物建模、物理數(shù)學建模都顯示了兩兩垂直的心智模型.但是,當老師拋出了一個問題時,學生們卻討論得熱火朝天,有的認為就是之前得出了“兩兩垂直”是科學的,有的學生覺得不一定.在騎虎難下的時候,老師讓學生給出一些電荷運動方向不垂直磁場方向的情況,如圖6所示,并讓學生現(xiàn)場操作,感受兩方向不垂直的情況,同時也讓學生在紙上畫出平面圖,如圖7所示.通過現(xiàn)場建模,學生基本明白了磁場方向可以和電荷運動方向不垂直.這樣就產(chǎn)生了認知沖突,為建立科學模型做好鋪墊.

圖6 互成角度的磁場與電荷運動方向?qū)嵨飯D

圖7 互成角度的磁場與電荷運動方向平面圖

引導學生建好模型后,教師就讓學生用之前推導出的左手定則判斷運動電荷的洛倫茲力,學生比劃了半天都無果,不知所措.教師引導學生“有沒有什么辦法使用左手定則判斷其洛倫茲力呢?”不一會兒,有的學生就說“把磁場方向分解為垂直速度方向和平行速度方向的兩個分量,平行的不受洛倫茲力,垂直的可以用左手定則判斷,即為洛倫茲力方向.”學生很快就明白了洛倫茲力的方向既垂直于磁場方向,又垂直于速度方向,即垂直于磁場方向與速度方向所在的平面.這時,學生才形成了關(guān)于洛倫茲力方向判定的科學模型．

在討論洛倫茲做不做功的問題上,大部分學生半信半疑,又覺得不做功,又覺得不可能,覺得有特殊情況.這時,筆者反問學生“判斷一個力是否做功的依據(jù)是什么?憑什么說洛倫茲力不做功?”學生基本上能脫口而出“判斷依據(jù)是看在力的方向上是否有位移,左手定則告知我們洛倫茲力與速度方向始終垂直,所以不做功.”通過師生間、生生間的交流與討論,基本上外顯了學生的模糊的、不確定的心智模型,教師根據(jù)學生的這些心智模型進一步糾正不科學的觀點,給與正確的觀點,有利于形成科學的模型.

教學片斷4.

教師:首先,提出問題“洛倫茲力的方向可以用左手定則判斷,其大小與那些因素有關(guān)?如何求解?”然后,給出求解指導思路.導體中帶電粒子的定向移動形成了電流,電荷定向運動時所受洛倫茲力的矢量和,在宏觀上表現(xiàn)為導體所受的安培力,即洛倫茲力等于安培力除以電荷數(shù).最后,建立實物模型.先找一根廢舊的PVC管,插入一根帶點狀的廢舊掃把,充當圓柱形導體如圖8所示.然后把點狀的掃把推出PVC管,表示帶電粒子定向移動,推出掃把的長度即為電荷定向移動的長度,如圖9所示.

圖8 推導洛倫茲力表達式建模器材

圖9 電流形成的演示模型

學生:觀看教師建模過程.

教師:能否在練習本上畫圖,構(gòu)建出物理模型?并找個別學生上黑板建模.

學生:在練習本畫圖.

圖10 推導洛倫茲力模型圖

教師:經(jīng)過一一點評學生的建模后,直接在學生畫出的圖形中修正物理模型,先畫出圓柱體導體的立體圖,在圓柱體內(nèi)畫出一些正電荷,給畫好的圖形賦值,設導體內(nèi)單位體積內(nèi)的電荷數(shù)為n,每個電荷的電荷量為q,電荷定向運動的平均速度為v,導體的橫截面積為S,如圖10所示.

教師:把模型建好后,就進行推理論證,求解洛倫茲力的表達式.為了降低難度,采用進階的方法,把推導過程分為4個思維遞增的臺階,如下.

① 嘗試寫出電流強度I與電荷量q的表達式.

② 設直導體處在磁感應強度為B的勻強磁場中,電流與磁場方向垂直,如何求出該段通電導體受到的安培力?

③ 如何計算這段導體中總的自由電荷數(shù)N?

④ 若把安培力F看作是作用在每個運動電荷上的洛倫茲力f洛的矢量和,能求出f洛嗎?

學生:先獨立推導,然后小組交流.

實踐分析:在推導洛倫茲力大小的教學中,告知學生前測結(jié)果,學生建模良好的比例只占46%,即能畫出規(guī)范的導體模型.建模并推導電流微觀表達式已經(jīng)在電路這一章第一節(jié)學習過,但還有一半多學生不會建模,說明當時那節(jié)課內(nèi)化效果不佳.為了培養(yǎng)學生永久性掌握這種建模畫圖的能力,老師采用實物和畫圖的方法建模.學生對教師采用教室的勞動工具實物建模特別佩服,覺得老師思維創(chuàng)新,用心教學,很好地顯示了電荷定向移動穿過某一橫截面的動畫過程,易于學生求解電流微觀表達式.在畫圖進行物理模型建立過程中,與學生一起賦值,再一次強化學生的記憶,讓學生充分理解賦值的物理意義.

教學片段5.

教師:推導出洛倫茲力表達式后,教師就提出一些問題,進行質(zhì)疑創(chuàng)新,教給學生如何質(zhì)疑創(chuàng)新,也可以鼓勵學生提出質(zhì)疑,以下是在課堂教學中提出的三個質(zhì)疑創(chuàng)新問題.

① 磁場一定對電荷有力的作用嗎?

② 如果電荷的運動方向與磁場不垂直,其洛倫茲力表達式也是如此嗎?

③ 還有沒有其他的推導方式?

要求學生先獨立思考,并做解釋,然后在小組內(nèi)充分交流討論,組內(nèi)成員達成共識,隨機抽查一組上講臺匯報結(jié)果.

學生:思考、解釋和交流.

實踐分析:在進行質(zhì)疑創(chuàng)新,解釋交流教學時,學生對以上3個問題特別感興趣,討論的熱火朝天,面紅耳赤.在相互討論交流中學生們無意識的培養(yǎng)了質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng).大部分學生主動建模解決第②問,雖然獨立建模困難重重,但是學生下意識的在建模解決實際問題,說明學生具備了一定的科學建模能力.在匯報中,學生不僅能解釋是什么,還能解釋為什么.在某個學生解釋中也出現(xiàn)全班性的質(zhì)疑,如第①問,學生說“當電荷運動方向與磁場方向一致時就不受洛倫茲力的作用.”立刻就有大量學生異口同聲地說“方向相反時也沒有洛倫茲力”,還有的學生說“靜止電荷也不受洛倫茲力”,聽到學生這些質(zhì)疑特別高興.隨后,教師就可以歸納為“當電荷速度方向與磁場方向平行時或速度為0時就不受洛倫茲力的作用”.在匯報第②問時,全班學生給出3種不同的模型,如下圖11、12、13.

圖11

圖12

圖13

在匯報第③問時,學生給出了2種不同的推導方法.

方法1:設導線單位長度的電荷數(shù)為n,每個電荷的電荷量為q,電荷定向運動的平均速度為v,導體的橫截面積為S,t時間內(nèi)電荷定向移動的長度為L,則通過導線的電流I=Q/t=nLq/t,安培力F=ILB,洛倫茲力f=F/nL=qvB.

方法2:安培力F=ILB,L=vt,則F=IvtB,又因為Q=It,所以F=QvB,洛倫茲力f=F/N=QvB/N=qvB.

通過給學生機會,學生就創(chuàng)新出兩種不同思路的推導論證方案,有效激發(fā)全體學生創(chuàng)新的欲望.

學生在教師的引導下經(jīng)歷了條理清晰且邏輯嚴密的科學建模、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、交流解釋、驗證修正等一系列科學思維,既輕而易舉的理解了洛倫茲力的來龍去脈,也掌握了與洛倫茲力相關(guān)的一系列知識、方法,有效促成了學生的心智模型向科學模型過渡,形成關(guān)于洛倫茲力的科學概念,培養(yǎng)了學生的科學建模能力.

2.4 科學建模的應用

學以致用,知行合一.科學建模的應用是有效鞏固科學建模方法、培養(yǎng)科學建模能力的重要一環(huán).可以幫助學生發(fā)展遷移能力,利用建立的模型解釋新的情境,甚至在已有的模型基礎(chǔ)上進行延伸,再構(gòu)建一個新的模型.[3]極光是自然界特別優(yōu)美、特別神奇的一種自然現(xiàn)象,學生也特別感興趣,學生只覺得是一種地理問題,并不知道與物理知識有關(guān),更不會用物理知識解釋它.基于極光的科學本質(zhì)是磁場對電荷的洛倫茲力產(chǎn)生的,我們設計了以下教學過程,引導學生應用科學模型解釋自然現(xiàn)象,進一步理解與掌握所構(gòu)建的科學概念.

教學片段6.

教師:播放極光視頻,形成心智模型.播放事先準備好的極光視頻(2min),如圖14.播放完視頻后,馬上就提出問題“來自太陽和其他星體的宇宙射線含有大量的高能帶電粒子,幸好由于地磁場的存在而改變了這些帶電粒子的運動方向,使很多帶電粒子不能到達地面,避免了對地面生命的危害.如何利用洛倫茲力的知識解釋地球避免高能粒子輻射造成的太陽風暴災難?”

圖14 地磁場對高能射線的偏轉(zhuǎn)

學生:積極思考,初步形成心智模型.

教師:要解決這一問題,首先就應該構(gòu)建理想化模型,使我們的心智模型外顯.為了形象描述地磁場周圍磁感線特點,我們特意制做了一個地磁場的立體模具,如右圖15所示.請學生們畫出地磁場的平面模型.

學生:在本子上畫出地磁場的平面圖,如圖16所示.

圖15 地磁場磁感線模具

圖16 地磁場簡易平面圖

建好模型后就可以賦值,讓學生應用本節(jié)課所學核心知識解決實際問題.

教師:賦值,構(gòu)建數(shù)學模型,已知赤道上空某處由南指向北的磁感應強度約為B=5.0×10-5T,如果有一速度約為v=1.0×106m/s的質(zhì)子(電荷量q=1.6×10-19C)豎直向下穿過赤道上空的地磁場,求解以下問題.

(1) 該粒子受到的洛倫茲力約是多大?向哪個方向偏轉(zhuǎn)?

(2) 地球兩級處和赤道處相比,哪個區(qū)域地磁場對高能帶電粒子的阻擋效果會更好?請說明理由.

學生:獨立求解.

實踐分析:模型應用教學效果特別好,使整節(jié)課引向高潮.播放極光視頻的組的組長是一位性格特別內(nèi)向,不善于交際合作的一位男同學,也是我特意安排他帶領(lǐng)全組準備這一視頻的,目的是通過這一節(jié)課激發(fā)他的自信心.所有學生特別感興趣,視頻剪輯的特別科學,恰好能顯示出地磁場對射向地球的高能射線的偏轉(zhuǎn)情況,學生們邊看視頻邊在頭腦中形成一個心智模型.

為了了解學生心智模型外顯能力,我們進行了前測.前測顯示,學生喜歡用文字來描述地磁場周圍的磁場分布特點,約占全班人數(shù)的95%,只有5%的學生使用畫圖建模的形式來描繪地磁場.可見學生把心智模型外顯的習慣和能力較差.鑒于此,我們做了一個地球?qū)嵨锬Ｐ?并要求學生在紙上畫出圖形,顯示極光產(chǎn)生的物理科學模型.當教師展示給全班學生如圖15所示實物模型時,所有學生都很感興趣,極具好奇心,再一次崇拜教師到高潮.這一模具能有效培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)意識,即先把自然界實際的比較復雜的實物、事件等構(gòu)建成一個模具,能形象地展示在學生面前,這樣有助于促進學生對物理世界更好地理解、記憶和內(nèi)化,有效培養(yǎng)了學生的科學建模意識和能力.

平面物理模型建好后,就利用所賦的值構(gòu)建數(shù)學模型來解決科學問題,教師和全班學生一起求解第(1)問.學生下意識的就根據(jù)公式F=qvB求解出洛倫茲力是8.0×10-18N,而且大部分學生都自覺地伸出左手判定向東偏轉(zhuǎn),這說明學生已經(jīng)形成了關(guān)于洛倫茲力的物理觀念.第(2)問采用同桌配對討論法,讓學生相互討論,并隨機抽查一組匯報結(jié)果,其它組補充修正,幾乎不用老師講什么,學生都能利用洛倫茲力性質(zhì)判斷出來,赤道對高能帶電粒子的阻擋效果更好,也能合理解釋原因,赤道上空磁場對帶電粒子有洛倫茲力作用,使粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn),離開地球,而射向南北兩極的粒子速度方向與磁感線方向幾乎平行,阻擋作用很小.

經(jīng)過觀看極光視頻、提出問題、建立模型、賦值、推理論證等科學建模過程,學生就可以應用已經(jīng)建構(gòu)起來的洛倫茲力的科學模型解釋極光的科學本質(zhì),學生很有自豪感,成就感,有效培養(yǎng)了學生的科學建模能力、科學態(tài)度與責任等物理學科核心素養(yǎng).

3 總結(jié)

總的來說,以科學建模一系列理論為指導,借用洛倫茲力一節(jié)課,經(jīng)過精心設計,并在課堂中實踐,通過創(chuàng)設情境,學生觀察物理現(xiàn)象和實物,并基于物理事實形成洛倫茲力方向、大小和做功等的心智模型,通過構(gòu)建實物、立體和平面等模型,不斷討論與交流,表征表述心智模型,促成心智模型充分外顯,再進行科學推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、解釋交流等一系列模型驗證修正過程,使心智模型向科學模型過渡,形成了關(guān)于洛倫茲力的科學概念,利用構(gòu)建好的科學模型指導解釋自然現(xiàn)象極光的科學事實和本質(zhì),學生的科學建模能力就會逐漸培養(yǎng)和提升起來.