從一個試題引發的對學生物理核心素養的培養的思考

陸奕斌

摘 要：習題課是高中物理教學的重要組成部分，也是提升學生物理核心素養的重要平臺。新課標在課程目標中要求注重培養學生建構模型的意識和能力。建構模型是一種重要的科學思維方式，教師引導學生經歷物理概念的建構過程和物理規律的形成過程，是發展科學思維、促進核心素養發展的重要途徑。教師在習題課的設計上，應圍繞模型去展開講解，培養學生運用模型以及模型的變遷去解決問題的能力。

關鍵詞：新課程標準;培養學生的核心素養及能力;物理模型的變遷

普通高中新的物理課程標準自2017年頒布至今，已經有近三個年頭了，對新課標的學習以及在教學活動過程中的貫徹實施，逐步也走向深化。普通高中物理課程標準的基本理念凝練為五條，其中第一條提到：注重體現物理學科本質，培養學生物理學科的核心素養。

筆者認為，基于培養學生物理學科的核心素養目標，在平日的教學工作中，對教師的教學工作，特別是備課提出了更高的要求。筆者從蘇州高二期末調研考試的一個試題的講解，展開了此文。題目如下：

如圖所示，在x軸上方存在垂直xOy平面向外的勻強磁場，坐標原點O處有一粒子源，可向x軸和x軸上方的各個方向不斷地發射速度大小均為v、質量為m、帶電量為+q的同種帶電粒子。在x軸上距離原點xo處垂直于x軸放置一個長度為xo、厚度不計、能接收帶電粒子的薄金屬板P（粒子一旦打在金屬板P上，其速度立即變為0）.現觀察到沿x軸負方向射出的粒子恰好打在薄金屬板的上端，且速度方向與y軸平行。不計帶電粒子的重力和粒子間相互作用力。

（1）求磁感應強度B的大小;

（2）求被薄金屬板接收的粒子中運動的最長與最短時間的差值;

（3）若在y軸上放置一擋板，使薄金屬板右側不能接收到帶電粒子，試確定擋板向右移動的最小距離。

一、模型變遷，培養學生能力

新課標在課程目標第二條中提到：要培養學生具有建構模型的意識和能力。高中物理教材中各章節的內容都是以物理模型為載體展開，向學生介紹物理知識和概念。它是學生獲得物理知識的一種最基本的方法，而物理的解題，也是由基本模型進行了各種改良、優化、提升而來，從近幾年的江蘇高考試卷，壓軸題，仔細一品均為由基本模型演變而來，例如2016年的江蘇卷壓軸題，就是一個由平時學習中常見且難度不大的回旋加速器演變而來。雖源于基本模型，但高于基本模型。這就對學生基本模型的理解掌握，以及模型的演變遷移能力提出了非常高的要求。許多學生覺得物理難，即使上課能聽懂，課后做題還是一頭霧水，無從下手。這種現象的主要原因其實就是在解題過程中，建立模型、運用模型的能力差。而從學生發展角度講，建模思想作為一種科學思維方式，它能夠幫助學生從定性和定量兩個方面對相關問題進行科學推理、找出規律、得出最后的結論，即解決問題。

新課標的實施建議中也提到：發展學生的科學思維能力是重要的教學目標之一。建構模型是一種重要的科學思維方式，像質點、點電荷、勻強電場等物理概念和勻變速直線運動等物理過程都是物理模型。教師在教學中要讓學生體會建構這些物理模型的思維方法，在引入物理模型的過程中，理解和掌握其適用條件，能運用物理模型來研究處理實際問題。在課堂教學中，教師引導學生經歷物理概念的建構過程和物理規律的形成過程，是發展科學思維、促進核心素養發展的重要途徑。

教師在講解本題時，要從平時所講模型入手，旨在培養學生的模型轉變能力。如第二問最長與最短時間的差值，首先要搞定最長時間和最短時間，這就用到了我們平時所講的帶電粒子在磁場中運動的最長最短模型。運動時間的長短除了從轉過的圓心角考量外，對于周期相同、速率相同（即運動半徑相同）的帶電粒子，還可以從通過的弧長（弦長）去考慮，分兩種情況：

1、在轉過圓心角小于180°時，弧長越短（弦長越短），用時越少。

2、在轉過的圓心角大于180°而又小于360°時，通過的弧長越長（弦長越短）用時越長。

在入射點一定，找到其到擋板的最短距離，大部分學生都能找到出射點為擋板下端，對應的軌跡圓也就能畫出了（如圖）。相應的最短時間和最長時間求出，第二問就迎刃而解了。

打在P下端的粒子在磁場中運動的時間最短，打在P右側下端的粒子在磁場中偏轉的角度是300°，設運動的時間是t1，由于運動的半徑與O到P的距離都是x0，所以打在P下端的粒子在磁場中偏轉的角度是60°，設運動的時間是t2，則：

可以看到，看似復雜的問題，其本質就是我們平時用到的基本模型，因此在平時的教學中，教師應更加注重培養學生模型的遷移轉變能力，而不是就題論題，這樣，讓學生在做題的過程中，學會總結歸納，也對應了新課標要求的：注重過程評價，促進學生核心素養的發展。培養進行交流、評估、反思的能力。

二、深挖推敲，提升學生能力

新課標課程目標中第三條提到：要使學生具備科學探究意識，能在觀察和實驗中發現問題、提出合理猜想與假設;學生在平時的課堂及做題的過程中肯定會遇到一些困惑，比如在教學中，某些問題由于學生的知識的有限、時間的客觀限制、甚至是有些老師都存在困惑，導致無法向學生徹底呈現，這時，學生的好奇心與求知欲就激發出來，對于困惑會提出自己的質疑，發表自己的觀點和見解，激發了學生的探究精神和實事求是的精神，不迷信權威，有助于學生形成獨立的人格。

當我們在進行第三問的求解，首先要求學生掌握動態圓模型中：速率相同，入射方向不同的動態圓模型的畫法及特點。從圖中不難找到，如圖所示的軌跡是所要平移的最小距離。結合相關圓的幾何知識，求得此時平板距y軸為X0，則平板需向右移動（-1）X0。但是學生會對此產生困惑和質疑，此情形中當粒子剛好經過P板上端時，也剛好經過P板下端，這是一種巧合嗎？為什么這種情況能確定其為題目所求的臨界情況？沒有比它更小的情況嗎？

對此我們可以做如下證明：連接OM，MN，ON，P板長為X0，OM長為軌跡圓直徑2X0，三角形OMN為直角三角形，而以直徑為斜邊的直角三角形，N點必定在圓上，即軌跡圓為△OMN的外接圓，由此可知，只要是能過M點的帶電粒子，其軌跡也必定過N點，滿足了打不到P板右側，這不是巧合，是必然！這樣，學生的困惑也就得到解決了，而且也激發了學生的興趣和探究精神。

本題運用到了數學中的圓的相關知識，數學作為一門基礎學科，為物理提供了很多解決問題的工具。要想學好物理，不僅僅局限于物理知識的學習，很多物理問題的理解與解決，會用到相關其他學科的知識作為背景和鋪墊。例如在講解靜電場中等差等勢線的時候，教師可以引入地理學科的等溫線、等高線、等壓線做類比。學生立馬就能明白：要讓等勢線有更多的實用意義，反映跟多的信息，應該要引入等差等勢線。地理的等高線越密集，表示該處的海拔變化劇烈，通俗點理解就是該出的坡度較大。那么等差等勢線越密集處，對應的電勢變化就大，空間上相同距離上電勢變化大的，則電場強度大。這樣一來學生自己就可以總結出：等差等勢面越密集則沿垂直于等勢線方向電勢降落的越快，結合E=U/d，可知電場強度E越大;反之，電場強度E越大的地方，電勢變化的越快，等差等勢面也就越密集。

習題課是高中物理教學的重要組成部分，也是提升學生物理核心素養的重要平臺，教師在習題課的教學設計上，要圍繞培養和提升學生物理核心素養這一目標，首先例題要精挑細選，要有針對性，即要針對教學目標、針對知識點、也要針對學生的實際學習狀況及學習能力。還要有代表性，例題要精，要有豐富的內涵，能夠給學生帶來思考和啟發;既要考量學習結果，又要注重學習效率。

在習題課教學的方法，要重視挖掘問題，分析問題，引導學生思考解答技巧及方法，對于學有余力的學生，還要嘗試轉換思路，多角度考慮問題，強化等效與化歸思想，一題多解，培養學生的發散性思維;多題歸一，在對題目的反思中不斷的積累方法，總結經驗。通過對各種問題的解答過程進行分析，使思維重組并煥然一新，變則通、通則會，使習題課的學習更加有趣、更加生動。

總之，高中物理習題教學在培養學生核心素養上的作用并不亞于新課教學，這要求我們老師在習題課的備課過程中要緊扣新課標的精神與要求，圍繞培養學生的核心素養這一目標，去設計一堂精彩的習題課。