基于核心素養(yǎng)的高中物理單元習題設(shè)計

黃建安

（羅源第一中學，福建 福州 350600）

物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個方面［1］，四者相互依存共同組成一個有機整體。基于“核心素養(yǎng)”的物理單元習題是物理課程的一部分，設(shè)計目標是突出習題輔助“學”功能，追求在此過程中培養(yǎng)學生優(yōu)秀的個人品格與解決實際問題的能力，淡化習題“測”的功能。學生通過完成單元習題對單元知識進一步的梳理，實現(xiàn)內(nèi)容的體系化，形成正確的價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。筆者以電磁感應(yīng)定律、楞次定律大單元知識為例，對此單元核心知識“電磁感應(yīng)條件與應(yīng)用”強化知識體系構(gòu)建立過程中如何提升學生物理核心素養(yǎng)進行探討。

一、基于實際物理情境培養(yǎng)物理觀念

物理觀念是關(guān)于物質(zhì)能量運動等客觀存在的基本認知，在高中物理課堂教學過程中，涉及各種概念和理論，這些內(nèi)容有的非常抽象，學生難以理解。筆者在調(diào)查學生物理解題過程中遇到主要困難的問卷內(nèi)容與結(jié)果（見表1）。

表1 學生物理解題過程中遇到主要困難（有效填寫801人次）

從表1 數(shù)據(jù)可知除了審題情況與數(shù)學能力外學生主要問題集中在對物理知識的掌握與物理情景的建立上。實際上，物理規(guī)律是在大量感性認知的基礎(chǔ)上形成的，因此離不開實際的物理情境。在設(shè)計單元習題時，可以將抽象的物理概念和規(guī)律融入實際問題情境中。這不但可以為學生認知提供鮮活的背景，而且可以成為連接知識和實踐的紐帶，實現(xiàn)“學”為主的設(shè)計理念，強化物理觀念的培養(yǎng)。如例1 在設(shè)計構(gòu)建電磁感應(yīng)核心知識體系的習題中，設(shè)計電磁感應(yīng)與生活緊密聯(lián)系的情境培養(yǎng)學生物理觀念：

［例1］隨著科技的不斷發(fā)展，無線充電已經(jīng)進入人們的生活。某品牌手機的無線充電原理如圖1 所示，關(guān)于無線充電，下列說法正確的是（ ）。

圖1

A.充電底座中的發(fā)射線圈將磁場能轉(zhuǎn)化為電能

B.充電底座可以直接使用直流電源實現(xiàn)對手機的無線充電

C.通過接收線圈中的磁通量變化率增大

D.充電時接收線圈利用電磁感應(yīng)原理獲取電能，充電過程能量守恒

［設(shè)計意圖］基于實際的物理情境將無線充電與電磁感應(yīng)知識點相聯(lián)系，直接將抽象的物理知識規(guī)律轉(zhuǎn)化為具體的應(yīng)用情景。在激發(fā)學生興趣的同時引發(fā)更深入和廣泛的思考：沒接觸為什么可以充電？原理是什么？本質(zhì)是什么？學生潛意識里帶著這三個層層遞進的問題分析答案。習題知識點設(shè)計上，選項A 突出基礎(chǔ)知識理解及研究對象的選擇；選項B 引導學生回顧磁生電原理，強化電磁感應(yīng)中對磁通變“變化”理解；選項C 進一步引導學生細化磁生電條件的學習，組建核心知識小體系；選項D 將單元知識體系升華至普遍規(guī)律的應(yīng)用，從能量角度強化學生物理觀念。通過四個問題選項的合理設(shè)置將電磁感應(yīng)的相關(guān)知識點從生活應(yīng)用中提取出來，完成電磁感應(yīng)條件、場能關(guān)系相互關(guān)聯(lián)的知識體系的構(gòu)建，促使學生能量、相互作用等物理觀念的形成。

二、基于基礎(chǔ)分層培養(yǎng)物理科學思維

新課程標準要求學生具有物理科學思維能力，能從客觀現(xiàn)象出發(fā)建立物理模型，通過分析綜合、推理論證等方法挖掘事物本質(zhì)；能對不同觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑與批判來進行檢驗和修正，從而進一步提出創(chuàng)造性見解的能力與品格。［2］筆者對學生希望教師設(shè)計什么樣單元習題的問卷調(diào)查結(jié)果如下（見表2）。

表2 希望教師設(shè)計什么樣單元習題（有效填寫801 人次）

由表2 中數(shù)據(jù)可知，69.79%的學生對鍛煉科學思維能力習題感興趣，這對教師順利開展培養(yǎng)學生物理科學思維能力訓練提供了良好的先提條件。從選項A、C 結(jié)果分析多數(shù)學生希望習題具有基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性及層次性。因此，在設(shè)計單元習題時可以面向基礎(chǔ)知識設(shè)計易于建模并能引發(fā)進一步思考的分層習題。學生在由淺入深的思考中達到對知識的深層理解形成知識體系。在體驗成功、培養(yǎng)信心的基礎(chǔ)上再分層階梯式提升，實現(xiàn)科學思維的訓練。如例2 在設(shè)計電磁感應(yīng)與動力學綜合應(yīng)用的作業(yè)中，呈現(xiàn)運動狀態(tài)與思維狀態(tài)都從簡單到復雜過程，層次分明。

［例2］如圖2 所示，勻強磁場上方有一閉合導體矩形線框，從靜止開始釋放，下邊與上邊分別在t1、t2時刻平行磁場水平邊界線OO′進入磁場。磁場方向垂直線框平面，線框豎直下落且不變形。（磁場范圍足夠大，空氣阻力忽略不計），若可從不同高度釋放線框則其圖象可能正確的是（ ）。

圖2

［設(shè)計意圖］本題入題基于簡單受力與運動模型，學生容易將其運動分為三個過程。第一過程線框ab邊進入磁場前只受重力，根據(jù)力與運動關(guān)系學生可直接建立線框做初速度為零的勻變速直線運動模型，讓全體同學都“學有所獲”；第三過程線框cd 邊進入磁場后又是只受重力作用做勻變速直線運動。中等基礎(chǔ)同學經(jīng)過簡單分析、對比易發(fā)現(xiàn)一、三這兩個過程受力情況相同加速度相同即圖線斜率相同。學生通過這一訓練，從模型的建立到過程的選擇逐漸提升到總結(jié)解題規(guī)范，提煉方法，梳理已學知識點之間的內(nèi)在關(guān)系，實現(xiàn)本章內(nèi)容與動力學的融合。第二過程是本題的“難”點，但是方法與另兩過程本質(zhì)一樣，對于程度較好的學生可以發(fā)現(xiàn)安培力與重力大小關(guān)系未定，具體運動模型無法建立，必須進行分類討論進行突破。根據(jù)學生不同認知水平，以“人為本”層層遞進的設(shè)計在知識體系化過程中提煉方法，全體同學都能“獲有所求”，在追求更高目標過程中實現(xiàn)培養(yǎng)學生物理科學思維。

三、基于實驗培養(yǎng)物理科學探究能力

科學探究指的是一種能力，用于對觀察和實驗現(xiàn)象提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計實驗與制定方案，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對科學探究的過程和結(jié)果進行交流、評估、反思。［3］筆者在研究學生對高中物理學科評價的問卷調(diào)查內(nèi)容與結(jié)果（見表3）。

表3 你對高中物理學科的評價（有效填寫801 人次）

由表3 中數(shù)據(jù)可知超91%的學生認為物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，超67%學生認為物理可以培養(yǎng)科學探究能力。基于物理實驗培養(yǎng)學生的科學探究能力可以實現(xiàn)物理學科學習規(guī)律與學生對本學科認知的統(tǒng)一。實驗目標與原理是整個探究過程的終點與起點，單元習題試題的命制應(yīng)以實驗目標為驅(qū)動，實驗原理“護航”，力求再現(xiàn)完整的科學探究過程，在解決實際問題的學習中提升科學探究水平。如為進一步細化學生對電磁感應(yīng)定律的學習理解，將相關(guān)知識構(gòu)建“點－面－點”的知識體系，提升學生科學探究能力。設(shè)計如例3：

［例3］為探究感應(yīng)電動勢影響因素，提供如下器材：電源，導線，開關(guān)，電流計，滑動變阻器，螺線管（線圈匝數(shù)可變），條形磁鐵，請根據(jù)提供器材結(jié)合本單元知識回答：

1.如何探究影響感應(yīng)電動勢是磁通量變化率還是磁通量變化量（請?zhí)峁┰O(shè)計方案）。

2.探究線圈匝數(shù)對感應(yīng)電動勢影響時如果：

（1）其他條件不變只順原繞線方向增加小線圈匝數(shù)將觀察何現(xiàn)象

（2）其他條件不變只逆原繞線方向增加小線圈匝數(shù)將觀察何現(xiàn)象請解釋原因。

［設(shè)計意圖］教學實踐中發(fā)現(xiàn)大量學生對于法拉第電磁感應(yīng)定律的理解更多地停留在結(jié)論應(yīng)用上，對于磁通量的變化率，尤其是磁通量只有大小但有正負的理解比較模糊。該實驗習題：第一小題以目標為驅(qū)動，立足課本知識，學生利用控制變量法結(jié)合所學單元基礎(chǔ)知識即可設(shè)計實驗。習題設(shè)計上突出通易錯點，加深認識感應(yīng)電動勢影響因素，將單元知識自主設(shè)計組合，形成完整知識體系，從而促進從現(xiàn)象、形式到本質(zhì)的提升理解。第二小題問題（1）立足于基礎(chǔ)理解感應(yīng)電動勢與匝數(shù)關(guān)系進一步強化基礎(chǔ)知識的常規(guī)理解；問題（2）對傳統(tǒng)實驗進行創(chuàng)新與提升，實現(xiàn)結(jié)果是匝數(shù)越多感應(yīng)電動勢越小。在貌似矛盾中實現(xiàn)對電磁感應(yīng)定律中磁通量的“精細化”理解，從而巧妙地突破知識的難點。此實驗習題設(shè)計突出了習題“學”功能的“階梯”作用，以問題為導向逐步引導學生進行更深層次的探究，實現(xiàn)了物理學科探究能力的提升。

四、基于德育與物理知識融合培養(yǎng)科學態(tài)度與責任

《高中物理課程標準（2017 年版）》中對課程性質(zhì)的表述中將落實立德樹人的根本任務(wù)放在首位。筆者調(diào)查教師在習題設(shè)計中有何偏向的問題中內(nèi)容與結(jié)果（見表4）。

表4 教師在習題設(shè)計中有何偏向（有效填寫801 人次）

從數(shù)據(jù)上看目前物理教師設(shè)計習題過于偏向物理的知識性與物理解題方法指導上對結(jié)合生產(chǎn)實踐體現(xiàn)現(xiàn)實價值與德育融合的要求偏低，說明部分教師對物理學科的價值取向進行了狹隘地理解。作為高中物理教師有義務(wù)與責任對我們的教學進行反思，呈現(xiàn)物理習題教學的多樣性與教育目標全面性。學生完成作業(yè)的過程既是二次學習完善知識網(wǎng)絡(luò)的思維過程，也是科學態(tài)度、價值觀形成過程。在習題設(shè)計時，要根據(jù)物理學科的特點，結(jié)合單元知識深入挖掘德育因素從情景、問題設(shè)計、課堂評價等各環(huán)節(jié)捕捉契機，將德育與物理知識融合，促進學生全面發(fā)展。為實現(xiàn)德育與物理知識融合，筆者進行習題情景設(shè)計，如例4：

［例4］我國未來航母將實現(xiàn)以常規(guī)動力而能用電磁彈射器的創(chuàng)舉，性能將完勝美軍現(xiàn)役的福特級航母。其工作原理如圖4 所示，利用與飛機前輪連接的通電導體在兩平行金屬導軌的強電流產(chǎn)生的磁場中受安培力作用下加速獲得動能。設(shè)飛機質(zhì)量為m=1.8×104kg，起飛速度為v=70m/s，在沒有電磁彈射器的情況下，飛機從靜止開始起飛距離為L=210m；起飛過程所受平均阻力為機重的0.2 倍，在電磁彈射器與飛機發(fā)動機（牽引力不變）同時工作的情況下，起飛距離減為70m。強迫儲能裝置提供瞬發(fā)能量，利用電容器（電容量C極大）儲存電能，如圖5 是電容器的帶電量q與極板間電壓U的關(guān)系曲線，假設(shè)電容器釋放全部電能等于安培力做的功，W電=CU2/2 取g=10m/s2，求：

圖4

圖5

（1）飛機所受牽引力F 的大小。

（2）安培力對飛機所做的功W 大小。

（3）電源對電容器充電電壓U 約為多少伏。

［設(shè)計意圖］習題的情景引入是以國人引以為豪的國產(chǎn)航母為背景，學生在審題中民族自豪感油然而生。問題設(shè)計上：層層遞進方式設(shè)置階梯實現(xiàn)力、運動、能量知識的深度綜合，將單元知識融入已學知識中，進一步完善動力學與能量知識體系。習題情景與問題設(shè)計同時為德育與物理知識的融合提供良好的素材。教學中對比美軍現(xiàn)役的福特級航母介紹我國新航母技術(shù)優(yōu)勢及高效節(jié)能特點融入綠色環(huán)保理念，號召學生學習我國工程師不畏艱難，攻克難關(guān)的精神。潤物細無聲的，實現(xiàn)德育與物理知識的融合，增強全體師生實現(xiàn)強國夢的信心。

總之，基于核心素養(yǎng)的高中物理單元習題設(shè)計是高中物理課堂教學設(shè)計的延伸。高中物理教師必須基于培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)為目標，以學生的現(xiàn)有認知與未來發(fā)展為本。在構(gòu)建知識體系與能力培養(yǎng)上，立足雙基，優(yōu)化呈現(xiàn)方式，通過分層理解應(yīng)用實現(xiàn)能力的升華；在立德樹人上，基于德育與物理知識融合，落實社會主義核心價值要求，追求價值為導向、學科知識教育和能力培養(yǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的單元習題設(shè)計模式。