優化物理作業設計 提升學生核心素養
——高中物理可視化作業的設計與實施

范 毅

(江蘇省無錫市堰橋高級中學，江蘇 無錫 214174)

物理作業是物理課堂教學的延伸,是物理學習的重要載體,也是檢驗教學效果的重要手段。通過作業,學生進一步鞏固所學的知識和方法,教師可準確地了解學生的學習情況,及時調整教學方式,更好地進行學習引導。

傳統的物理作業更多地注重結果,呈現的是學生思考后的最終結果,不能有效反映學生的思維過程和內隱素養,不利于教師教學的優化和改進，為了更好地發揮物理作業的教學功能，筆者嘗試可視化作業的設計與實施，取得了較好的成效。可視化作業形式多樣,可以是完成精心設計的題組,也可以是繪制章節知識思維導圖、寫一篇物理學習筆記,還可以是一場精彩的物理辯論。通過解題、設計、寫作和交流等可視化作業,學生用語言、圖像和文字的形式將其原本看不見的思考路徑、思維過程呈現出來,實現思維的可視化。通過可視化作業，學生內隱的思維得到外顯,變得有跡可循,以此促進教師教學的優化,進而推動學生思維的發展,這一點也是核心素養背景下物理教學最關鍵的價值追求。可視化作業大致分成解題、總結、操作、口述和寫作五種類型。

1 解題類作業

解題類作業在教學中最常見,題目多數來源于教材、教輔或題庫，這類作業能快速給出課堂教學反饋,前提是作業題目要契合課堂教學,適合學生,所以解題類作業應該由教師依據教學的重難點及班級學生的具體情況,遵循目的性、針對性、層次性、多樣化的原則自主編排,學生在一定范圍內自主選擇。

例如動能定理的應用的作業題：

(1) 質量為24 kg的滑塊,以4 m/s的初速度在光滑水平面向左滑行,從某一時刻起在滑塊上作用一向右的水平力,經過一段時間,滑塊的速度方向變為向右,大小為4 m/s。則在這段時間內水平力做的功為。

(2) 一質量為1 kg的物體被人用手由靜止向上提高1 m,這時物體的速度是2 m/s，下列說法中正確的是( )。

A. 手對物體做功10 J

B. 合外力對物體做功12 J

C. 合外力對物體做功2 J

D. 物體克服重力做功2 J

(3) 一物塊由靜止開始從粗糙斜面上的某點加速下滑到另一點,在此過程中重力對物塊做的功等于( )。

A. 物塊動能的增加量

B. 物塊重力勢能的減少量與物塊克服摩擦力做的功之和

C. 物塊重力勢能減少量和物塊動能的增加量以及物塊克服摩擦力做的功之和

D. 物塊動能的增加量與物塊克服摩擦力做的功之和

(4) 質量為m的小球,用長為L的輕繩懸掛于O點。小球在水平拉力F作用下,從平衡位置P點緩慢地移動到Q點,細線偏離豎直方向的角度為θ(圖1)，則拉力F做的功是( )。

A.mgLcosθB.mgL(1-cosθ)

C.FLcosθD.FL

圖1

圖2

(5) 如圖2所示,物體從高為h的斜面體的頂端A由靜止開始滑下,滑到水平面上的B點靜止,A到B的水平距離為s，斜面體和水平面都由同種材料制成,求物體與接觸面間的動摩擦因數。

首先,以上作業設計遵循了由淺入深、由易到難、循序漸進的原則,進行了階梯化的設置；其次,題目形式有填空、選擇和計算,形式比較多樣,而且每個題目的設置都有明確的目的。第(1)題考查學生對動能定理的理解、對合力的判斷；第(2)題進一步考查物體受到的每個力及合力做的功,既考查了恒力做功公式，又考查了動能定理的運用；第(3)題是從能量角度去理解動能定理,考查了學生受力分析和做功分析；第(4)題考查了變力做功的情況和動態平衡的處理方法,不能運用恒力做功公式，讓學生認識到運用動能定理的便捷之處,體驗柳暗花明又一村的喜悅；第(5)題以計算題的形式出現,便于教師了解學生的理解能力和思維方式，考查了學生用數學方法解決物理問題的能力。

通過這樣的解題方式,使學生的思維過程可視化,教師能清楚地看到學生的思維過程,準確地定位學生的思維層次,有利于教師對學生進行精準的個性化指導,也有利于教師編排更合適的作業。

2 總結類作業

高中的物理學習內容難度大、知識覆蓋面廣、數學能力要求高，課后的歸納總結對提高學習效率是非常重要和必要的。經過一個單元或一個階段的學習后,教師可布置總結類物理作業,以此提升學生的科學思維能力，總結類作業一般有繪制思維導圖和編制試卷兩種形式。

學生繪制的思維導圖應該包含知識內容和思想方法,教師通過思維導圖可以很直觀地看出學生的思維方向、思考方式、知識結構和存在的問題。例如布置學生制作萬有引力與航天的章節思維導圖(圖3)，從繪圖方式看,有的學生用框架連線形式,還有的學生用樹形繪圖形式,不同的制作方式體現的是不同的概括總結能力。從分類標準看,有的學生按規律發現的時間順序,有的學生按從一般天體到特殊天體的順序,還有的學生按從宏觀到微觀、從低速到高速的順序,也有的學生分不清楚、出現重復或遺漏現象,從中可看到學生參差不齊的抽象概括能力。另外,思維導圖作業可以在全班交流,在與同學的交流和教師的指導下,對思維導圖可以不斷地進行修改，逐步完善的思維導圖可將學生的思維更清晰完整地外顯出來,便于教師指導學生更好地利用思維導圖構建知識網絡,啟發思維。

另一種總結類作業的實施方式是布置學生編制試題進行階段小結。自編題能折射出學生的思維品質，因為編制一道試題學生要先考慮試題考查的知識點和思想方法,然后設置合理的背景,最后還需配置數據,在這個倒推構思的設計過程中,學生需要領會考查意圖,明確考查內容,甄選考查方法。學生所編的試題,即使是錯題,從試題立意、條件闡述、數據選取以及文字的組織,都在向教師展示出題者的物理能力和思維品質。

通過總結類可視化作業,教師可以洞悉學生的概括能力、重難點的判斷是否準確、還有哪些方面存在遺漏,可指導學生對比易混淆的概念,將分散的知識點連成線、結成網,使學到的知識系統化、結構化,達到聯想暢通、思維活躍的效果。

3 操作類作業

操作類作業的設計目的是讓學生親身經歷知識的發生、過程,運用物理知識和方法解決問題。讓學生親自動手實踐,特別是對于比較抽象的、難以理解的內容，由于學生的直觀想象能力不夠,再加上數學教學的不同步，增大了他們學習的困難，布置操作類作業,讓學生通過實驗操作,一來可以化抽象為直觀，培養學生的動手能力，二來教師在學生的操作實踐中可以觀察、了解學生的思維路徑、方向和狀態,及時調整教學,更好地培養學生的科學思維能力。

在探究加速度與力和質量關系時,由于學生還沒有學牛頓第二定律,他們不能理解為什么繩中拉力不等于桶和桶中鉤碼所受的重力。這時,如果能在完成常規的實驗內容之后,教師再要求學生在小車和細繩之間加一個力傳感器,直接測量細繩中的拉力大小,在動手操作的過程中,學生腦中的抽象內容得到具體化,可以清楚地看到繩中拉力與桶和桶中鉤碼所受的重力之間的關系，發現兩者確實是不相等的,不僅降低了學習難度，也為學習誤差分析及牛頓第二定律做好了鋪墊。

4 口述類作業

語言是思維的外化,是教師了解學生思維水平、方向和動態的載體。除了書面作業外，也可設計一些口頭作業,給學生創造表達的機會,讓學生能自主、自由、充分地表達自己,并在對話、質疑和答辯的過程中發展和提升思維能力。

在講完平拋運動后,為檢驗學生的學習效果,筆者布置了開放性作業:你能用哪些方法計算平拋運動物體在空中運動的時間?有學生利用拋出點到落地點之間高度差，有學生利用平拋運動射程和初速度，有學生利用從斜面上拋出又落回到斜面上的特例(圖4)，還有學生利用小球垂直落在斜面上的特殊情境(圖5)。

圖4

圖5

透過不同學生的語言表達,不難看到每人的表達背后隱含的思維水平和誤區,教師若能順利探到學生的思維軌跡,從而引導學生展開深入的思考,那么學生的思維能力就可能得到有效的提升。口述類的可視化作業既給了學生展現思維的機會,也給了教師“看見”學生思維的機會,更給了教師引導學生思維的機會。教師通過組織學生交流口述類作業,指導學生在溝通、對比中尋找最好的表達方式,引領學生的思維由零散走向結構、由膚淺走向深刻。

5 寫作類作業

物理寫作是學生將思考和體驗的過程顯性化的一種方式,物理寫作的內容可以是學習感悟、習題賞析,也可以是物理學史或物理方法應用。物理寫作的形式可以用通俗的文字,也可以用直觀的圖像。

在帶領學生體驗了勻變速直線運動位移與時間關系公式推導后,教師可指導學生撰寫、習題賞析或體驗感悟的文章，學生可闡述解決物理問題的過程,包括審題建模、方法選擇、剖析錯誤、優化算法、圖像分析等,也可分析評估此次探究活動,表達自己的看法和感受。在作業評閱時,教師從學生的文章中可以看到學生對知識的理解程度、對解題策略和思想方法的掌握水平以及學生存在的困難，只有全面準確地了解學生的學習水平,教師才可能及時地調整、改進教學,提升學生的能力。

通過寫作類可視化作業,使學生的思考和體驗過程具象化,思維可見可觸。教師能看到學生思維中的優缺點,指導學生重新審視自己的思維。在這個過程中,使學生的探究分析、抽象概括、反思拓展的能力得到鍛煉與提升,這也是發展學生物理學科核心素養的一條有效途徑。

6 結語

可視化作業,既能幫助教師看到學生隱藏在作業背后的思維,也能幫助學生看透物理問題的本質,使物理作業在物理教學中為發展學生的物理學科核心素養更好地發揮作用。