基于物理學科核心素養的高三習題設計和教學
——以考查點電荷電場的幾道高考試題為例

四川 李 剛

(作者單位：四川省攀枝花市第三高級中學校)

在高三階段，習題設計和習題教學對學生的重要作用毋庸置疑，且近幾年的高考試題對問題情境的創設頗具新意，體現了對核心素養中科學思維的多維度考查。為了培養學生物理學科核心素養，教師需要在習題設計中創設問題情境，適當提升知識和技能的復雜程度。在進行習題教學時應當利用思維導圖幫助學生樹立物理觀念，強化實際情境與物理模型的轉換，培養科學思維中的模型建構能力，重視一題多解，培養科學思維中的科學推理能力。

高考試題中常以兩個或多個等量點電荷為背景考查電場的疊加與電場的性質，近年來，此類試題的問題情境創設從平面情境過渡到了立體空間情境，試題著重考查學生物理觀念和科學思維的發展水平。現筆者基于近年來高考試題對物理學科核心素養的考查要求，對高三習題設計和習題教學的方法進行探索。

1 近三年全國卷考查點電荷電場的試題回顧

1.1 試題注重情境的創設

分析近三年考查點電荷電場的高考試題，不難發現試題均注重情境的創設。2019年全國卷Ⅲ第21題創設兩等量異種點電荷固定在正方體的兩個頂點上，比較另外兩個頂點的電場和電勢、判斷電荷從a點移到b點電勢能的變化的問題情境；2020年全國卷Ⅱ第20題創設等量異種電荷均勻分布在上下半圓的問題情境，考查點電荷電場強度的疊加、電勢大小的判斷。高考試題不僅考查知識本身，還注重在問題情境中考查學生運用基礎知識綜合解決實際問題的能力，這讓學生對試題感覺既熟悉又新穎。

1.2 試題注重核心素養的考查

高考試題注重考查學生物理觀念的發展水平。物理觀念包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素，這些要素在高考電場的試題中都可能涉及。2019年全國卷Ⅲ第21題和2020年全國卷Ⅱ第20題是對物理觀念的深入考查，學生不僅要知道電場是物質存在的一種形式，還要深入理解電場的性質，熟練掌握點電荷周圍電場強度的計算公式、矢量合成遵循的規律等。如果學生掌握了等量點電荷電場分布的對稱規律，就可以根據對稱性快速解答等量點電荷電場相關試題。顯然高考試題不僅要求學生具有物質觀念，更需要學生具有清晰的物質觀念。

高考試題注重考查學生科學思維的發展水平。科學思維包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素，近三年考查點電荷電場的高考試題注重創設相對復雜的情境，點電荷數量也增至兩個以上，電荷從簡單的對稱分布變化到了形狀規則物體上的均勻分布，學生需要通過抽象概括，提煉出問題的本質，將描述的問題情境轉化成物理情境，建構熟悉的物理模型。

1.3 高考真題分析

【例1】(2019·全國卷Ⅲ·21)如圖1所示，電荷量分別為q和-q(q>0)的點電荷固定在正方體的兩個頂點上，a、b是正方體的另外兩個頂點。則

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圖1

A.a點和b點的電勢相等

B.a點和b點的電場強度大小相等

C.a點和b點的電場強度方向相同

D.將負電荷從a點移到b點，電勢能增加

【試題分析】試題創設了電荷分布在正方體的兩個頂點的問題情境，考查點電荷電場強度的疊加、電勢及電勢能的判斷。在解答此題時，學生需要具有清晰的物質觀念，知道電場強度是矢量、電場強度的疊加遵循平行四邊形定則，知道兩個等量異種點電荷周圍電場強度、電勢分布情況，分析出a、b兩點的電場強度和電勢。學生還要具有清晰的能量觀念，用電場力做功判斷電勢能的變化情況。

腰椎間盤突出是臨床上一種較為常見的骨科疾病，該病主要因為突出部位壓迫或刺激人體的組織結構或神經，從而讓患者表現出腰背部疼痛、肢體麻木等癥狀，如果不得到及時有效的治療，甚至會因為壓迫患者神經引起患者行動能力喪失，嚴重影響到患者的生活質量[1]。磁共振成像與CT診斷是兩種診斷腰椎間盤突出的常用方式，本文主要探討二者在診斷腰椎間盤突出中顯現出來的應用價值。

【例2】(2020·全國卷Ⅱ·20)如圖2所示，豎直面內一絕緣圓環的上、下半圓分別均勻分布著等量異種電荷。a、b為圓環水平直徑上的兩個點，c、d為豎直直徑上的兩個點，它們與圓心的距離均相等。則

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圖2

A.a、b兩點的場強相等 B.a、b兩點的電勢相等

C.c、d兩點的場強相等 D.c、d兩點的電勢相等

【試題分析】試題創設了異種電荷均勻分布在上、下半圓的問題情境，考查點電荷電場強度的疊加、電勢大小的判斷，學生需要經過科學推理，運用微元法抽象、概括、構建熟悉的兩等量異種點電荷電場模型來分析各點的電場和電勢大小，旨在考查學生物理觀念中的“物質觀念”和科學思維中的“模型建構”“科學推理”等學科核心素養。

2 基于發展學生學科核心素養進行習題設計

在高三備考中，習題主要發揮以下功能：促進學生形成合理的知識結構，進一步發展學生核心素養，發揮學科的育人功能，幫助教師改進教學。從習題的功能上看，習題教學是一個復雜的體系，它大致包含習題設計、習題完成質量分析及評價、習題講評、習題再設計等要素，這些要素相互支撐、相互促進，構成了一個循環發展的體系。《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱“課標”)中的教學與評價建議指出：“要從培養物理學科核心素養的視角審視習題教學的目的，應通過習題教學，使學生在科學思維、探究能力、實踐意識、科學態度等方面得到有效提升。”由此可見，教師要基于對課標、高考試題及學生的研究，充分發揮習題在高三教學中的功能，進一步發展學生的學科核心素養，提高學生解決實際問題的能力。

2.1 適當提升知識和技能的復雜程度有利于促進學生核心素養的進一步發展

在設計、編制高三習題時，教師應避免只考查一個知識點和一項技能的試題，建議適當提升習題所考查的知識和技能的復雜程度，這有利于促進學生形成合理的知識結構，促進物理觀念的進一步發展。課標指出，物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等基本認識；是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。點電荷電場的習題可以考查物質觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念，如電場強度、電勢是電場的性質，屬于物質觀念；考查帶電粒子繞單個點電荷做圓周運動，或在兩個等量同種點電荷連線的中垂面上做圓周運動，或在點電荷的場中做直線運動等，這些都屬于運動與相互作用觀念；在各種運動中涉及做功與能量的變化，可以考查學生的能量觀念。這些考查視角將促進學生形成合理的知識結構，實現物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，促進學生物理觀念的進一步發展。

2.2 創設問題情境有利于促進學生核心素養的進一步發展

課標命題建議中指出，試題的情境還要具有一定的問題性、真實性、探究性和開放性。在問題情境的創設上，點電荷電場的習題可以考慮將點電荷固定于三角形、平行四邊形、正方形、正四面體和正方體的頂點上，也可固定于圓形、圓柱體和三棱柱上考查學生空間想象力，考查學生對問題的分析與推理能力，將問題情境中的對象轉換成熟悉的模型，從而解決問題。

2.3 習題示例

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圖3

A.除無窮遠處之外，菱形外部電場強度處處不為零

B.當y0取某值時，可使得菱形內部只存在兩個電場強度為零的點

C.當y0=8l時，將一帶負電的試探電荷由點(4l，5l)移至點(0，-3l)，靜電力做正功

D.當y0=4l時，將一帶負電的試探電荷放置在點(l，l)處，其所受到的靜電力方向與x軸正方向成45°傾斜向上

【試題分析】本題涉及的知識和技能的復雜程度較高，考查了點電荷電場強度的特點、電場的疊加、靜電力做功等知識，試題深入考查學生的物理觀念，有助于學生完善知識系統，進一步深入理解物理知識和物理規律，進一步發展物理觀念。試題創設了四個等量同種點電荷分布在菱形四個頂點的問題情境，對學生幾何知識和數學能力要求較高，要求學生經過科學推理，建構熟悉的物理模型，再根據對稱性以及平行四邊形定則綜合分析與判斷。抓住菱形外側各個點電荷所產生的電場強度均指向外側，結合電場強度的疊加規律，判斷菱形外部電場強度能否為零；根據電場強度的疊加得出O點電場強度為零，結合對稱性判斷菱形內部是否只有兩個電場強度為零的點；根據每個電荷對試探電荷的做功情況，判斷靜電力的做功情況；根據電場強度的疊加得出點(l，l)處的電場強度，從而得出試探電荷在該點所受的靜電力方向。

3 基于發展學生學科核心素養進行習題教學

3.1 利用思維導圖培養物理觀念

思維導圖是一種有效利用發散性思維的方法，它模擬人腦神經網絡放射結構，以視覺形象化圖示展現認知結構、外化大腦思維圖譜。思維導圖主要圍繞一個中心主題，由主題、節點、連線、文字、圖像和色彩等多種形式構成“樹狀”知識結構圖，直觀形象地表達人腦的思維特征。在物理教學中，思維導圖為物理問題的解決提供了有效的途徑。在點電荷電場習題教學中，教師可利用思維導圖促進學生“物理觀念”這一素養的進一步發展。課標指出，“學業質量水平4是用于高等院校招生錄取的學業水平等級性考試的命題依據”。“物理觀念”學科核心素養水平4的要求是“具有清晰的物理觀念，能從物理學的視角正確描述和解釋自然現象，能綜合應用物理知識解決實際問題，能指導工作和生活實踐”，學生如果能夠輕松熟練地畫出關于點電荷電場的思維導圖(如圖4所示)，說明學生具有了清晰的物理觀念，就能更容易綜合應用所學的物理知識解決實際問題。

圖4

3.2 強化實際情境與物理知識的轉換，培養科學思維能力

習題教學中，強化實際情境與物理知識的轉換是促進學生科學思維這一核心素養發展的重要方式。學業質量水平4涉及“科學思維”這一核心素養的要求是“能將實際問題中的對象和過程轉換成所學的物理模型；能對綜合性物理問題進行分析和推理，獲得結論并作出解釋”，學科核心素養水平4的要求與學業質量標準基本一致。2020年全國卷Ⅱ第20題創設了異種電荷均勻分布在上、下半圓的問題情境，考查點電荷電場強度的疊加、電勢大小的判斷，這樣的情境創設比較新穎，如果學生不能將實際情境轉換成物理知識、建構物理模型，則無法進行作答。在比較電場強度時，教師要引導學生進行以下推理，實現實際情境與物理知識的轉換(如圖5所示)。

圖5

通過以上科學推理、模型建構過程，學生科學思維的學科核心素養得到了進一步的發展。

3.3 重視一題多解，培養科學思維中的邏輯推理能力

2019年全國卷Ⅲ第21題創設了電荷分布在正方體的兩個頂點的問題情境，考查點電荷電場強度的疊加、電勢及電勢能的判斷，這樣的問題情境是學生所熟悉的，但對學生的空間想象能力、科學思維能力要求較高。學生如果不能通過科學推理，構建出熟悉的等量異種點電荷電場的平面模型，或對等量異種點電荷電場的對稱性理解不透徹，學生將很難解答此類問題。

課標學業質量水平4涉及“科學思維”這一核心素養提到：“能恰當使用證據證明物理結論；能對已有結論提出有依據的質疑，采用不同方式分析解決物理問題。”這要求教師要重視“一題多解”，進一步發展學生的科學思維能力。課標又提到：“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，是發展科學思維的重要途徑。”如關于兩等量異種點電荷連線的中點對稱的兩點的電場強度相等特點的分析，教師要引導學生通過科學推理得到其特點(如圖6、圖7所示)。

圖6

圖7

如果學生明確其特點，就可以運用矢量合成、電場分布對稱性、電場線分布等方法比較出2019年全國卷Ⅲ第21題中a、b兩點的電場強度，同時這也進一步培養了學生物理觀念這一核心素養，提高了學生綜合應用所學的物理知識解決實際問題的能力。

4 結語

高中物理教學中，要充分發揮習題教學的育人功能，在習題教學中要切實落實立德樹人的根本任務，提升學生物理學科核心素養，為學生的終身發展奠定堅實基礎。