基于核心素養的高中物理復習課延展進路探索

徐衛華

（南通市教育科學研究院，江蘇 南通 226001）

高中物理復習課設置問題的情境應充分考慮延展特性，規劃問題解決的延展進路，促進學生深度理解、整合物理概念，發展高階思維，實現高中物理復習課進階升華的目標.本文結合幾個課堂教學片段談談高中物理復習課延展進路設計的思考.

1 “遞進式”延展，形成正確物理觀念

基于高中學生思維特點和水平層級，物理復習課架構可以采用遞進的方式，通過問題情景的不斷變化和延展，引導學生拾級而上窺得概念或規律的全貌，在持續的、遞進的問題解決中深度理解物理知識的本質，促進正確物理觀念的形成.

案例1：“磁場的疊加”復習.

例1.紙面內有3根通有電流大小均為I的長直絕緣導線，搭成等邊三角形放置，電流方向如圖1所示.紙面內有3個點a、b和c分別位于該三角形3個頂角的平分線上，且各自到相應頂點距離相同.試通過分析比較a、b和c處的磁感應強度的大小，說明a、b和c處的磁感應強度的方向.

圖1

延展1：a、b、c為3根垂直紙面放置的通電長直導線，電流大小相等，電流方向如圖2所示.3根導線橫截面恰好位于一等邊三角形的3個頂點上，試通過分析判斷三角形中心O處磁感應強度的方向.

圖2

延展2：L1、L2和L3為3根垂直紙面放置的通電長直導線，電流大小均為I，L1與L2中的電流方向相同，與L3與中的電流方向相反，如圖3所示.3根導線的橫截面恰好位于一等邊三角形的3個頂點上，試分別畫出3根導線L1、L2和L3中電流所受安培力的方向，并求出3根導線L1、L2和L3單位長度所受的安培力大小之比.

圖3

設計意圖：例1中的情境設置需要學生通過右手螺旋定則分別判斷3根通電直導線分別在a、b、c處產生的磁場，再利用對稱性進行矢量合成進行分析.延展1主要是對例1情境中的3根導線的擺放方向進行改變，通過情景變化引導學生注重問題解決的科學和嚴謹，幫助學生更深入、準確地理解通電直導線產生磁場的特點和矢量合成法則.延展1和例1相比較，兩者所鏈接的物理知識、方法具有一致性，但延展1對概念理解要求更深入，不僅需要掌握右手螺旋定則，而且將磁場方向具象為點與通電直導線垂線的垂直方向，可以得到a、b、c中電流產生的磁場在O點的方向分別為平行于bc向右、平行于ac指向右下方、平行于ab指向右上方，再借助于平行四邊形法則得到合場強的方向向右.延展2在延展1的基礎上更進一步，學生在能夠判斷合磁場的基礎上，進一步應用安培定則判斷導線受到的安培力，完成了從“右手操作”到“左手操作”的切換，提高了復習過程對物理規律的再認知和再建構.當然，該問題的解決也可以直接利用通電直導線間的相互作用，判斷出b、c中電流對a中電流的作用力，進而通過力的合成解決問題.綜合兩種思路，課堂上多視角復習了矢量的獨立性和合成法則，引導學生從“定性分析”過渡到“半定量分析”，幫助學生建立正確的物理觀念，即力的觀念和場的觀念，由此復習教學可以進一步延展至環形電流磁場的疊加和相互作用等，提升學生科學思維素養水平.

2 “助產式”延展，發展高階物理思維

蘇格拉底把教師比喻為“知識的產婆”.高中物理復習基于學生學習基礎，“助產式”延展以“學生學情”為最近發展區，可以從一個“困難”出發，教師通過延展式的問題點撥，引導學生對情境中的信息進行整合，找到解決問題的邏輯脈絡.在問題解決的過程中實現知識的復認，促進學生創造性思維、邏輯思維、批判思維等高階物理思維水平的提升.

案例2：“回旋加速器”復習.

例2.回旋加速器在核技術、核科學、核醫學等高新技術領域得到了廣泛應用，有力地推動了現代科學技術的發展.回旋加速器的原理圖如圖4所示，D1和D2是兩個中空的半徑為R的半圓金屬盒，它們接在電壓一定、頻率為f的交流電源上.位于D1圓心處的質子源A能不斷產生質子（初速度可以忽略，重力不計），它們在兩盒之間被電場加速，D1和D2置于與盒面垂直、磁感應強度為B的勻強磁場中.

圖4

（1）若質子束從回旋加速器輸出時的平均功率為P，寫出輸出時質子束的等效電流I與物理量P、B、R、f間的關系式（忽略質子在電場中運動的時間，其最大速度遠小于光速）.

語音的過分規則化體現在節奏和韻律的使用上。詩人對詩中的節奏和韻律作了巧妙的安排，有助于傳遞一定的思想感情和意義。

（2）試推理說明：質子在回旋加速器中運動時，隨軌道半徑r的增大，同一盒中相鄰軌道的半徑之差Δr是增大、減小還是不變？

設計意圖：回旋加速器是電磁學知識板塊中的重要內容，也是高考的熱點和難點.筆者在調研中發現，教師們在復習時通常是以回旋加速器的構造和原理為起點，然后引導學生分析粒子經加速器加速后的最大動能、在回旋加速器中的運行時間等內容，其本質是讓學生重溫回旋加速器的原理，屬于“記憶式”鞏固，思維水平沒有得到提升.以例2為問題情境組織對回旋加速器相關內容的復習，使得整個復習過程具有了延展性和創造性.

延展點1（信息整合）：例2題干中給出了半圓金屬盒的半徑R，粒子源是質子，整合這兩個信息，可以分析出質子離開加速器時的速度v滿足則單個粒子出射時的動能可表示為

延展點2（邏輯思維）：例2中問題（1）需要尋找質子束的等效電流I與物理量P、B、R、f間的關系，問題設計實現多個知識點的串接，問題解決需要學生有一定的邏輯思維能力.首先，利用電流的微觀表達式，將問題轉化為求單位時間內流過的質子數目，進而去尋找已知物理量與單位時間內質子數目的關系，整合題干中“質子束從回旋加速器輸出時的平均功率為P”這一信息，可以得到，最終可得出學生根據平時的解題經驗認為求出了結果，不再關注表達式中還有未知的物理量信息，此時教師可以追問“結果中所有的物理量都已知么？”讓學生質疑并將思維引向深處，思維“切換”到回旋加速器一直能給所有質子加速的條件判斷，推理得出交變電源的頻率與質子回旋頻率相同，即，整理可得

延展點3（批判思維）：例2中問題（2）的解決，可以讓學生先猜想再探究，通過猜想和探究，學生的思維得以串珠成鏈，質疑能力和批判性思維得以提升.如果教師舍得放手讓學生猜，一定會有學生分別猜“Δr是增大”和“Δr是減小”，而且都能說出對應的理由.這恰恰就是復習課堂的生長點，由此展開推理能夠最大限度地激發學生的探究欲望，在對比中得到結論Δr是減小的.當然，教師要規范學生的思維進路，對推理過程中的錯誤及時糾正，如對“同一盒中相鄰軌道的半徑之差”的理解，通常情況下學生的思考是粒子連續加速動能的增量為eU，而對于同一盒中相鄰軌道的動能差值應該是2eU.

與“遞進式”延展相比，“助產式”延展是在解決一個具體的問題過程中引導學生調用原有的物理認知和解題經驗在不斷地整合信息、質疑和推演的過程中解決問題.在解決了具體的問題后也可以根據學生的實際進行“遞進式”延展.比如例2問題的解決，不僅幫助學生有效復習了回旋加速器原理、粒子出射能量和軌道分布等知識內容，還可以進一步改變問題情境進行延展，引導學生解決生活中的真實問題，如江蘇省2021年高考第15題，在回旋加速器中加“靜電偏轉器”，改變粒子引出的軌道，要求學生分析加入偏轉器極板厚度和磁場區域的分布空間等.這樣的延展教學抬升了教學目標，使其指向學生創造性思維的發展.

3 “整合式”延展，助窺“大概念”物理

獨木不成林！高中物理復習教學更應注重物理概念復習的“整合式”延展，通過問題情境的設置使學生熟悉某個物理知識模塊的全貌，甚至整個高中物理概念的大框架.在解決問題過程中隨著學生對所學知識、方法的復認同步提升解決復雜問題的能力和素養.

案例3：“力學綜合”復習.

例3.（2022年南通二模第14題）如圖5（甲）所示，在光滑水平面上有A、B、C3個小球，A、B兩球分別用水平輕桿通過光滑鉸鏈與C球連接，兩球間夾有勁度系數足夠大、長度可忽略的壓縮輕彈簧，彈簧與球不相連.固定住C球，釋放彈簧，球與彈簧分離瞬間桿中彈力大小F=10N，已知A、B兩球的質量均為m1=0.2kg，C球的質量m2=0.4kg，桿長L=1.0m.彈簧在彈性限度內.

圖5

（1）求彈簧釋放的彈性勢能Ep；

（2）若C球不固定，求釋放彈簧后C球的最大速度v；

（3）若C球不固定，求釋放彈簧后兩桿間夾角第1次為θ=120°時，如圖5（乙），A球繞C球轉動的角速度ω.

設計意圖：利用這道題可以組織“多向”延展教學.從問題情景看，涉及的知識整合了牛頓運動定律、動量守恒定律、系統機械能守恒定律等內容；從學生答題看，若要完整解答，需調動頭腦中幾乎所有的力學知識和解題經驗；從教師講評看，講評時可以通過此題進一步延展，串接整個高中力學知識內容，通過對物理模型拆解和遷移，物理知識和規律在解決問題的過程中得以不斷整合.

延展點1（整合動量守恒、系統機械能守恒、圓周運動）：分析例3中第（1）問時，引導學生根據題中所給力學情境，適當拆解并重新建模，如圖6所示.彈簧釋放瞬間，A、B兩球即獲得彈簧釋放的彈性勢能（勁度系數足夠大的“特殊彈簧”）.該過程同時滿足水平方向動量守恒，A、B兩球的動量等大、反向，此時兩球速度大小設為v0，由系統機械能守恒可得程.

圖6

延展點2（整合牛頓第二定律瞬時性）：分析例3中第（2）問時，基于C球不固定情境下，3球組成的系統動量守恒且總動量始終為0.從對稱性分析，C球沿兩桿所夾角的平分線做直線運動；從瞬時性分析，速度有最大值說明加速度有反向的過程，C球速度最大時加速度為0，此時A、B、C3球共線，A、B兩球速度大小相等.；釋放瞬間，兩球繞C球做圓周運動（圖6中獨立出A球），根據牛頓第二定律建立向心力方

延展點3（整合運動合成與分解、相對運動）：分析例3中第（3）問時，引導學生理解“相對圓周運動”模型，其目標指向“線速度”“角速度”等物理概念與運動的合成與分解、圓周運動規律的整合.如圖7所示，B、C兩球的速度關系滿足vBy=（設C球運動方向為y軸負方向），結合系統動量與能量關系完成解答（不要延展到整合非慣性系中進行受力分析的問題）.

圖7

與“遞進式”延展和“助產式”延展相比，“整合式”延展的知識跨度更大、思維水平更高.在情境設計上首先考慮知識的融合度和學生學習進階的進路，如上述“例3”問題情境的設置，3個問題思維進階進路明顯，借助相互關聯的物理內容，學生在“識?！被A上“拆模”再“建?！?，無論是物理概念的整合和思維素養的提升都有序延展.如果從學生解答的錯點出發，展示引起學生模型負遷移的問題情境進行“助產式”延展，學生對物理模型的建立、規律的應用將有更高的辨識度，對物理核心概念的理解將更加深入.