核心素養背景下高中學生物理關鍵能力的培養

廣東 熊小勤

1 問題提出

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》指出，學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。關鍵能力是指即將進入高等學校的學習者在面對與學科相關的生活實踐或學習探索問題情境時，高質量地認識問題、分析問題、解決問題所必須具備的能力。它是使學習者適應時代要求并支撐其終身發展的能力，是培育核心價值、發展學科素養所必須具備的能力基礎，是高水平人才素質的重要組成部分。新高考物理等級性考試更加注重以核心價值為引領，以學科素養為導向，以關鍵能力為重點，以必備知識為基礎，大力引導學生從“解題”向“解決問題”轉變。基于此，高中物理教學中培養學生物理關鍵能力是必然趨勢，創設情境進行教學，對培養學生物理學科核心素養具有關鍵作用。

2 以新情境素材為背景，培養學生關鍵能力

隨著近幾年新高考物理等級性考試制度的逐步完備與優化，在考查內容與要求上，物理等級性考試更加注重反映物理學科的本質，注重密切聯系社會、經濟、科技、生產生活實際，使得試題情境的呈現更具問題性與真實性。因此，在高中物理教學中要融入實際場景，如體育運動、交通出行、生產應用、科技成果創新等，從而使教學關聯真實的情境，達到培養學生關鍵能力的目的。

2.1 利用同一新情境素材進行不同設問，培養學生關鍵能力

在高中物理教學和復習時，教師可以通過某一新情境素材，引導學生對其設置不同的問題，逐步培養學生提出與研究問題能力、批判性與創造性思維能力、信息的收集、傳遞與處理能力等關鍵能力，從而全面落實核心素養。

【例1】如圖1所示，辛丑年農歷除夕“神舟十三號”航天員在遙遠的中國空間站向祖國和人民送上了新春的祝福。下列相關說法正確的是

( )

此題以辛丑年農歷除夕“神舟十三號”航天員在遙遠的中國空間站向祖國和人民送上了新春的祝福為背景設計的一道物理試題，考查學生的信息獲取能力、推理論證能力、模型構建能力等關鍵能力。為了更進一步培養學生的質疑創新能力，引導學生對這一情境提出以下問題：

(1)在空間站中航天員所受的重力為零；

(2)航天員在空間站中“靜止”不動時處于平衡狀態；

(3)空間站繞地球運動經遠地點時的速度小于7.9 km/s；

(4)空間站繞地球運動經遠地點時的加速度大于9.8 m/s2；

(5)在空間站中航天員處于失重狀態；

(6)空間站繞地球運動經遠地點時的速度小于經近地點時的速度；

(7)空間站繞地球運動經遠地點時重力勢能最大；

(8)空間站繞地球運動過程中動能保持不變。

因此，在平時的高中物理教學和復習中通過把平時習題的設問去掉，利用同一新情境素材，讓學生站在命題人的角度進行思考、設問，從而通過一道題實現知識網絡的構建，把核心素養真正落到實處，學生的學科關鍵能力真正得以培養。

2.2 利用同一知識設置不同新情境素材，培養學生關鍵能力

在平時的教學和復習中，可以通過同一知識，引導學生從不同角度設置新情境素材，從而使學生認識到利用新情境素材獲取有用信息的方法，進一步理解高考新情境素材的試題的特點，真正掌握這種題目的突破點和解題技巧，達到培養學生關鍵能力的目的。

【例2】賽龍舟是端午節的傳統活動。如圖2所示v-t圖像描述了甲、乙兩條相同的龍舟從同一起點線同時出發、沿長直河道劃向同一終點線的運動全過程，下列說法正確的是

圖2

( )

A.在t2時刻甲、乙龍舟相遇

B.在0～t1時間內乙龍舟速度變化快

C.在0～t2時間內甲、乙龍舟平均速率相等

D.整個過程甲與乙龍舟在途中會出現船頭并齊情況

此題以中華傳統節日端午節的群眾性體育活動為背景，描述了一個生動而真實的場景，要求學生在實際問題中“去質點化”，通過對追趕問題v-t圖像的辨識，考查學生的理解能力、推理論證能力、獲取信息等關鍵能力。為了更進一步培養學生的關鍵能力，我們可以利用同一v-t圖像，引導學生對這一問題重新設置新情境，參考題目如下：

學校校運會是中小學最重要的一項體育賽事。如圖3所示的v-t圖像描述了2021年廣東某校校運會100 m決賽中甲、乙兩同學的運動全過程，下列說法正確的是

圖3

( )

A.在t2時刻甲、乙兩同學相遇

B.在0～t1時間內乙同學的加速度大

C.在t2時刻甲同學在乙同學的前面

D.整個過程甲同學和乙同學在途中會相遇

在高中物理教學和復習中，通過利用同一知識，設置不同情境化素材，使知識融入不同情境當中，有利于學生真正地理解知識、掌握知識，并且能夠運用知識去解決真實情境中的問題，從而在課堂中真正培養學生推理論證能力、獲取信息、模型構建等關鍵能力。

3 以同一素材為背景，培養學生關鍵能力

隨著新教材的逐步落實，新高考命題要求：優化考試內容，突出立德樹人導向，重點考查學生運用所學知識分析問題和解決問題的能力，創新試題形式，加強情境設計，注重聯系社會生活實際，增加綜合性、開放性、應用性、探究性試題。這就要求我們在教學和復習中要以同一素材為背景進行一題多變和一題多解，培養學生的發散思維和創新思維等關鍵能力。因此，在高中物理教學和復習中應該從以下兩個方面加強。

3.1 同一素材多種變化，培養學生關鍵能力

在物理教學中要注重學生創新思維能力的培養，而培養學生創新思維能力，旨在增強學生對問題的敏感性，思考問題的靈活性、獨特性和流暢性。要培養學生解決問題和探索新物理問題的能力，學生必須對所學知識達到“熟練”，進而才能創新。為了達到此目的，教師可通過一題多變、一題多問來啟發和引導學生。

【例3】如圖4所示，水平放置的兩塊長平行金屬板a、b相距d=0.10 m，a、b間的電場強度為E=5.0×105N/C，b板下方整個空間存在著磁感應強度大小為B=6.0 T，方向垂直紙面向里的勻強磁場，現有一質量為m=4.8×10-25kg，電荷量為q=1.6×10-18C的帶正電的粒子(不計重力)，從貼近a板的左端以v0=1.0×106m/s的初速度水平射入勻強電場，剛好從狹縫P穿過b板而垂直進入勻強磁場，最后粒子回到b板的Q(圖中未標出)處，求P、Q之間的距離L。

圖4

變式1：求整個過程中帶電粒子運動的時間。

變式2：若帶電粒子帶負電，其他條件不變，情況又如何？

變式3：若a、b金屬板為薄板，且穿過薄板沒有能量損失，帶電粒子剛好能從a板右側水平射出，則a板板長滿足的條件。

此題通過多角度設問，不但幫助學生構建知識網絡，而且有利于培養學生思維的靈活性、變通性和創造性，更重要的是它能給學生一種新鮮感，激發學生的興趣，對培養學生的創新思維能力具有重要作用。

3.2 同一素材多種解法，培養學生關鍵能力

在學習物理過程中，發散思維表現為依據物理現象、概念、定律、公式和已知條件，思維朝著各種可能的方向擴散前進，不局限于既定的模式，從不同的角度尋找解決問題的各種可能性。因此，教師應精心選編一些“一題多解”類型的題目，引導學生從不同角度、不同方面去探索解題思路，從而訓練發散思維，培養學生關鍵能力。

圖5

(1)孔明燈B與孔明燈A碰撞后，孔明燈B向下運動與碰撞點的最大距離H；

(2)孔明燈B從開始到孔明燈B向下運動與碰撞點距離最大的過程中所用的時間t。

該題可引導學生從以下三種不同的角度去思考，就可得出幾種不同的解法。

①從運動學、牛頓第二定律、動量守恒定律的角度去思考；

②從動能定理、動量守恒定律及動量定理的角度去思考；

③從v-t圖像、牛頓運動定律、動量守恒定律的角度去思考；

通過這些不同方法的運用，從而培養了學生的思維素質，訓練了學生的思維能力，對培養學生的發散思維能力等關鍵能力具有重要的作用。

4 以學生實驗為背景，培養學生關鍵能力

隨著國家經濟和文化的快速發展，教育越來越重視對學生創新能力的培養。而物理實驗教學在培養學生科學素養的過程中具有獨特的地位和全方位的功能，在培養學生創新意識及實踐能力中起到了至關重要的作用。因此，在日常高中物理實驗教學和復習中應該從以下兩個方面加強。

4.1 同一實驗原理設置不同素材，培養學生關鍵能力

從近年來高考實驗試題可以看出，大部分實驗題都是通過從教材中基本實驗原理出發，對某些實驗裝置或實驗器材進行創新設計，考查學生知識遷移能力和實驗創新能力，從而達到引導中學物理實驗教學中注重培養學生關鍵能力的目的。

【例5】某小組利用打點計時器對物塊沿傾斜的長木板加速下滑時的運動進行探究。物塊拖動紙帶下滑，打出的紙帶一部分如圖6所示。已知打點計時器所用交流電的頻率為50 Hz，紙帶上標出的每兩個相鄰點之間還有4個打出的點未畫出。在A、B、C、D、E五個點中，打點計時器最先打出的是________點。在打出C點時物塊的速度大小為________m/s(保留3位有效數字)，物塊下滑的加速度大小為________m/s2(保留2位有效數字)。

圖6

此題考查物體做勻變速直線運動的實驗，培養學生科學探究能力等關鍵能力，為了更進一步培養學生的關鍵能力，引導學生對這一實驗原理進行創新，呈現題目如下：

一種新的短途代步工具——電動平衡車，被稱為站著騎的電動車。某同學為了探究該車在平直水泥路面上的運動情況，設計了如下實驗：將輸液用的塑料瓶裝適量水后，連同輸液管一起綁在平衡車的扶手上，調節輸液管的滴水速度。某滴水剛落地開始計時，從下一滴水落地開始依次計數為1，2，3……，當第50滴水剛好落地時停止計時，測得時間為25.0 s。該同學騎上平衡車后，先加速到某一速度，然后關閉動力，讓平衡車沿著直線滑行。如圖7所示是某次實驗中在水泥路面上的部分水滴及測出的間距值(左側是起點，單位：m)，當地重力加速度g取10 m/s2，根據該同學的測量結果可得出：

圖7

(1)平衡車經過路面上相鄰兩水滴間的時間間隔T=________s。

(2)平衡車加速過程的加速度大小a=________m/s2，運動到D點的速度大小v=________m/s。(結果均保留三位有效數字)

此題通過利用滴水法測量時間，從而對時間測量進行創新，培養學生知識遷移能力、實驗創新能力等關鍵能力。

4.2 同一實驗裝置設置不同原理，培養學生關鍵能力

高中物理規定的學生實驗中，有很多實驗的裝置是相同的，但實驗原理不同，例如探究小車勻變速運動、驗證牛頓第二定律、探究動能定理的實驗，因此在高中物理實驗教學或復習中，可以嘗試利用同一實驗裝置進行不同實驗原理的設置，從而培養學生的發散思維和實驗創新能力。

【例6】用如圖8所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，實驗所用的電源為學生電源，可輸出交流電和直流電。重錘從高處由靜止開始下落，打點計時器在重錘拖著的紙帶上打出一系列的點，對圖中紙帶上的點跡進行測量，即可驗證機械能守恒定律。

圖8

(1)下列幾個操作步驟中：

A.按照圖示，安裝好實驗裝置

B.將打點計時器接到電源的“交流輸出”上

C.用天平測出重錘的質量

D.先釋放重錘，后接通電源，紙帶隨著重錘運動，打點計時器在紙帶上打下一系列的點

E.測量紙帶上某些點間的距離

F.根據測量的結果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能沒有必要的是________，操作錯誤的是________。(填步驟前相應的字母)

(2)在使用質量為m的重錘和打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗中，在選定的紙帶上依次取計數點如圖9所示，紙帶上所打的點記錄了重錘在不同時刻的位置，那么紙帶的________(填“左”或“右”)端與重錘相連.設打點計時器的打點周期為T，且“0”為打下的第一個點，當打點計時器打點“3”時，重錘的動能表達式為________，若以重錘的運動起點“0”為參考點，當打點“3”時重錘的機械能表達式為________。

圖9

此題主要是通過自由落體運動來驗證機械能守恒定律，實驗原理是利用重力勢能的減少等于動能的增加，我們可以利用這一實驗裝置來設置探究勻變速直線運動，即改為某同學利用如圖10所示的實驗裝置測量重力加速度。

圖10

(1)該同學經正確操作得到如圖11所示的紙帶，已知1，2，3，4為打下的連續四個點，測得對應的距離為x1、x2、x3、x4。若已知打點計時器的打點周期為T，則打3點時速度的表達式為v3=________；重力加速度的表達式為g=________。

圖11

(2)根據以上(1)問結果，為了求出重物體在運動過程中所受的阻力，還需測量的物理量有________(用字母表示，并說明字母所表示的物理意義)。則阻力的表達式f=________。

(3)如果當時電網中交變電流的電壓變成210 V，而做實驗的同學并不知道，那么重力加速度的測量值與實際值相比________(填“偏大”“偏小”或“不變”)。

此題是利用驗證機械能守恒定律實驗裝置來求解瞬時速度、加速度、阻力等，與機械能守恒定律沒有關系，通過這一改變，進一步培養學生知識遷移能力和科學探究能力等關鍵能力。

5 結束語

通過對高中物理課堂教學和課堂復習的研究，在高中物理課堂上可以通過不同形式培養學生物理關鍵能力，也可以對一些題目或素材引導學生從不同角度進行設問，培養學生批判性、創造性思維能力和科學探索精神，培養信息的收集、傳遞與處理能力，有效表達與交流能力以及應變能力。總之，通過平時不斷滲透，不斷發掘新思路，不斷努力，相信培養學生物理關鍵能力一定會落到實處。