基于核心素養的高中物理單元習題設計

黃建安

（羅源第一中學，福建 福州 350600）

物理核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面［1］，四者相互依存共同組成一個有機整體?；凇昂诵乃仞B”的物理單元習題是物理課程的一部分，設計目標是突出習題輔助“學”功能，追求在此過程中培養學生優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，實現內容的體系化，形成正確的價值觀、必備品格和關鍵能力。筆者以電磁感應定律、楞次定律大單元知識為例，對此單元核心知識“電磁感應條件與應用”強化知識體系構建立過程中如何提升學生物理核心素養進行探討。

一、基于實際物理情境培養物理觀念

物理觀念是關于物質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，這些內容有的非常抽象，學生難以理解。筆者在調查學生物理解題過程中遇到主要困難的問卷內容與結果（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 數據可知除了審題情況與數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，物理規律是在大量感性認知的基礎上形成的，因此離不開實際的物理情境。在設計單元習題時，可以將抽象的物理概念和規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“學”為主的設計理念，強化物理觀念的培養。如例1 在設計構建電磁感應核心知識體系的習題中，設計電磁感應與生活緊密聯系的情境培養學生物理觀念：

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

圖1

A.充電底座中的發射線圈將磁場能轉化為電能

B.充電底座可以直接使用直流電源實現對手機的無線充電

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原理獲取電能，充電過程能量守恒

［設計意圖］基于實際的物理情境將無線充電與電磁感應知識點相聯系，直接將抽象的物理知識規律轉化為具體的應用情景。在激發學生興趣的同時引發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。習題知識點設計上，選項A 突出基礎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律的應用，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置將電磁感應的相關知識點從生活應用中提取出來，完成電磁感應條件、場能關系相互關聯的知識體系的構建，促使學生能量、相互作用等物理觀念的形成。

二、基于基礎分層培養物理科學思維

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

表2 希望教師設計什么樣單元習題（有效填寫801 人次）

由表2 中數據可知，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 結果分析多數學生希望習題具有基礎性、系統性及層次性。因此，在設計單元習題時可以面向基礎知識設計易于建模并能引發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、培養信心的基礎上再分層階梯式提升，實現科學思維的訓練。如例2 在設計電磁感應與動力學綜合應用的作業中，呈現運動狀態與思維狀態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，根據力與運動關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。中等基礎同學經過簡單分析、對比易發現一、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解題規范，提煉方法，梳理已學知識點之間的內在關系，實現本章內容與動力學的融合。第二過程是本題的“難”點，但是方法與另兩過程本質一樣，對于程度較好的學生可以發現安培力與重力大小關系未定，具體運動模型無法建立，必須進行分類討論進行突破。根據學生不同認知水平，以“人為本”層層遞進的設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培養學生物理科學思維。

三、基于實驗培養物理科學探究能力

科學探究指的是一種能力，用于對觀察和實驗現象提出物理問題，形成猜想和假設，設計實驗與制定方案，獲取和處理信息，基于證據得出結論并做出解釋，以及對科學探究的過程和結果進行交流、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查內容與結果（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 中數據可知超91%的學生認為物理是一門以實驗為基礎的學科，超67%學生認為物理可以培養科學探究能力?；谖锢韺嶒炁囵B學生的科學探究能力可以實現物理學科學習規律與學生對本學科認知的統一。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以實驗目標為驅動，實驗原理“護航”，力求再現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定律的學習理解，將相關知識構建“點－面－點”的知識體系，提升學生科學探究能力。設計如例3：

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

1.如何探究影響感應電動勢是磁通量變化率還是磁通量變化量（請提供設計方案）。

2.探究線圈匝數對感應電動勢影響時如果：

（1）其他條件不變只順原繞線方向增加小線圈匝數將觀察何現象

（2）其他條件不變只逆原繞線方向增加小線圈匝數將觀察何現象請解釋原因。

［設計意圖］教學實踐中發現大量學生對于法拉第電磁感應定律的理解更多地停留在結論應用上，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動，立足課本知識，學生利用控制變量法結合所學單元基礎知識即可設計實驗。習題設計上突出通易錯點，加深認識感應電動勢影響因素，將單元知識自主設計組合，形成完整知識體系，從而促進從現象、形式到本質的提升理解。第二小題問題（1）立足于基礎理解感應電動勢與匝數關系進一步強化基礎知識的常規理解；問題（2）對傳統實驗進行創新與提升，實現結果是匝數越多感應電動勢越小。在貌似矛盾中實現對電磁感應定律中磁通量的“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科學態度與責任

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

表4 教師在習題設計中有何偏向（有效填寫801 人次）

從數據上看目前物理教師設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合生產實踐體現現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與責任對我們的教學進行反思，呈現物理習題教學的多樣性與教育目標全面性。學生完成作業的過程既是二次學習完善知識網絡的思維過程，也是科學態度、價值觀形成過程。在習題設計時，要根據物理學科的特點，結合單元知識深入挖掘德育因素從情景、問題設計、課堂評價等各環節捕捉契機，將德育與物理知識融合，促進學生全面發展。為實現德育與物理知識融合，筆者進行習題情景設計，如例4：

［例4］我國未來航母將實現以常規動力而能用電磁彈射器的創舉，性能將完勝美軍現役的福特級航母。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生的磁場中受安培力作用下加速獲得動能。設飛機質量為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的關系曲線，假設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。

［設計意圖］習題的情景引入是以國人引以為豪的國產航母為背景，學生在審題中民族自豪感油然而生。問題設計上：層層遞進方式設置階梯實現力、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。教學中對比美軍現役的福特級航母介紹我國新航母技術優勢及高效節能特點融入綠色環保理念，號召學生學習我國工程師不畏艱難，攻克難關的精神。潤物細無聲的，實現德育與物理知識的融合，增強全體師生實現強國夢的信心。

總之，基于核心素養的高中物理單元習題設計是高中物理課堂教學設計的延伸。高中物理教師必須基于培養學生物理核心素養為目標，以學生的現有認知與未來發展為本。在構建知識體系與能力培養上，立足雙基，優化呈現方式，通過分層理解應用實現能力的升華；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協調發展的單元習題設計模式。