耦合物理信息渠道践行习题设计与评价体系——信息技术条件下的物理习题重构策略思考

郑行军 肖巧玲

（1.福建省福鼎市第一中学，福建福鼎 355200；2.福建省教育科学研究所，福州 350003）

习题教学是物理教学、理科教学的重要组成部分，科学、合理具有实效性的习题对于评价学生学习的认知发展水平有着重要的影响。近几年随着信息通信技术的高速发展，以“互联网+”为主导的发展模式已经深入到教育领域成为其中一个重要的组成部分，如何将互联网的平台、新一代信息通信技术有效地融入到物理习题中，从而提高习题教学的有效性是当下物理教学研究的一项重要课题[1]。因此，本研究基于大数据等技术优势，对现有的物理习题设计进行创新与改革，使得“互联网+”模式下的人机交互、人工智能等教育形式在物理习题教学中成为可能，努力构建“互联网+物理习题”的教学新思路。

1 基于“互联网+”条件下的物理习题设计策略

1.1 以题型为主线重构习题体系

物理习题是实际物理现象和规律的简化、科学抽象和理想化过程[2]，具有典型的模型化特征。学生解答物理习题的过程就是在模型化的物理情境中灵活地应用物理知识和方法的过程，因此，遵循认识模型→分析习题→探究过程→得出结论的解题策略，是解答物理习题的有效之路。教师在进行习题设计时以物理模型为主线，引导学生有意识地在物理情境中抽象出物理模型的解题意识；在命制与教学同步的练习检测卷时，以题型为主线，对全章知识进行模块化的梳理，形成一个清晰化、结构化的习题资源系统，引导学生完成知识内容的建构和检测知识与技能、过程与方法、情感价值观等教学目标。

以机械能习题命题规划为例，根据章节知识特点、考纲要求和学生认知水平将全章习题规划为基本概念、题型归类、实验探究3个模块重新归类，以题型为全章习题主体，引导学生强化模型化解题意识，实现学习进阶，如图1所示。

1.2 习题分布设置呈现层次性和渐变性

习题的设计与选取是习题教学环节的关键点。科学的习题设计方案有利于贯穿知识点，开阔思路，调动学生的思维，培养应变能力，提高解题的效率[3]。中学物理的学习不管是在知识深度上，还是在解决问题的方法上，学生都需要一个逐步学会的过程，因此，对于习题的设计要注重层次性和渐变性。教师可以根据教学实践和学生反馈的信息，按照学生思维能力、维度系数和教学时段等教学指标[4]，参照不同阶段习题教学需达成的能力要求，划分习题层次和创设由浅入深、由表及里的渐变式习题情境。习题层次间循序渐进，紧密衔接；习题背景与学习内容紧密相关，通过不同的渐变式习题情境展现，引导学生由具体逻辑推理过渡到抽象的试题情境，进而实现对实际陌生的情境问题的处理。根据学生情况把握好基础题、中档题、难题的比例（见表1），通过对不同层次的习题解答情况了解学生对于知识和物理思维方法掌握的程度。

图1 机械能习题设计方案

表1 习题题型分布的设置划分标准

2 设计方案渗透科学思维和关键能力

2.1 细化习题设置结构，体现学生思维发展进阶

教学反馈是每一位对物理课堂教学质量具有高追求的物理教师重视的问题。与其他反馈途径相比较，习题的教学反馈功能更加客观，教师可通过布置的习题作业，了解学生对课堂知识和对物理思维方法的掌握程度；习题考查的目的不仅仅能反映简单的结果对错和机械的公式呈现，而且能同时体现出学生在解题中对物理过程分析和物理方法的掌握程度。因此，对于习题的设计方案要进一步细化至过程和思维方法层面，测验试题不仅可以体现学生对知识和技能的掌握，而且可以体现学生对于物理过程和物理方法的掌握及知识的迁移能力。

以中学物理功率中两类启动问题为例，作为一个实际的物理情景，本节课的设计意图在于培养学生利用物理规律宏观地去分析物体运动规律的动态变化过程的能力[5],在分析过程中涉及运动学、动力学、图像、瞬时功率、功能关系等知识，这对高一新生来说是一个比较综合难把握的知识点。因此，采用构建模型的方法找出两类启动中常见的动体模型和问题模型，帮助学生比较全面地掌握此类问题可能的命题方向和解题策略，这对于提高学生解题效率、活化知识结构是一种有效的教学手段。为了能更好地反馈学生对于动体模型和问题模型的掌握程度，进行习题情境设置时采用细化手段。

例1：某实验小组设计了一种装置用于提升货物，如图2所示，在水平面上固定一竖直杆，一绷紧的轻质缆绳通过无摩擦的小定滑轮O与在高处的电动机相连，另一端和套在竖直杆上的质量为m的货物连接，开始时货物静止在杆底端的A点。某时刻电动机以恒定的功率P卷动缆绳，拉着货物沿杆由A运动到B，已知货物运动到B点的速度大小为v，此时缆绳与竖直杆的夹角为θ，货物上升的高度为h，货物与竖直杆间的摩擦力恒为f，则下述说法正确的是（ ）

图2

A.货物运动到B点时缆绳拉力

B.货物运动到B点时的加速度

C.货物由A运动到B所经历的时间t=

D.从A到B过程中货物所受合力的大小和方向都在变化

①本题涉及的动体模型是（ ）

A.水平面恒定功率启动问题

B.水平面恒定牵引力启动问题

C.竖直面恒定功率启动问题

D.竖直面恒定牵引力启动问题

E.斜面恒定功率启动问题

F.斜面恒定牵引力启动问题

②本题涉及的问题模型有（ ）

A.涉及物体运动的最大速度、额定功率或阻力的物理量分析

B.涉及匀加速过程物体运动时间的物理量分析

C.功率恒定时，涉及物体速度和加速度关系的物理量分析

D.涉及某时刻牵引力的功率或某段时间牵引力做的功

E.涉及恒定功率时，物体运动位移与运动时间的关系

③本题你选择的答案是（ ）

④简答你认为通过该题目学习有哪些收获？

习题的细化设计方案，不仅得到了习题答案，而且可以很好地呈现学生在解题过程中的思维、方法和技巧呈现。依据大数据分析，计算机系统对学生的答题进行统计，提出智能化建议，并将数据实时反馈给教师；教师根据反馈的结果与建议，可以更深层次地了解学生的学习行为、学习思维、学习态度、学习认知等信息，把握好后续的教学重点。

2.2 变式、关联重构，触发学生思维迁移

物理是一门以模型构建的学科，所有物理现象和物理规律都会依据一个基本的物理模型而后衍生拓展，因此在进行习题命题时，应根据物理学科特点，以模型为基本结构，不断附加相关信息，构建习题支架。教师在进行习题选取和设计时，可以根据学生当时的学习认知发展水平，科学合理地选择题源，对习题进行再构造，对题设条件信息合理延伸，不断地变化知识结构、思维方法，引导学生突破解题思维定势，触发思维迁移，实现学习效果的螺旋式上升。

例2：如图3所示，竖直固定的光滑的绝缘杆上O点套有一个质量为m，带电量为−q的小环。在杆的左侧固定一个带电量为+Q的点电荷，杆上A、B两点与Q正好构成一边长为a的等边三角形，OA间距离也为a。现将小环从O点由静止释放，若小环通过A点的速率为，则小环在从O到B的过程中（ ）

图3

A.在O点时，q与Q形成的系统电势能最大

B.到达AB的中点时，小环速度一定最大

C.从O到B，电场力对小环一直做正功

D.到达B点时，小环的速率为

对例2进行习题关联变式设计。

例3：如图4所示，一根光滑绝缘直杆竖直固定放置，杆两侧水平对称位置固定两个带电量为+Q的点电荷，已知两点电荷间的距离为，OA=AB=BC=a，静电力常量为k。现使一质量为m、带电量为−q的小环从图示位置的O点由静止释放，若通过A点的速率为，则小环在下落过程中（ ）

A.小环在下落过程一定始终做加速运动

B.小环通过C点的速率为

C.小环运动到A点时的加速度为

D.小环由O运动到C的过程中电势能先增大后减小

案例以场源电荷为基础考查变力做功、电场线与等势面、电学量的分析、牛顿运动定律等知识点，原题以常规单点电荷模型设计了题干条件，由于对点电荷的电场线与等势面的分布规律比较熟悉，学生会比较容易从题设信息挖掘出隐含条件A、B为等势点，因此，对于电场线与等势面知识点检测会略显弱化。变式设计题将单点电荷改为等量同性点电荷模型，增加了电场线与等势面知识的信息提取量，可以更深层地检验学生对于此项知识的整体掌握和知识迁移能力，同时学生也可以通过关联习题的类比，归纳和深化总结，提取同类题型的相关信息，形成系统的解题思路。通过对原有习题的变式重构，可以很好地检测学生是否真正理解电场线与等势面的内涵，从而提升学生的审题和综合分析能力。

2.3 科学组合，加强学生推理、演化和综合分析能力

物理试题的其中一个重要功能是要考查学生是否能够把一个复杂问题合理肢解并找出它们之间的隐含联系；是否能够提出解决问题的方法，运用物理知识综合解决所遇到的问题。基于这个思想，在进行习题命置时将两个或几个简单模型进行有机组合成为一个新的习题也是一个很好的设计思路。

例4：科技的发展，使得人类在其他星球上生活成为可能。未来某一天，有位同学在某星球表面做了一个实验，间接估算出他所在星球的质量，实验装置如图5所示。将一滑块（可视为质点）放置于水平桌面上，滑块底端安装有压力传感器，可直接测量出滑块对桌面的压力，对滑块施加一斜向上的拉力使滑块沿桌面向右加速运动，拉力传感器可测量出拉力的大小。当压力传感器读数为0时，该同学记下拉力传感器的读数为F。已知滑块与压力传感器的总质量为m，拉力方向与水平方向的夹角为θ，该星球的半径为R，引力常量为G，由上述信息可判断出以下结论正确的是（ ）

图5

D.离行星表面距离为2R的地方的重力加速度为

该题以重力加速度为关联量考查了力的合成、牛顿运动定律及万有引力定律。组合题型的分析要求学生首先要清楚了解基本模型的解题策略，而后以关联量为桥梁联立求解，即可突破此题的思维障碍。

2.4 数理有机融合，提升应用数学处理物理问题的能力

数学与物理是两门紧密联系的学科，数学符号是物理概念、规律最常用的表述形式，是研究和解决物理问题的重要工具，扎实的数学功底和良好的数学建模能力是学好物理的基础。考试大纲明确要求学生能运用几何图形、函数图像进行表达、分析物理问题。在设计物理习题时应体现数学知识、数学方法的运用，提升学生综合分析能力。

例5：如图6（甲）所示，在水平地面上固定一光滑斜面，斜面由竖直部分AB和倾斜部分BC组成，已知竖直部分AB高度差H=1.25 m，斜面倾角θ=37°。从斜面顶端以初速度v0=5 m/s平抛一小球a最终落至斜面上，图6（乙）中的曲线是一光滑轨道，形状与小球a平抛运动的轨迹完成重合，让一质量m=0.5 kg的滑块b从轨道顶端无初速下滑，且始终没有脱离轨道。a、b都可看成质点，忽略空气阻力，重力加速度g=10 m/s2，下列判断正确的是（ ）

图6（乙）

图6（甲）

A.小球a在空中运动的时间为1 s

B.小球a下落的高度为2.25 m

C.滑块b滑至斜面时水平方向的速度为5 m/s

D.滑块b滑至斜面时重力的瞬时功率为205W

该题综合了平抛运动和曲线方程等多个知识点，两个物体之间的隐含关联信息即为相同的轨迹方程。分析图6（甲）的平抛运动轨迹，由嫁接面倾角与位移的几何关系和综合平抛运动的规律，可求得运动的时间、分位移和小球运动至斜面的速度；由轨迹的几何关系，滑块从轨道下滑到斜面和小球平抛落到斜面时的速度方向相同，以速度方向为关联量求滑块运动的水平分速度和瞬时功率。题目涉及运动的合成与分解、动能定理、二次函数等数学和物理知识，是一道非常典型的数理型物理习题。

3 配套的习题资源和后台管理评测系统的实现方式

基于互联网平台的习题教学模式创造了一种新的教育环境，使学生的学习结果呈现、学习效果反馈、学习互动、学习信息交流等教学要素得到了很大的提升。在大数据、云计算、多媒体等优势技术的支持下，试题与技术的融合不仅可以检测学生对物理知识的整体掌握，而且可以体现学生在处理习题问题过程中的思维反应度。教师可以在线上对试题进行管理，对试题更改、整理、分类添加，测试题呈现可以采用选择、简答、计算等形式；学生在线上完成习题训练后，系统评分统计，并将测试结果反馈给教师。教师可以及时了解学生的学习行为、学习需求和学习达到的程度等情况，并作出相应的决策，调整教学策略。习题资源与后台管理评测系统如图7所示。

基于互联网平台的习题教学模式创造了一种全新的教学环境，使学生的学习能力和创新思维能力得以充分的发挥。相较传统的习题设计，基于信息技术条件下的物理习题重构具有如下优势：1）细化了习题信息结构，提升了习题的检测反馈功能；2）深化了习题模型化构建的策略，在“互联网+”条件下，习题的交互和对比功能得以实现；3）技术和手段的有效融合，延伸了对学生推理能力、综合分析能力、应用数学分析物理问题能力的考查，很好体现了新高考对学生的能力要求；4）使学生的学习行为、教学效果得到实时反馈、教学评价体系得以有效建构、课内教学和课外监测的统一成为可能，为新课改实施有效性教学提供了科学依据。在“互联网+教育”的大环境下，教师需要结合学生实际、教学要求等各项资源，积极研究习题结构，合理设计习题内容，优化教学系统，实现课堂教学和习题检测的双向统一。

图7 习题资源与后台管理评测系统