基于学生答案阐释的高中物理习题教学研究

张圣羽 杨明芳

摘  要：习题教学是普通高中物理课程教学的重要组成部分之一，习题课、概念课、规律课、实验课和复习课共同构成高中物理五大基本课型。习题教学质量水平的高低将直接影响对学生物理学知识应用技能的培养效果。文章主要介绍基于学生答案阐释的高中物理习题教学模式的操作规程及注意事项，并结合典型习题教学进行案例探析。

关键词：答案阐释;高中物理;习题教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）1-0005-5

习题教学是高中物理教学的重要构成部分。在理解和掌握物理概念及规律的基础上，以书面文字表达的方式完成习题是学生进行物理学习、尝试应用所学知识解决问题的重要环节和主要方式。当前，21世纪学生发展核心素养体系总体框架为我国基础教育课程与教学改革注入了新的精神内核和强大动力，高中物理新课标大力倡导培养学生物理学科核心素养[1]，但高中物理因知识理论性较高、抽象性较强、高考指挥棒的影响和教师教学水平局限等原因，其习题教学多以“教师布置—学生完成—教师讲解”的传统模式进行。

该模式虽在某种程度上可促进学生巩固所学知识，及时发现和修正认识上的谬误，加深对学习内容的理解，但教师较难窥探学生解答习题的思维过程和心理状态，如对物理概念、规律等的理解深度，是否存在解题障碍、心理焦虑等。有时学生对所學知识一知半解，解题时思维混乱，仅凭对题目的主观臆测获得正确答案。教师若察觉不到学生在完成习题过程中暴露的知识和思维漏洞，学生练习的意义则大打折扣，不仅无益于训练学生分析和解决问题的能力，还会拉大学生与物理习题的心理距离，不利于培养学生的物理学习兴趣和信心[2]。

1    基于学生答案阐释的高中物理习题教学模式

基于上述分析，提出一种创新型高中物理习题教学模式，即基于学生答案阐释的高中物理习题教学。该模式倡导当学生初学某部分较复杂的物理知识，在完成综合练习或技巧类习题时，教师预先将问题的答案或核心步骤给出，之后学生进行小组讨论，观点交锋，群策群力，共同探讨、分析解决问题的思路和方法，激发学生在教学活动中的主体作用，力求使每位学生均通过个人思考与集体交流理清问题。教师还需重视对习题的筛选，引导学生进行更多有价值的思考，避免搞题海战术，使学生疲于反思。现从以下五个环节对这种习题教学模式进行操作指导与教学效果分析。

1.1    教师带领学生复习相关知识

实施该教学模式的第一环节与传统物理习题教学并无太大差别。习题教学一般置于概念、规律、实验教学过程之中或之后，亦或单授习题课。由于高中物理知识具有较高的理论性和抽象性，以及受学生思维能力、学习习惯差异的影响，多数学生需在完成习题前对知识进行有效的复习。在课堂教学中，教师采用概述或提问学生的方式最为高效。此外，在学生进行小组讨论和组织语言进行答案阐释的过程中也可适时插入复习环节。复习环节要求内容简明扼要，重点、难点突出，教师语言精练，快速启动学生的思维[3]。

1.2    教师给出习题及答案或核心步骤

完成知识复习，教师需将预先精选的习题与对应标准（参考）答案或核心步骤给出。在这里需明确以下几点：第一，习题必须经过教师的精心设计和筛选，保证其典型性和综合性，能较充分地体现物理概念和规律的应用，反映物理方法与学生的知识基础、能力水平相适应，且具有一定的育人价值。第二，给出的习题答案或核心步骤应确保科学、准确。具言之，选择、填空及判断类习题答案应客观、正确、严谨;思考类习题答案应具备较强的启发性;实验设计类习题答案应做到逻辑清晰、开放性高、示范性强;推证、计算类习题答案关键步骤应规范、严谨，逻辑缜密;实践拓展类问题的指导意见需注重人文精神在科学教育中的渗透。需说明的是，除选择、填空和判断等客观题设标准答案，其他类型的题目只设参考答案或指导意见，鼓励学生在问题解决过程中发散思维，积极思考，尝试一题多解，从而深化物理观念和科学思维，提高物理学科核心素养。第三，给出的各类型习题答案和指导意见应力求简明，给予学生充足的阐释空间。

1.3    学生独立思考或小组讨论，对答案进行解释

一般来讲，对于穿插于物理概念、规律教学中的习题，或单设的习题课中出现的题目，学生常感觉有一定难度，多数学生在刚接触具有较强技巧性或综合性的习题时倍感茫然，不知如何切入问题。这时，教师适合采用启发、引导、配合学生小组讨论的方式开展教学，对于知识掌握程度较好的学生，教师还可以鼓励他们独立阐释，并给予其他同学帮助。学生针对教师给出的习题答案进行阐释、发散和补充，在一定程度上降低了思维的混乱度，减少了若干无意义的错误思考与尝试。问题解决的全过程还需要学生灵活运用其所掌握的物理概念、规律等知识进行理顺和填充，以达到深化物理观念、强化科学思维、熟练应用知识的目的。

同时，学生在该过程中也经历了科学教育中对科学范式的规训。因而，物理习题在这层意义上也就不再是学习物理概念和规律等的附庸，对习题答案的解释过程即转化成一种最初的科学实践。当学生今后再遇到相似的物理问题时，他们就会主动进行类比并尝试迁移对已解决的问题所使用的方法和规范来处理新问题，熟识解题过程亦即是对科学共同体内通行科学范式的认可与习得的表现之一[4]。

1.4    教师点评学生阐释并进行示范讲授

学生经过独立思考或小组讨论后，对习题答案进行阐释的思路和过程可能是丰富多样、正误并存的。教师需针对学生的答案阐释及时反馈，并进行示范讲授;突出最优解，肯定多样解，帮助学生进一步理清解题思路，增强解题过程的严谨性，深化物理认识;加强思维独创性和深刻性的训练，逐步培养迁移性思维[5]，真正实现物理习题教学“小题大容量”。

1.5    学生归纳、反思，教师协助概括和总结

学生通过阐释物理习题答案，可初步掌握解题思路、方法和策略，促进物理学思维方式的养成。其中，个人归纳、反思是极为重要的环节。教师在日常教学中要有意识地引导学生树立反思意识，持续培养学习反思习惯[6]。在习题教学过程中或结束后，教师应适时、分阶段引导学生做个别性（针对某具体习题）、阶段性（针对某习题组）和总结性（针对全部习题）的学习反思，并及时帮助学生消除思维障碍和错误认识，协助学生进行要点归纳、概括和总结。教师对问题解决过程规范性、严谨性和开放性的强调仍须贯穿始终，以达到给出参考答案（或核心步骤、或指导意见）而不限制问题解决过程的教学目的。学生由此可获得更高层次的反思性认识，积累经验与教训，对今后解决常规问题的过程进行及时、适度的调控，真正提升自主学习的能力和品质。

2    高中物理习题教学实例分析

2.1    选择题例——超重与失重

题目 如图1所示，A为电磁铁，C为胶木秤盘，A和C（包括支架）的总质量为M;B为铁片，质量为m。整个装置用轻绳悬挂于O点，当电磁铁通电时，铁片B被吸引加速上升的过程中，轻绳的张力F的大小为（     ）

②整体分析法：将A、B、C和支架四者看作一个整体，其受到竖直向下的重力（M+m）g和竖直向上的拉力F（数值上等于绳中张力大小）。該整体内具有竖直向上的加速度，该整体处于超重状态，因而F>（M+m）g。

多数学生在解答本题时往往不能直接窥见其核心考点——超重与失重，尤其物理基础薄弱的学生，在分析系统的超重、失重问题时更是感觉无从下手，只得猜选答案应付了事。使用隔离分析法解题的学生在分析系统内各部分的受力情况时也易出错，如没有意识到A、B之间的电磁吸引力是一对相互作用力，未获取到A一直处于平衡状态的信息等。教师若先给出问题的答案，再引导学生自主解释，可促进学生渐进、自然地认清问题本质，理清解题思路。教师还可以让学生把对答案的解释以书面文字符号的形式进行记录，或进行有条理的口述，有效监控学生的学习过程，及时跟进评价与反馈。

2.2    填空题例——动量守恒定律

题目 静止的小车放在光滑的水平面上，小车立柱上固定一条另一端系有小球的细绳，现将小球拉开到一定角度，如图2所示，然后静止释放小球，不计一切摩擦。在以后的过程中，当小球向左摆动时，小车          （填“向左”“向右”或“不”）运动;小球的机械能          （填“守恒”或“不守恒”，后同），动量          ;小车与小球组成的系统机械能          ，动量          ，水平方向动量        ，竖直方向动量          。

【答案】向右;不守恒;不守恒;守恒;不守恒;守恒;不守恒。

解析 机械能守恒定律：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以互相转化，而总的机械能保持不变。

动量守恒定律：如果一个系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0，这个系统的总动量保持不变。

①分析车与球组成的系统。车球系统整体受到竖直向下的重力以及地面对它竖直向上的支持力。当小球摆至最低点时，处于超重状态，故系统所受支持力大于重力，竖直方向所受合外力不为0;又因为系统水平方向不受外力，综上所述，系统水平方向动量守恒，因而当小球向左摆动时，小车向右运动;竖直方向动量不守恒，同时总动量不守恒。整个过程中，车球系统内只有重力（对小球）和细绳弹力（对小球和小车）做功，因而系统机械能守恒。

②分析小球。小球在摆动过程中受到竖直向下的重力以及细绳对它沿绳方向的拉力，二力矢量和不为0，且重力和细绳拉力均对小球做功，故小球的动量和机械能均不守恒。

本题综合考查学生对单个物体和系统的机械能守恒定律、动量守恒定律的理解。机械能守恒定律是标量守恒律，动量守恒定律是矢量守恒律，二者性质不同。本题针对同一物理情境连续发问，动量守恒定律的初学者易忽视动量的矢量性，将“动量守恒”与“某方向上动量守恒”混为一谈;或将机械能和动量的守恒条件混淆。经教学实践验证，将问题的答案告知学生后，请他们对答案进行合理解释，发现这样做的教学效果比直接要求学生给出答案更好一些。

2.3    判断题例——平抛运动

题目 如图3所示，ab为竖直平面内的半圆环acb的水平直径，c为环上的最低点，环半径为R。将一个小球从a点以初速度v0沿ab方向抛出，设重力加速度为g，不计空气阻力，则当v0取适当值时，小球可以垂直撞击圆环。（    ）

【答案】 ×

解析 物体做平抛运动的过程中，任一时刻物体速度的反向延长线与以抛出点为原点建立的水平方向x轴的交点为水平位移分量的中点。假设小球可以垂直撞击半圆环cb段上某位置，则撞击时速度的反向延长线必过圆心O，但此时小球的水平位移一定不足2R，圆心O一定不处于小球水平位移的中点位置。因此，假设不成立。

本题属高频易错题，学生往往根据问题描述，在配图上粗略勾勒物体的运动轨迹，想当然地认为物体是可以垂直撞击圆环的。出现错误的原因归根结底是没有深刻理解上述平抛运动规律的推论，而且本题配图具有很强的迷惑性，学生徒手描绘运动轨迹难以做到精确、标准。学生面对这种巧妙定性考查物体运动规律的题目大多凭感觉作答，学生是否真正明确物理规律的深刻内涵值得教师深思。经教学实践验证，给出答案后，多数学生（包括起初对答案存疑的学生）能够通过思考给予合理的答案解释，对平抛运动规律的认识和理解也变得更加清晰、深刻。

2.4    计算题例——带电粒子在组合场中的运动

题目 现代科学仪器常利用电场、磁场控制带电粒子的运动。真空中存在着如图4所示的多层紧密相邻的匀强电场和匀强磁场，电场与磁场的宽度均为d。电场强度为E，方向水平向右;磁感应强度为B，方向垂直纸面向里。电场、磁场的边界互相平行且与电场方向垂直。一個质量为m、电荷量为q的带正电粒子在第1层电场左侧边界某处由静止释放，粒子始终在电场、磁场中运动，不计粒子重力及运动时的电磁辐射。

（1）求粒子在第2层磁场中运动时速度v2的大小与轨迹半径r2;

（2）粒子从第n层磁场右侧边界穿出时，速度的方向与水平方向的夹角为θn，试求sinθn;

（3）若粒子恰好不能从第n层磁场右侧边界穿出，试问在其他条件不变的情况下，也进入第n层磁场，但比荷较该粒子大的粒子能否穿出该层磁场右侧边界，请简要推理说明之。

本题是2015年天津高考理综真题，第1问难度较低，第2问难度较高，而求解第3问主要依赖第2问的结果，多数学生求解此题难以取得较高分数。在题设情境中，电场力对粒子做功，而洛伦兹力对粒子不做功，第1问应用动能定理和洛伦兹力充当粒子做圆周运动向心力的公式即可解出答案。

第2问考查粒子从第n层磁场穿出时的几何参数，绝大多数学生难以将对应的物理情境构想清晰，这个不确定的代数“n”使他们产生畏惧和抵触心理。加之计算题题型限制，基本不存在猜对答案的可能性，许多学生只能盲目写公式“凑分”，然后跳过不解。

本题考查的递推思想是学生感觉题目难解的根源所在，学生可以写出粒子经过n次电场，电场力对粒子所做的功，也可写出在第n个磁场中洛伦兹力充当粒子做匀速圆周运动所需向心力的方程，但难以建立粒子进出某磁场时的速度与磁场边界所夹角度的关系，茫然不知求解的突破口是什么。面对学生的这种状态，教师此时若将关键解题步骤或关键提示（如粒子在电场中运动时竖直方向的分速度不变）给出，并组织学生分组讨论，让学生通过自我思考和同伴研讨保证答案解释自洽，学习效果要比教师直接给学生讲解好得多。同时，学生“知之为知之，（下转第13页）（上接第8页）不知为不知”的学业诚信态度也在此过程中得到潜移默化的培养。

此外，考虑到题目难度，建议教师根据学生的实际情况分层教学，针对具有不同学习基础的学生因材施教，为学生设置兼具层次性与发展性的学习目标，提高教学效率，增进教学效果。

3    小结与展望

基于学生答案解释的高中物理习题教学模式对增进新课初学者和学困生的学习效果有较大帮助。高中物理知识的复杂度、抽象性和逻辑性均较初中有较大提升，多数学生初次直面复杂习题难以独立解决，练习的效率低、效果差，传统的“教师布置—学生完成—教师讲解”的习题教学模式易使学生思维僵化，继而产生倦怠情绪。基于学生答案解释的高中物理习题教学模式，一方面可以促进学生积极回忆和应用所学知识综合分析问题，理清解题思路，掌握关键步骤，形成全局意识，同时有效培养了学生的解题规范性以及对科学范式的接受与掌握。采用该种教学模式也需考虑如何有效调动学生解答物理习题的积极性，如何恰当处理教学时间与课堂容量的关系等问题。

当前全国多地已陆续开展新一轮高考综合改革，高中物理因学科知识难度较大，物理在多门选考科目中的选择比例不占优势。虽然诸多高校针对部分专业招生提出了选考物理的要求，但仅靠外在制度促使学生选择还是机械的。物理学是一门规范、严谨、与国家科技发展密切相关的重要自然基础学科，兼具丰富的逻辑性与趣味性，要真正提高学生对物理学科的学习积极性，走近物理世界，感受物理之美，还需广大物理教师和教科研人员一起努力，对教学内容与方法进行长期持续的探索和改革。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]乔际平，邢红军.物理教育心理学[M].南宁：广西教育出版社，2002.

[3]闫金铎，郭玉英.中学物理教学概论（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]许冉冉，胡扬洋，邢红军.我国物理习题教学思想的回顾与反思[J].北京教育学院学报（自然科学版），2016，11（3）：42-48.

[5]贺向向，李卫东，刘艳峰.高中物理习题教学中学生思维品质的培养[J].物理教师，2018，39（9）：5-8.

[6]潘华君，赵乃虎.“说题”模式在高三物理习题教学中的应用[J].中学物理教学参考，2014，46（6）：49-50.

（栏目编辑    赵保钢）