基于核心素养的高中物理单元习题设计

黄建安

（罗源第一中学，福建 福州 350600）

物理核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面［1］，四者相互依存共同组成一个有机整体。基于“核心素养”的物理单元习题是物理课程的一部分，设计目标是突出习题辅助“学”功能，追求在此过程中培养学生优秀的个人品格与解决实际问题的能力，淡化习题“测”的功能。学生通过完成单元习题对单元知识进一步的梳理，实现内容的体系化，形成正确的价值观、必备品格和关键能力。笔者以电磁感应定律、楞次定律大单元知识为例，对此单元核心知识“电磁感应条件与应用”强化知识体系构建立过程中如何提升学生物理核心素养进行探讨。

一、基于实际物理情境培养物理观念

物理观念是关于物质能量运动等客观存在的基本认知，在高中物理课堂教学过程中，涉及各种概念和理论，这些内容有的非常抽象，学生难以理解。笔者在调查学生物理解题过程中遇到主要困难的问卷内容与结果（见表1）。

表1 学生物理解题过程中遇到主要困难（有效填写801人次）

从表1 数据可知除了审题情况与数学能力外学生主要问题集中在对物理知识的掌握与物理情景的建立上。实际上，物理规律是在大量感性认知的基础上形成的，因此离不开实际的物理情境。在设计单元习题时，可以将抽象的物理概念和规律融入实际问题情境中。这不但可以为学生认知提供鲜活的背景，而且可以成为连接知识和实践的纽带，实现“学”为主的设计理念，强化物理观念的培养。如例1 在设计构建电磁感应核心知识体系的习题中，设计电磁感应与生活紧密联系的情境培养学生物理观念：

［例1］随着科技的不断发展，无线充电已经进入人们的生活。某品牌手机的无线充电原理如图1 所示，关于无线充电，下列说法正确的是（ ）。

图1

A.充电底座中的发射线圈将磁场能转化为电能

B.充电底座可以直接使用直流电源实现对手机的无线充电

C.通过接收线圈中的磁通量变化率增大

D.充电时接收线圈利用电磁感应原理获取电能，充电过程能量守恒

［设计意图］基于实际的物理情境将无线充电与电磁感应知识点相联系，直接将抽象的物理知识规律转化为具体的应用情景。在激发学生兴趣的同时引发更深入和广泛的思考：没接触为什么可以充电？原理是什么？本质是什么？学生潜意识里带着这三个层层递进的问题分析答案。习题知识点设计上，选项A 突出基础知识理解及研究对象的选择；选项B 引导学生回顾磁生电原理，强化电磁感应中对磁通变“变化”理解；选项C 进一步引导学生细化磁生电条件的学习，组建核心知识小体系；选项D 将单元知识体系升华至普遍规律的应用，从能量角度强化学生物理观念。通过四个问题选项的合理设置将电磁感应的相关知识点从生活应用中提取出来，完成电磁感应条件、场能关系相互关联的知识体系的构建，促使学生能量、相互作用等物理观念的形成。

二、基于基础分层培养物理科学思维

新课程标准要求学生具有物理科学思维能力，能从客观现象出发建立物理模型，通过分析综合、推理论证等方法挖掘事物本质；能对不同观点和结论进行质疑与批判来进行检验和修正，从而进一步提出创造性见解的能力与品格。［2］笔者对学生希望教师设计什么样单元习题的问卷调查结果如下（见表2）。

表2 希望教师设计什么样单元习题（有效填写801 人次）

由表2 中数据可知，69.79%的学生对锻炼科学思维能力习题感兴趣，这对教师顺利开展培养学生物理科学思维能力训练提供了良好的先提条件。从选项A、C 结果分析多数学生希望习题具有基础性、系统性及层次性。因此，在设计单元习题时可以面向基础知识设计易于建模并能引发进一步思考的分层习题。学生在由浅入深的思考中达到对知识的深层理解形成知识体系。在体验成功、培养信心的基础上再分层阶梯式提升，实现科学思维的训练。如例2 在设计电磁感应与动力学综合应用的作业中，呈现运动状态与思维状态都从简单到复杂过程，层次分明。

［例2］如图2 所示，匀强磁场上方有一闭合导体矩形线框，从静止开始释放，下边与上边分别在t1、t2时刻平行磁场水平边界线OO′进入磁场。磁场方向垂直线框平面，线框竖直下落且不变形。（磁场范围足够大，空气阻力忽略不计），若可从不同高度释放线框则其图象可能正确的是（ ）。

图2

［设计意图］本题入题基于简单受力与运动模型，学生容易将其运动分为三个过程。第一过程线框ab边进入磁场前只受重力，根据力与运动关系学生可直接建立线框做初速度为零的匀变速直线运动模型，让全体同学都“学有所获”；第三过程线框cd 边进入磁场后又是只受重力作用做匀变速直线运动。中等基础同学经过简单分析、对比易发现一、三这两个过程受力情况相同加速度相同即图线斜率相同。学生通过这一训练，从模型的建立到过程的选择逐渐提升到总结解题规范，提炼方法，梳理已学知识点之间的内在关系，实现本章内容与动力学的融合。第二过程是本题的“难”点，但是方法与另两过程本质一样，对于程度较好的学生可以发现安培力与重力大小关系未定，具体运动模型无法建立，必须进行分类讨论进行突破。根据学生不同认知水平，以“人为本”层层递进的设计在知识体系化过程中提炼方法，全体同学都能“获有所求”，在追求更高目标过程中实现培养学生物理科学思维。

三、基于实验培养物理科学探究能力

科学探究指的是一种能力，用于对观察和实验现象提出物理问题，形成猜想和假设，设计实验与制定方案，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对科学探究的过程和结果进行交流、评估、反思。［3］笔者在研究学生对高中物理学科评价的问卷调查内容与结果（见表3）。

表3 你对高中物理学科的评价（有效填写801 人次）

由表3 中数据可知超91%的学生认为物理是一门以实验为基础的学科，超67%学生认为物理可以培养科学探究能力。基于物理实验培养学生的科学探究能力可以实现物理学科学习规律与学生对本学科认知的统一。实验目标与原理是整个探究过程的终点与起点，单元习题试题的命制应以实验目标为驱动，实验原理“护航”，力求再现完整的科学探究过程，在解决实际问题的学习中提升科学探究水平。如为进一步细化学生对电磁感应定律的学习理解，将相关知识构建“点－面－点”的知识体系，提升学生科学探究能力。设计如例3：

［例3］为探究感应电动势影响因素，提供如下器材：电源，导线，开关，电流计，滑动变阻器，螺线管（线圈匝数可变），条形磁铁，请根据提供器材结合本单元知识回答：

1.如何探究影响感应电动势是磁通量变化率还是磁通量变化量（请提供设计方案）。

2.探究线圈匝数对感应电动势影响时如果：

（1）其他条件不变只顺原绕线方向增加小线圈匝数将观察何现象

（2）其他条件不变只逆原绕线方向增加小线圈匝数将观察何现象请解释原因。

［设计意图］教学实践中发现大量学生对于法拉第电磁感应定律的理解更多地停留在结论应用上，对于磁通量的变化率，尤其是磁通量只有大小但有正负的理解比较模糊。该实验习题：第一小题以目标为驱动，立足课本知识，学生利用控制变量法结合所学单元基础知识即可设计实验。习题设计上突出通易错点，加深认识感应电动势影响因素，将单元知识自主设计组合，形成完整知识体系，从而促进从现象、形式到本质的提升理解。第二小题问题（1）立足于基础理解感应电动势与匝数关系进一步强化基础知识的常规理解；问题（2）对传统实验进行创新与提升，实现结果是匝数越多感应电动势越小。在貌似矛盾中实现对电磁感应定律中磁通量的“精细化”理解，从而巧妙地突破知识的难点。此实验习题设计突出了习题“学”功能的“阶梯”作用，以问题为导向逐步引导学生进行更深层次的探究，实现了物理学科探究能力的提升。

四、基于德育与物理知识融合培养科学态度与责任

《高中物理课程标准（2017 年版）》中对课程性质的表述中将落实立德树人的根本任务放在首位。笔者调查教师在习题设计中有何偏向的问题中内容与结果（见表4）。

表4 教师在习题设计中有何偏向（有效填写801 人次）

从数据上看目前物理教师设计习题过于偏向物理的知识性与物理解题方法指导上对结合生产实践体现现实价值与德育融合的要求偏低，说明部分教师对物理学科的价值取向进行了狭隘地理解。作为高中物理教师有义务与责任对我们的教学进行反思，呈现物理习题教学的多样性与教育目标全面性。学生完成作业的过程既是二次学习完善知识网络的思维过程，也是科学态度、价值观形成过程。在习题设计时，要根据物理学科的特点，结合单元知识深入挖掘德育因素从情景、问题设计、课堂评价等各环节捕捉契机，将德育与物理知识融合，促进学生全面发展。为实现德育与物理知识融合，笔者进行习题情景设计，如例4：

［例4］我国未来航母将实现以常规动力而能用电磁弹射器的创举，性能将完胜美军现役的福特级航母。其工作原理如图4 所示，利用与飞机前轮连接的通电导体在两平行金属导轨的强电流产生的磁场中受安培力作用下加速获得动能。设飞机质量为m=1.8×104kg，起飞速度为v=70m/s，在没有电磁弹射器的情况下，飞机从静止开始起飞距离为L=210m；起飞过程所受平均阻力为机重的0.2 倍，在电磁弹射器与飞机发动机（牵引力不变）同时工作的情况下，起飞距离减为70m。强迫储能装置提供瞬发能量，利用电容器（电容量C极大）储存电能，如图5 是电容器的带电量q与极板间电压U的关系曲线，假设电容器释放全部电能等于安培力做的功，W电=CU2/2 取g=10m/s2，求：

图4

图5

（1）飞机所受牵引力F 的大小。

（2）安培力对飞机所做的功W 大小。

（3）电源对电容器充电电压U 约为多少伏。

［设计意图］习题的情景引入是以国人引以为豪的国产航母为背景，学生在审题中民族自豪感油然而生。问题设计上：层层递进方式设置阶梯实现力、运动、能量知识的深度综合，将单元知识融入已学知识中，进一步完善动力学与能量知识体系。习题情景与问题设计同时为德育与物理知识的融合提供良好的素材。教学中对比美军现役的福特级航母介绍我国新航母技术优势及高效节能特点融入绿色环保理念，号召学生学习我国工程师不畏艰难，攻克难关的精神。润物细无声的，实现德育与物理知识的融合，增强全体师生实现强国梦的信心。

总之，基于核心素养的高中物理单元习题设计是高中物理课堂教学设计的延伸。高中物理教师必须基于培养学生物理核心素养为目标，以学生的现有认知与未来发展为本。在构建知识体系与能力培养上，立足双基，优化呈现方式，通过分层理解应用实现能力的升华；在立德树人上，基于德育与物理知识融合，落实社会主义核心价值要求，追求价值为导向、学科知识教育和能力培养协调发展的单元习题设计模式。