从几道物理题看物理学科的核心素养

黄永

（苏州实验中学科技城校，江苏 苏州）

物理课程标准提出的4个学科核心素养中，“物理观念”代表知识的内化，是其他核心素养的基础[1]，“科学思维”和“科学探究”是关键能力，“科学态度与责任”是必备品格[2]。

运动与相互作用观念贯穿高中物理教学的全过程,是构建物理学科核心素养的基础和重点[3]。比如高中物理必修一第一章节《运动的描述》，是整个高中物理的基础，提供了学习高中物理的基本物理量以及研究环境。基础知识不代表就是简单知识，对基础知识的考查，也不局限于简单的记忆，而是对物理观念的深刻理解，甚至是知识的迁移。比如，一个核反应方程式的考查：中子束轰击氮核，生成碳14与未知物，求解未知物是什么。本题只是考查了核反应方程这一物理观念，但实际上绝大多数学生无法获得答案。学生的疑问是到底有多少中子参与了核反应。几个中子可能同时进入同一原子核，因为题干中说的是“中子束”轰击氮核，而中子束里有很多中子。实际上这只是字面上的理解，学生并没有结合核反应这一物理规律的实际情况是中子进入氦核可能性非常小，不太可能多个中子同时进入氦核发生核反应。所以，教师在教学过程中不能忽略一些必要的物理事实的解释。

所以，不要小看物理观念，它是我们进一步深入研究物理现象与规律的基础。只有对物理观念深刻理解，才能让我们的理论推导、科学探究能够有理有据地顺利进行。为了让学生重视物理观念，在考试中，考卷都是以基础知识、基本方法为主，适当添加一些有区分度的题目。这样做的目的，一方面在于保护较为普通的学生，让他们巩固好基础知识的同时，不对物理产生恐惧；另一方面在于挑选出物理学得较好的学生，可以在平时的练习布置和题目讲解中进行量身定制，促进其快速发展。

物理课程标准明确“科学思维”包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[4]，“科学探究”包括问题、证据、解释、交流等要素[5]。

一、选择理科的学生必须学会建立物理模型

现在的物理习题绝大多数是简单的模型，无论是老师教还是学生学，都感到很简单。但这不是模型建构，只能算是认识模型，生搬硬套知识点而已。学生应该学会把生活中的实物、实际过程抽象出来，去伪存真、去粗取精，变成简单的物理模型。这就需要学生在物理模型的学习过程中多观察、多思考、多练习、多接触生活。让物理模型不再神秘，进入我们的生活中来。只有在不断运用的过程中，学生才能体会到从生活实例到物理模型的乐趣，也将提高建模的熟练度。

模型构建来源于生活，只有热爱生活、热爱物理的学生才能乐此不疲地在生活中体会物理的乐趣。比如，生活中常见的一堆沙子，在底面积已知的情况下，沙子堆到一定的高度就无法再堆了。当我们第一次见到这样的题目时，是不是感觉无法下手？这是一道关于斜面动力学的题目，沙子无法再堆的原因是什么？是斜面太陡了，沙子容易打滑。打滑是什么意思？摩擦力达到最大值，即滑动摩擦力。接下来利用斜面上的三力平衡即可求得斜面倾角，进而根据几何关系可得沙子高度。

从这道简单的物理建模题型可以看出，物理建模在物理解题、解决生活中的问题的重要性。而且在分析的过程中，需要我们具备最基本的物理观念——最大静摩擦力、三力平衡，需要我们熟悉最基本的模型——实物模型、过程模型、数学模型。沙子这一研究对象，可能就已经难倒一大批学生了，因为在平时练习中几乎从来没有研究过一颗沙子的动力学。实际上牛顿的动力学在一切宏观运动中都适用，大到宇宙中的天体，小到空气中的尘埃。所以本题一旦物理模型构建成功，剩下的就是物理基本观念的运用，再难的题目也能迎刃而解了。

二、如何理解科学推理与科学论证

凡事需要讲依据，依据就是已知的物理观念。比如，在万有引力这一知识点的教学过程中，我们会遇到关于求地球内部某点的重力加速度的问题。在求解这一问题时，我们需要提前理解万有引力公式，知道万有引力公式的适用范围，万有引力公式中各字母代表的意思。在这一前提下，很容易知道，万有引力公式不适用这种情况。接下来就是本题关键的突破口了，题目中有一已知条件，球壳对内部没有万有引力。所以，可以过地球内部所求的这个点，以地球球心作一个球，这个辅助球外面就是球壳，可以忽略不看。至此，本题就简化为一个质量分布均匀的辅助球体对其表面上一点的万有引力问题。

这一题在万有引力这一知识点中，应该属于中等偏难的题目了。但其实要想解决这个问题，只需要我们具备一些基本的物理观念与几何知识。最重要的是，当我们无处下手时，需要的是冷静的思考，思考我们学过的知识。借助科学的推理、科学的物理方法，必定可以化繁为简，迎刃而解。

物理方法需要平时的积累与不断地运用，才能在需要的时候信手拈来。只有在平时对各种物理方法不断使用，才能在考试过程中使用得更加得心应手。比如，在电场强度这一节的教学中，我们会遇到求解非常见电场的电场强度的问题，比如带电球壳、半球壳。而这类问题在电场这一节属于中等偏难题型，因为它包含着对物理方法的灵活应用。牢牢抓住题目中的唯一已知条件，带电球壳对内部电场强度为零，意味着两个半球壳的电场强度在球壳内相互抵消，即两半球在某处的场强大小相等，方向相反，再根据对称性，可以求解本题。

本题属于场强的计算问题，但没有运用任何场强公式求解，用的只是对题目的理解与对称性这一物理方法。但如果认为这个知识点很简单，就大错特错了。对称思想在这一题里需要多次运用，多次转换，学生在第一次接触时，很容易弄错。所以关于这个知识点的讲解不能快，最好引导学生来解决。高中学生已经有足够的思考能力，我们为什么不把他们超强的思维给开发出来呢？

三、如何理解质疑创新

质疑是高考对学生的更高要求。质疑不是随意否定，而是在一定的依据下进行推理，从而形成自己的独特的观点。质疑是否正确，取决于学生的推理过程是否符合科学。这就需要学生具备一定的物理基础知识，掌握足够的科学方法，有一双善于观察的眼睛、一个爱思考的大脑，提出合理的猜想，进行科学推理，才能得出正确的结论。

随着物理高考的不断改革，试题的新意越来越多，试题的开放性、实验的探究性是对学生的全方位的考查。试题的开放性导致题目与生活实际关联变得更紧密，需要学生用物理观念来处理题目中的一个又一个知识点，用成熟的科学思维建立合理的物理模型，借助严谨的推理过程理清内部各种关系。

实验的原型来源于教材，但又与教材不完全相同。也就是在考试中出现的实验已经变了样。这就需要学生有一双火眼金睛，能够准备识别出它的实验原理，而不能单凭死记硬背。所以在平时的教学过程中，需要多一点教材的挖掘、多一点实验原理的理解、多一点科学方法的探究。学生在学习过程中探究透了、理解透了，自然在练习过程中就能适应实验形式的不断变化。

机械能守恒实验是非常重要的高中物理力学实验。我们以这个实验为例，研究学生需要具备哪些能力。在历次的考查中，我们可以发现，学生最容易出错的就是实验原理。我们总认为，学生连机械能守恒定律计算题都搞定了，这小小的实验还能不理解吗？殊不知，在实验操作题面前，一个小小的动力学可能就要难倒一大片了。比如，在探究连接体的机械能守恒实验中，要求写出验证机械能守恒的表达式。因为涉及了连接体，很多学生对于重力势能、动能的变化就难以看清了，甚至研究对象是连接体都不知道。所以，无论什么实验，实验原理这一物理观念必须熟练掌握。

无论是研究单个物体的机械能守恒，还是研究连接体的机械能守恒，实验原理都是重力势能与动能的相互转化。在考试、生活中，我们可能会遇见不同模型，但实验原理是不会变的。我们在平时的练习中，重点对这两种模型进行讨论，目的在于对原理的理解与巩固。了解模型不是目的，理解实验原理才是目的。所以我们平时的教学过程中，可以让学生多见识一些实验设计，使其有更多的练手机会，从而能够更深刻地理解实验原理。

以自由落体为例的机械能守恒实验中，需要我们判断V2-h图像满足什么关系时，机械能守恒。做这一题时，很多学生是在猜想，正比或反比。经统计，90%以上的学生在这一题会出错。因为它不仅仅是正比反比的问题。这就又回到了前面说过的，我们在学习过程中需要严谨的科学推理，不能做随意的判断。我们的所有判断都应该来源于科学论证。