面向学生科学思维发展的习题教学设计

摘 要：设计符合学生科学思维水平层次的习题教学是培养学生物理学科核心素养的关键组成部分。本文从高中物理习题教学的改进对策、面向学生思维发展的习题教学设计两个维度，深入阐述如何科学合理地建构促进学生思维发展的习题教学设计。

关键词：习题教学；科学思维；电容器问题

1 习题教学的现状分析及对策

1.1 对习题教学的认识

科学思维的有效培养是提升学生核心素养的重要环节。科学思维贯穿于课堂内外，可以帮助学生实现从浅层记忆到深度学习的转变。习题教学的目的是使学生利用所学概念、公式、规律等，通过模型建构，进行科学推理，再进行科学论证，最终提出质疑并勇于创新，以此锤炼和提升学生的科学思维能力。习题教学是促进学生从低阶思维到高阶思维转变的有效途径，是学生利用已有知识进行综合分析和解决问题的试金石，是教师对学生学习成效进行即时反馈与评价的重要方式。为了更好地促进学生科学思维的培养，教师必须充分认识到习题教学的重要作用，并予以高度重视。

从习题教学的功能视角来看，情境问题链教学、限时训练等方式能够将回忆提取、建模分析、推理解决、反思论证、巩固深化及创新等关键环节有机融合，形成一条贯穿学生学习全过程的主线。通过这些方法，学生能够逐渐形成独特的思维见解，实现深度学习。习题教学还通过习题调研来呈现和剖析学生的学业水平质量与综合素质，同时反馈教师在教学中的不同表现，帮助教师及时调整教学策略。习题教学不仅能够帮助学生对物理观念再理解、对科学思维再深化、对科学探究再演绎，更能够帮助学生对科学态度与责任再实践。教师可以根据教材开发出习题教学的相关辅助功能。

1.2 习题教学的课堂模式

由于课时紧张，一些教师选择一讲到底、就题论题的教学方式，甚至直接展示参考答案。这种做法不仅无法有效提升教学效果，更不利于学生核心素养的培养与达成。那么，怎样的习题教学课堂才能称得上是好课堂呢？

首先，教师可选择一个典型的综合情境问题，并围绕其进行设计，通过设置问题链或问题串，逐步铺设思维台阶，以层层深入的方式，引导学生的思维实现螺旋上升。同时，教师可以设置情境不同，但解题思路和方法相同的习题，帮助学生在生生合作、互动交流、主动探究和自主表达的过程中，激发科学思维的运用。其次，教师对所设置问题的解决方式要有预设。例如，问题可能既可以利用运动学结合牛顿运动定律解决问题，也可以利用动能定理结合能量守恒定律解决问题，还可以利用动量定理结合动量守恒定律解决问题。这种预设不仅考虑了问题解决的普遍性和特殊性，还为学生提供了多元化的思考路径。最后，教师在设计习题时，应启发和引导学生提出更多见解，鼓励他们对问题进行变式迁移、归类提炼、规律总结，并在此基础上实现创新升华。另外，教师可以结合科技与生活，创造出新的问题情境，使学生的科学思维能力得到全面的培养。这种习题教学模式不仅能够覆盖科学思维的各个维度，还能促进这些思维能力成为学生的内在能力与素养，最终实现思维能力本能化。

1.3 习题教学的习题选择

市面上的各类同步练习和辅导书往往趋于同质化。然而，由于学生群体中存在个体的差异性，单一依赖统一订阅的教辅资料难以实现因材施教的教育原则。由于学生认知程度和理解水平不同，教师应该研究学情，选择适合学生能力的习题。教师可以充分利用教辅书、各大习题网站及物理教师联络群中的丰富电子资源，这些资源涵盖了各类新授课习题、专题训练、模拟试卷和历年真题等。教师可以根据需要将不同的题目归入相应的板块，并依据难度按易、中、难将题目分类。接着，教师需要从题库中挑选适合学生能力的问题进行设置和改编，力求实现一题多解、多题归一的效果。备课组通过分工合作、讨论教研，最终形成符合学生学情的习题教学方案。［1］在课堂上，教师应给予学生更多思考时间，使他们顺理成章地将知识序列化、内化、活化与深化，从而真正掌握所学知识。

2 面向学生科学思维发展的习题教学设计与实施策略

高中物理习题教学的高效性直接关乎学生解决情境问题能力素养的提升。物理学科核心素养中的科学思维主要包含模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，而科学思维水平通常分为五个层次，引导习题教学设计的科学设置是实现“教—学—评”一体化统一的关键。科学合理的习题教学设计，不仅能够检验学生对物理知识的掌握程度，还能评估他们在知识的深度、效度和迁移度上的表现。通过有效的习题教学设计，教师能够引领学生从低阶思维向高阶思维转变，实现从浅层记忆到深度学习的质的飞跃。下文以电磁感应中有外力充电式的电容器问题为例，浅述面向学生科学思维发展的习题教学设计实施策略。

情境1：如图所示，光滑平行金属导轨MN、PQ放置在同一水平面内，M、P之间接电容器，电容器的电容为C，金属棒ab垂直导轨放置，不计所有的电阻。整个装置处在竖直向上的匀强磁场中。t＝0时对金属棒的中点施加水平向右的恒力F，在电容器被击穿前，金属棒的速度v、通过金属棒的电流I、通过导轨横截面的电荷量q和拉力的功率P是如何变化的？

2.1 模型建构

本题围绕“情境、问题、过程”三方面展开，融合了电容器与电磁感应的内容，通过外力拉动单棒切割的情境问题，引导学生进行探讨。在教学过程中，教师引导学生回顾物理概念、基本公式、基本规律和基本模型，并帮助学生建构和分析模型，抓住主要因素，忽略次要因素，建立符合学生科学思维水平的理想化模型。

2.2 科学推理

针对具体问题，教师引导学生由浅入深地分析，将情境化题目演化为非情境化题目，进而探讨问题解决的全过程。教师通过科学逻辑，引导学生逐步深入分析受力情况、运动状态、能量的组成与变化，同时考虑通过导轨横截面的电荷量等因素，层层剖析，直达问题的本质。

问题1：金属棒受到哪些力的作用？

生：恒力F、安培力F_A＝BIL（重力与支持力平衡）。

问题2：初速度为零，金属棒先做加速直线运动（后续做什么运动稍后讨论），加速度如何表达？

问题3：金属棒的加速度表达式中自变量和因变量分别是什么？

生：金属棒的加速度表达式中自变量和因变量分别是电流I和加速度a，加速度a随着电流I的改变而改变。

问题4：根据表达式，讨论加速度a，必先讨论电流I怎么变？那么电流I又如何表示呢？

问题5：该电路中，Δt时间内，流过导轨横截面的电荷量Δq与电容器带电荷量的增加量ΔQ，有何关系？

生：Δt时间内，流过导轨横截面的电荷量与电容器带电荷量的增加量相等，即Δq＝ΔQ。

问题7：电容器充电电压增加量ΔU与金属棒产生的感应电动势增加量ΔE的关系是什么？

生：电容器充电电压增加量ΔU与金属棒产生的感应电动势增加量ΔE的关系为ΔU＝ΔE。

问题8：金属棒产生的感应电动势的增加量ΔE与速度增加量Δv的关系是什么？

生：金属棒产生的感应电动势的增加量ΔE与速度增加量Δv的关系为ΔE＝BLΔv（BL是常数）。

问题9：回到问题2，金属棒的加速度a是怎样变化的？

问题10：既然a不变，则I＝CBLa也不变。那么在开始时的时间Δt内，流过导轨横截面的电荷量Δq为多少？有哪些方法可以求解？

生1：根据电流定义式的变形式，因为Δq＝IΔt，所以Δq＝CBLaΔt。

生2：运用动量定理，因为－BILΔt＋FΔt＝mv₁－0，v₁＝aΔt，可得F－BIL＝ma，I＝CBLa，所以Δq＝CBLaΔt。

生3：流过导轨横截面的电荷量Δq等于电容器带电荷量的增加量ΔQ，即因为ΔQ＝CΔU＝CΔE＝CBLΔv＝CBL（aΔt－0）＝CBLaΔt，所以Δq＝ΔQ＝CBLaΔt。

2.3 科学论证

科学推理的科学性、普适性需要通过科学论证来验证。科学论证使学生的学习更具科学性、探究性和生成性，有效促进学生对科学本质的理解和再认识。科学探究的实践过程本质上是科学论证的过程，即从证据出发，通过推理和实践支持科学主张的过程。这一过程对于促进学生科学思维的发展和深化具有显著作用。

问题1：在电学实验中，如何论证开始时的时间Δt内，流过导轨横截面的电荷量Δq？需要注意哪些特点？

生：①导轨与导体棒的电阻难以忽略，可以等效为小电阻来替代；②捆绑在一起的马蹄形磁体两极之间或者靠近的条形磁体的异名磁极之间的磁场可视为匀强磁场；③也可使用亥姆霍兹线圈来产生匀强磁场并测量出其磁感应强度B。

师：同学们的想法都很具针对性，实际操作还需要科学的设计和严格的操作，充分利用各类传感器来实现数据的可视化。

问题2：如何有效控制恒力F不变，有什么好的创意？

生：可将实验装置中恒力F进行替换，细线一端固定在金属棒上，另一端通过定滑轮悬挂一个质量m′的物体（见图1）。

对ab进行分析，m′g－T＝m′a，T－BIL＝ma，可得出T为恒定值。

问题3：怎么计算在开始时的时间Δt内，流过电路导轨横截面的电荷量Δq？

生：①使用传感器，导出I-t图像，图像与横轴所围面积等于电荷量；②使用Δq＝ΔQ＝CBLaΔt计算（a可以通过光电门计算得出），比较两种不同方法得出的结果是否在误差允许范围内相等。

2.4 质疑创新

质疑创新主要包括直觉联想、迁移思维、质疑精神，以及建构创新方法。质疑创新基于事实证据和科学推理，鼓励学生针对不同观点和结论提出质疑和批判，并进行检验和修正，从而提出创造性见解。质疑创新不仅体现了批判性思维和高阶思维的能力，也是学生将知识序化、内化、活化和深化的表现。

师：原始模型是否具有普遍性？有没有其他类似模型？

生：可得出类似模型如图2、图3所示，并且科学推理各个物理量。

师：请同学们基于以上深度理解，提出变式模型，并辨析与上述模型的异同。

生：通过讨论合作得到情境2。通过金属棒有效长度与位移的关系，得出金属棒有效长度变化量与位移变化量的关系，与情境1形成鲜明对比。

情境2：如图所示，两光滑导轨水平放置在竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度大小为B，导轨间距最窄处为一狭缝，取狭缝所在处O点为坐标原点，狭缝右侧两导轨与x轴夹角均为θ，一电容为C的电容器与导轨左端相连，导轨上的金属棒ab与x轴垂直，在外力F作用下从O点开始以速度v向右匀速运动，忽略所有电阻，则电路中电流是如何变化的？

师：本题中金属棒ab做匀速直线运动，所以是哪个物理量引起动生电动势的变化？位移x与该物理量的关系是什么？

因为E＝BLv，所以ΔE＝BvΔL。

师：请同学们结合情境1的推导方式，推导电流的表达式。

借鉴情境1的解析，学生们的问题得到顺利解决。在未来的教学中，教师可以收集更多形似或神似的情境问题进行比对，通过科学探究，创新出更多高质量的情境问题。通过这种方式，教师可以成为命题专家，实现自身素养的提升和飞跃。

3 结语

情境引入、问题驱动和启发探究三个环节紧密结合，符合科学思维的五个层次。通过问题驱动，将基本规律、概念、公式及其内涵有机地串接起来，形成贯穿整个主动学习过程的主线，从而提升学生的科学素养。［2］科学合理地设计优质的习题教学集，以提升学生的科学思维水平和培养学生的核心素养为目标，这将是教师在很长一段时间内持续努力追求的目标。通过这样的教学集，培养能够终身发展和适应社会发展的优秀人才，为教育事业做出应有的贡献。

参考文献

［1］居津.基于科学思维水平层次，培养学生建模能力——以“圆锥摆模型”为例［J］.物理教师，2019，40（1）：18-20.

［2］葛为民.高中物理习题教学促使核心素养落地生根［J］.湖南中学物理，2019，34（11）：39-41，23.