“互聯網+”條件下的物理習題重構策略思考＊

鄭行軍

科學、合理、具有實效性的習題對于評價學生的認知發展水平有重要的影響。隨著信息通信技術的高速發展，以“互聯網+”為主導的發展模式已經深入到教育領域。如何將互聯網平臺、新一代信息通信技術有效地融入到物理習題教學中，提高其有效性是當下物理教學研究的一項重要課題[1]。基于大數據等技術優勢，對現有的物理習題設計進行創新與改革，使“互聯網+”模式下的人機交互、人工智能等教育形式在物理習題教學中成為可能，努力構建“互聯網+物理習題”教學新思路。

一、基于“互聯網+”條件下的物理習題設計

1.以題型為主線重構習題體系。物理習題是實際物理現象和規律的簡化、科學抽象和理想化過程[2]，具有典型的模型化特征。而學生解答物理習題就是在模型化的物理情境中靈活地應用物理知識和方法的過程，所以遵循認識模型→分析習題→探究過程→得出結論的解題策略，是解答物理習題的有效之路。教師在設計習題時以物理模型為主線，引導學生有意識地在物理情境中抽象出物理模型的解題意識，在命置與教學同步的練習檢測卷時，以題型為主線，對全章知識進行模塊化梳理，形成一個思路清晰、結構合理的習題資源系統，引導學生完成知識內容的建構、檢測知識與技能、過程與方法、情感價值觀等教學目標。

案例1機械能習題命題規劃

根據章節知識特點、考綱要求和學生認知水平，將全章習題規劃為基本概念、題型歸類、實驗探究三個模塊重新歸類，以題型為全章習題主體，引導學生模型化解題意識，實現學習進階。（圖 1）

圖1

2.習題源分布設置呈現層次性和漸變性。習題的設計與選取是習題教學環節的關鍵點。科學的習題設置有利于貫穿知識點，開闊思路，調動學生的思維，培養應變能力，提高解題效率[3]。中學物理的學習無論是在知識深度上，還是在解決問題的方法上，學生都需要一個逐步學會的過程。因此，習題設計要注重層次性和漸變性，教師可以根據教學實踐和學生反饋的信息，按照學生思維能力、維度系數和教學時段等教學指標，參照不同階段習題教學需達成的能力要求，劃分習題層次和創設由淺入深、由表及里的漸變式習題情境。習題層次間循序漸進，緊密銜接；習題背景與學習內容密切相關，通過不同的漸變式習題情境展現，引導學生由邏輯推理過渡到抽象的試題情境，實現對陌生情境問題的處理。根據學生的實際情況把握好基礎題、中檔題、難題的比例，通過對不同層次習題的解答了解學生對知識和物理思維方法掌握的程度。

表2 習題題型分布的設置劃分標準

3.細化習題設置結構，體現學生思維發展進階。教學反饋與其他反饋途徑相比較，習題的教學反饋功能更加客觀，教師通過布置的習題作業，了解學生對課堂知識和物理思維方法的掌握程度。習題考查的目的不僅能反映簡單的結果對錯和機械的公式呈現，而且能體現學生在解題中的過程分析和對物理方法的掌握程度。因此，習題的設置要進一步細化到過程和思維方法層面，測驗試題不僅能體現學生對知識和技能的掌握，還能體現他們對物理過程和物理方法的掌握及知識的遷移能力。

案例2兩類啟動問題習題細化設置

兩類啟動問題是中學物理功率部分一個重要的知識點，作為一個實際的物理情景，本節課的設計意圖在于培養學生利用物理規律宏觀地分析物體運動規律動態變化過程的能力[4],在分析過程中涉及運動學、動力學、圖象、瞬時功率、功能關系等知識，這對高一新生是一個比較難把握的知識點，因此，采用構建模型的方法找出兩類啟動中常見的動體模型和問題模型，幫助學生比較全面地掌握此類問題的命題方向和解題策略，對提高學生解題效率、活化知識結構是一種有效的教學手段。為了更好地反饋學生對動體模型和問題模型的掌握程度，進行習題情境設置時采用細化手段。

習題設計：某實驗小組設計了一種裝置用于提升貨物，如圖3所示，在水平面上固定一豎直桿，一繃緊的輕質纜繩通過無摩擦的定滑輪O與在高處的電動機相連，另一端和套在豎直桿上的質量為m的貨物連接，開始時貨物靜止桿底端的A點。某時刻電動機以恒定的功率P卷動纜繩，拉著貨物沿桿由A運動到B，已知貨物運動到B點的速度大小為v，此時纜繩與豎直桿的夾角為θ，貨物上升的高度為h，貨物與豎直桿間的摩擦力恒為f，則下述說法正確的是（ ）

圖3

D.從A到B過程中貨物所受合力的大小和方向都在變化

①本題涉及的動體模型是（ ）

A.水平面恒定功率啟動問題

B.水平面恒定牽引力啟動問題

C.豎直面恒定功率啟動問題 D.豎直面恒定牽引力啟動問題

E.斜面恒定功率啟動問題 F.斜面恒定牽引力啟動問題

②本題涉及的問題模型有（ ）

A.涉及物體運動的最大速度、額定功率或阻力的物理量分析

B.涉及勻加速過程物體運動時間的物理量分析

C.功率恒定時，涉及物體速度和加速度關系的物理量分析

D.涉及某時刻牽引力的功率或某段時間牽引力做的功

E.涉及恒定功率時，物體運動位移與運動時間的關系

③本題您選擇的答案是（ ）

問4：您認為通過該題目學習有哪些收獲？（簡答題形式）。

習題的細化設置，不僅得到了習題答案，還能很好地反映學生在解題過程的思維、方法、技巧呈現，依據大數據分析，計算機系統對學生的答題進行統計，提出智能化建議，并將數據適時反饋給教師，教師根據反饋的結果與建議，能更深層次地了解學生的學習行為、學習思維、學習態度、學習認知等信息，把握好后繼的教學著重點。

4.以變式、關聯重構物理習題，觸發學生思維遷移。物理是一門以模型構建的學科，所有物理現象和物理規律都會依據一個基本的物理模型而衍生拓展，因此，在習題命題時，應根據物理學科特點，以模型為基本結構，不斷附加相關信息，構建習題支架。教師在進行習題選取和設計時，可以根據學生當時的認知發展水平，科學合理地選擇題源，對習題進行再構造，對題設條件信息合理延伸，不斷地變化知識結構、思維方法，引導學生突破解題思維定式，觸發思維遷移，實現學習效果的螺旋式上升。

案例2關聯型習題設計

習題題源：如圖4所示，汽車通過輕質光滑的定滑輪，將一個質量為m的物體從井中拉出，繩與汽車連接點距滑輪頂點高h，開始時物體靜止，滑輪兩側的繩都豎直繃緊，汽車以速度v向右勻速運動，運動到跟汽車連接的細繩與水平夾角為30°，則（ ）

圖4

A.從開始到繩與水平夾角為30°時，拉力做功mgh

B.從開始到繩與水平夾角為30°時，拉力做功mgh+mv2

C.在繩與水平夾角為30°時，拉力功率為mgv

D.在繩與水平夾角為30°時，拉力功率小于mgv

習題關聯變式設計：某拍攝組在浙江橫店拍攝動作片，要求演員從地面飛到屋頂。如圖5所示，若特技演員質量m=50k g，導演在某房頂離地H=12m處架設了滑輪組（人和車都視為質點，且滑輪直徑遠小于H），不計一切摩擦。若軌道車從圖中A勻速前進到B，速度v=10m/s，繩B O與水平方向的夾角為53°，則由于繞在輪上細鋼絲的拉動，使演員由地面從靜止開始向上運動。在車從A運動到B的過程中（取g=10m/s2，sin53°=0.8）（ ）

圖5

A.演員上升的高度為1.5m

B.演員上升過程一直做勻加速直線運動

C.演員最大速度為3m/s

D.鋼絲在這一過程中對演員做功為975J

試題設計分析：案例以斜拉牽引模型為基礎考查變力做功、運動合成與分解、功率、約束型系統中物體運動的位移關系等知識點，題源以常規模型設置了信息條件進行考查，學生易于找出解題的關鍵要素，物理量的定量關系偏于機械式，無法深入反映學生對物理量本質關系的掌握程度。關聯變式題在斜拉牽引常規模型的基礎上引入電影拍攝的實際情境，使題目更貼近學生實際，為考查學生對題源中三個重要知識點（運動的合成與分解、位移關系和動能定理法求解變力做功）的掌握程度，本題在原有斜拉牽引模型的基礎上附加了滑輪組模型，通過對原有習題的重構，能很好地檢測學生是否真正理解速度關系和位移關系的內涵，從而提升其審題和綜合分析能力。

5.科學組合物理模型，加強學生推理與綜合分析能力。物理試題的一個重要功能是要考查學生能否把一個復雜問題合理分解并找出它們之間的隱含聯系；能否提出解決問題的方法，運用物理知識綜合解決所遇到的問題。因此，在進行習題命置時將兩個或幾個簡單模型有機組合成一個新的習題也是一個很好的設計思路。

案例3組合型習題設計

習題設計：科技的發展，使人類在其它星球上生活成為可能。未來某一天，有位同學在某星球表面做了一個實驗，間接估算出他所在星球的質量，實驗裝置如圖6所示，將一滑塊（可視為質點）放置于水平桌面上，滑塊底端安裝壓力傳感器，可直接測量出滑塊對桌面的壓力，對滑塊施加一斜向上的拉力使滑塊沿桌面向右加速運動，拉力傳感器可測量出拉力的大小。當壓力傳感器讀數為0時，該同學記下拉力傳感器的讀數為F。已知滑塊與壓力傳感器的總質量為m，拉力方向與水平方向的夾角為θ，該星球的半徑為R，引力常量為G，由上述信息可判斷出以下結論正確的是（ ）

圖6

習題設計：如圖7所示，在水平地面上固定一光滑斜面，斜面由豎直部分A B和傾斜部分B C組成，已知豎直部分A B高度差H=1.25m，斜面傾角θ=37°。一同學將一根光滑金屬桿彎成圖示形狀放置于斜面上，相應的曲線方程為y=-x2（單位：m），桿的頂端與斜面的A點銜接，桿的底端恰好與斜面接觸但留有一小空隙，讓一小環a套在桿上由金屬桿的頂端無初速下滑，環滑至軌道底端時，由于環和斜面發生碰撞，使其只保留斜面方向的分速度，已知重力加速度為g，忽略空氣阻力，求：

試題設計分析：試題組合了三個基本模型-萬有引力定律、圓周運動和牛頓運動定律，以重力加速度為關聯量考查了力的合成、牛頓運動定律及萬有引力定律。組合題型的分析要求學生首先要了解基本模型的解題策略，然后以關聯量為橋梁聯立求解，即可突破此題的思維障礙。

6.有機整合物理模型與數學知識，提升應用數學處理物理問題的能力。數學與物理是兩門緊密聯系的學科，數學符號是物理概念、規律最常用的表述形式，是研究和解決物理問題的重要工具，扎實的數學功底和良好的數學建模能力是學好物理的基礎。高考考綱明確要求學生能運用幾何圖形、函數圖像表達、分析物理問題。在做物理習題時應體現出數學知識、數學方法的運用，提升學生綜合分析能力。

案例4數理型習題設計

圖7

（1）小環a滑至斜面時的速度大小；

（2）小環a與斜面碰撞后沿斜面方向的分速度？

試題設計分析：試題綜合了曲線運動和曲線方程等多個知識點，解題策略需以曲線方程為切入點求出環滑至斜面的坐標，由動能定理求出環滑至斜面的速度大小，由函數導數求出速度與水平方向的夾角，利用運動的合成與分解求環與斜面碰撞后沿斜面方向的分速度，題目涉及運動的合成與分解、動能定理、二次函數和導數等數學和物理知識，是一道非常典型的數理型物理習題。

7.設計相配套的習題資源和后臺評測系統。基于互聯網平臺的習題教學模式創造一種新的教育環境，使學生的學習結果呈現、學習效果反饋、學習互動、學習信息交流等教學要素得到了很大的提升，在大數據、云計算、多媒體等優勢技術的支持下，試題與技術的融合不僅能檢測學生對物理知識的整體掌握，還能體現他們在處理習題問題過程中的思維反應度。教師可以在線上對試題進行管理，對試題更改、整理、分類添加，測試題呈現可以采用選擇、簡答、計算等形式；學生在線上完成習題訓練后，系統評分統計，并將測試結果反饋給教師，教師則可以及時了解學生的學習行為、學習需求和學習達到的程度等情況，并作出相應的決策，調整教學策略。

基于互聯網平臺的習題教學模式創造了一種全新的教學環境，使學生的學習能力和創新思維能力得到充分的發揮。相較于傳統的習題設計，在信息技術條件下的物理習題重構細化了習題信息結構，提升了習題的檢測反饋功能；深化了習題模型化構建的策略，在“互聯網+”條件下，習題的交互和對比功能得以實現；技術和手段的有效融合，延伸了對學生推理能力、綜合分析能力、應用數學分析物理問題能力的考查，很好地體現了新高考對學生的能力要求；使學生的學習行為和學習效果實時反饋、建構有效的教學評價體系、課內教學和課外監測的統一成為可能，為新課改實施有效性教學提供了科學依據。在“互聯網+教育”的大趨勢下，教師需要結合學生實際、物理教學要求等各項資源，積極研究習題結構，合理設計習題內容，優化教學系統，實現課堂教學和習題檢測的雙向統一。

圖8 習題資源與后臺評測系統

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[1]施先群.高中物理習題設計策略的實踐與思考[J].理科考試研究，2014（1）.

[2]張平，包良樺.物理習題建模教學探析[J].教學月刊，2005（8）.

[3]劉志國.如何提高物理習題教學的有效性[J].考試周刊，2012（59）.

[4]謝寶華.直擊汽車啟動問題[J].數理化學習（高一二版），2015（11）.