問題驅動突破“含源單桿”問題*

葉晟波

(浙江省慈溪中學 浙江 寧波 315300)

方潤根

(杭州學軍中學 浙江 杭州 310012)

1 高考及其備考的習題教學都基于物理學科核心素養的培養

考試對教學具有重要的引導作用，特別是高考，其引導作用具有很強的根基[1]．在新課改的大環境下考試改革要與課程改革同向同行，以課程標準和核心素養為紐帶，實現教、學、考的有機統一，以適應新時代經濟社會發展對多樣化高素質人才的要求．作為高中一線教師應關注《2020年高中物理課程修訂版》的主要變化，關注物理學科核心素養，關注高考命題的變化取向，然后才能有針對性地改進備考的習題教學，立足“知識”“能力”“素養”考查目標，助推素質教育的發展，讓學生能較坦然地面對祖國對人才的選拔，實現選人育人的統一．所以高考與備考習題教學的本質都是立德樹人，培養全面發展又有個性的學生，它們都應基于物理學科核心素養的培養．

2 用問題驅動落實核心素養的培養

當今高中的習題教學模式層出不窮，實際上不同的教學模式強調和側重的是習題教學過程的不同側面，在五花八門的教學模式里，存不存在能夠作為抓手容易上手的核心主導元素[2]？筆者認為：問題驅動就是整個習題教學過程在操作層面最核心和基礎的元素，抓住了它就抓住了主要問題．問題驅動的習題教學包括提問題和解決問題兩個階段，提問題可以教師為主導，以習題的情境和知識為載體，把高中物理核心素養的要求落實到具體“要素”上．運用練習題，把提升學科核心素養的總目標和提高考試成績的現實目標結合起來，完整、系統地體現核心素養的要求．

問題的解決階段以學生為主導，分為思考、分析，再到解決的子過程，學生主動自發地參與問題解決的過程讓學生學會如何思考，同時培養了他們的核心素養，在這過程中學生的角色需要從過去傳統教學中的被動學習向現在和未來的主動進取轉化．問題本身驅動了解決問題和科學思維的應用，同時也激發了學生自己查找信息以學習關于此問題的知識和解決問題的方法[2]，進而推動學生物理核心素養的落實，所以問題驅動式的習題教學能有效促進學生核心素養的達成．

3 問題驅動習題教學解決“含源單桿”問題

好的問題能夠提供給學生一個廣闊的多向度的探索空間，既能激發學生學習的內在動力，也能提綱挈領地指出持續思考、自我探究的方向．通過問題驅動的習題教學模式，實現積極的師生、生生、師師互動，并最終生成針對該問題的解決方案[2]．下面以電磁感應中解決“含源單桿問題”為例，其解決可以分為3步進行，如圖1所示，再用提問題做牽引和驅動，激發了學生探究知識的需求，學生可以按照自己適合的方式自主地把內容掌握和消化好．

圖1 “含源單桿問題”解決流程設置

任務1：問題驅動“含源電動式單桿問題”基本流程構建

問題情境：如圖2所示，在方向水平的、磁感應強度為0.5 T的勻強磁場中，有兩根豎直放置的足夠長的導體軌道ac和bd，其寬度為1 m，其下端與電動勢為12 V、內電阻r=0.5 Ω的電源相接，質量為0.1 kg、電阻R=0.5 Ω的金屬棒MN的兩端套在導軌上可沿導軌無摩擦地滑動，除電源內阻外，其他一切電阻不計，g=10 m/s2，從S閉合直到金屬棒做勻速直線運動的過程．該情境設置的問題及素養分析如表1所示.

圖2 任務1問題情境圖

表1 “含源電動式單桿問題”問題設置及素養分析

教學活動建議：問題1～3可以讓學生獨立分析，通過手機同屏展示學生的求解結果，教師要引導學生不僅要關注結果的正確性，更要注意求解的規范性，教師可以做適當示范．對問題4～8可以在學生獨立思考的基礎上，前后4位學生進行討論交流后再總結，教師要引導學生首先明確問題解決的思維路徑，建立電路模型和力與運動模型，再由能量路徑切入分析[3]．

任務2：變式情境下的“含源發電機單桿問題”的解決

問題情境：如圖3所示的變式情境，問題情境同

任務1，磁場方向相反．該情境下設置的問題及素養分析如表2所示.

圖3 任務2問題情境圖

表2 “含源發電機單桿問題”問題設置及素養分析

教學活動建議：“含源電動式單桿問題”和“含源發電機單桿問題”中安培力的方向不同，使運動過程和最終狀態、能量分析等方面都有不同，解題過程中需要規范等效電路圖、受力分析圖、運動圖像的繪制．穩定時，通過金屬棒的電流方向不同，其電勢升降的分析是難點和易錯點．電磁感應中能量的轉化都涉及到安培力做功，分析安培力做正功和負功以及對應的能量轉化是此類問題的重點和難點．

任務3：具體情境下“含源單桿問題”的解決

問題情境：電磁炮曾是美國“星球大戰”軍備計劃的重點項目，被視為對抗核彈的秘密武器，如圖4是導軌式電磁炮實驗裝置示意圖．軌道炮由兩根平行長直金屬導軌組成，導軌間放置金屬滑塊(即金屬彈丸)．金屬滑塊可沿導軌無摩擦滑行，且始終與導軌保持良好接觸．直流恒流源提供的強大電流從一根導軌流入，經過滑塊，再從另一導軌流回電源．金屬滑塊被導軌中的電流形成的磁場推動而發射．在發射過程中，一根軌道的電流在滑塊所在位置的磁場可以近似簡化為勻強磁場，方向垂直于紙面，其強度與電流的關系為B=kI，比例常量k=2.5×10-6T/A．已知兩導軌內側間距l=1.5 cm，滑塊的質量m=30 g，金屬滑塊沿導軌滑行5 m后獲得的發射速度v=3.0 km/s．該情境下設置的問題及素養分析如表3所示.

圖4 電磁炮實驗裝置示意圖

表3 具體情境下“含源單桿問題”問題設置及素養分析

教學活動建議：能用物理學視角觀察事物，用物理知識解決實際問題，這是“物理觀念”的關鍵要素，要達到這個目標，需要把物理知識和實踐情境進行關聯，再以問題驅動為核心，讓學生經歷多種思維形式的科學推理，從而使習題有效落實核心素養，提升學生素養和能力．軌道電磁炮是“含源單桿問題”的一種實際應用，其電流可以由電源提供，也可以由儲能設備器如電容充電后提供，當代學生可以了解武器的原理和發展．

4 結束語

“含源單桿”問題是電磁感應中導軌桿子單元教學中的重要內容，在該部分教學中，以問題驅動為核心，基于學生所學的基本物理概念和規律，根據素養類型設計合適的物理問題和物理情境，明確問題指向的素養目標和素養類型，把核心素養的要求落實到具體的“要素”上，通過恰當設問，促進深度學習和思考[3]，讓學生逐步掌握基本步驟與規范流程，而后開展變式教學，從電路結構、受力情況、運動情況、能量路徑和動量路徑等多種形式，豐富學生的模型認知[3]，最后創設科技前沿情境，培養學生將真實的物理問題轉化為物理模型的能力，最終實現運用習題把核心素養的要求落地．