從幾道物理題看物理學科的核心素養

黃永

（蘇州實驗中學科技城校，江蘇 蘇州）

物理課程標準提出的4個學科核心素養中，“物理觀念”代表知識的內化，是其他核心素養的基礎[1]，“科學思維”和“科學探究”是關鍵能力，“科學態度與責任”是必備品格[2]。

運動與相互作用觀念貫穿高中物理教學的全過程,是構建物理學科核心素養的基礎和重點[3]。比如高中物理必修一第一章節《運動的描述》，是整個高中物理的基礎，提供了學習高中物理的基本物理量以及研究環境。基礎知識不代表就是簡單知識，對基礎知識的考查，也不局限于簡單的記憶，而是對物理觀念的深刻理解，甚至是知識的遷移。比如，一個核反應方程式的考查：中子束轟擊氮核，生成碳14與未知物，求解未知物是什么。本題只是考查了核反應方程這一物理觀念，但實際上絕大多數學生無法獲得答案。學生的疑問是到底有多少中子參與了核反應。幾個中子可能同時進入同一原子核，因為題干中說的是“中子束”轟擊氮核，而中子束里有很多中子。實際上這只是字面上的理解，學生并沒有結合核反應這一物理規律的實際情況是中子進入氦核可能性非常小，不太可能多個中子同時進入氦核發生核反應。所以，教師在教學過程中不能忽略一些必要的物理事實的解釋。

所以，不要小看物理觀念，它是我們進一步深入研究物理現象與規律的基礎。只有對物理觀念深刻理解，才能讓我們的理論推導、科學探究能夠有理有據地順利進行。為了讓學生重視物理觀念，在考試中，考卷都是以基礎知識、基本方法為主，適當添加一些有區分度的題目。這樣做的目的，一方面在于保護較為普通的學生，讓他們鞏固好基礎知識的同時，不對物理產生恐懼；另一方面在于挑選出物理學得較好的學生，可以在平時的練習布置和題目講解中進行量身定制，促進其快速發展。

物理課程標準明確“科學思維”包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素[4]，“科學探究”包括問題、證據、解釋、交流等要素[5]。

一、選擇理科的學生必須學會建立物理模型

現在的物理習題絕大多數是簡單的模型，無論是老師教還是學生學，都感到很簡單。但這不是模型建構，只能算是認識模型，生搬硬套知識點而已。學生應該學會把生活中的實物、實際過程抽象出來，去偽存真、去粗取精，變成簡單的物理模型。這就需要學生在物理模型的學習過程中多觀察、多思考、多練習、多接觸生活。讓物理模型不再神秘，進入我們的生活中來。只有在不斷運用的過程中，學生才能體會到從生活實例到物理模型的樂趣，也將提高建模的熟練度。

模型構建來源于生活，只有熱愛生活、熱愛物理的學生才能樂此不疲地在生活中體會物理的樂趣。比如，生活中常見的一堆沙子，在底面積已知的情況下，沙子堆到一定的高度就無法再堆了。當我們第一次見到這樣的題目時，是不是感覺無法下手？這是一道關于斜面動力學的題目，沙子無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？摩擦力達到最大值，即滑動摩擦力。接下來利用斜面上的三力平衡即可求得斜面傾角，進而根據幾何關系可得沙子高度。

從這道簡單的物理建模題型可以看出，物理建模在物理解題、解決生活中的問題的重要性。而且在分析的過程中，需要我們具備最基本的物理觀念——最大靜摩擦力、三力平衡，需要我們熟悉最基本的模型——實物模型、過程模型、數學模型。沙子這一研究對象，可能就已經難倒一大批學生了，因為在平時練習中幾乎從來沒有研究過一顆沙子的動力學。實際上牛頓的動力學在一切宏觀運動中都適用，大到宇宙中的天體，小到空氣中的塵埃。所以本題一旦物理模型構建成功，剩下的就是物理基本觀念的運用，再難的題目也能迎刃而解了。

二、如何理解科學推理與科學論證

凡事需要講依據，依據就是已知的物理觀念。比如，在萬有引力這一知識點的教學過程中，我們會遇到關于求地球內部某點的重力加速度的問題。在求解這一問題時，我們需要提前理解萬有引力公式，知道萬有引力公式的適用范圍，萬有引力公式中各字母代表的意思。在這一前提下，很容易知道，萬有引力公式不適用這種情況。接下來就是本題關鍵的突破口了，題目中有一已知條件，球殼對內部沒有萬有引力。所以，可以過地球內部所求的這個點，以地球球心作一個球，這個輔助球外面就是球殼，可以忽略不看。至此，本題就簡化為一個質量分布均勻的輔助球體對其表面上一點的萬有引力問題。

這一題在萬有引力這一知識點中，應該屬于中等偏難的題目了。但其實要想解決這個問題，只需要我們具備一些基本的物理觀念與幾何知識。最重要的是，當我們無處下手時，需要的是冷靜的思考，思考我們學過的知識。借助科學的推理、科學的物理方法，必定可以化繁為簡，迎刃而解。

物理方法需要平時的積累與不斷地運用，才能在需要的時候信手拈來。只有在平時對各種物理方法不斷使用，才能在考試過程中使用得更加得心應手。比如，在電場強度這一節的教學中，我們會遇到求解非常見電場的電場強度的問題，比如帶電球殼、半球殼。而這類問題在電場這一節屬于中等偏難題型，因為它包含著對物理方法的靈活應用。牢牢抓住題目中的唯一已知條件，帶電球殼對內部電場強度為零，意味著兩個半球殼的電場強度在球殼內相互抵消，即兩半球在某處的場強大小相等，方向相反，再根據對稱性，可以求解本題。

本題屬于場強的計算問題，但沒有運用任何場強公式求解，用的只是對題目的理解與對稱性這一物理方法。但如果認為這個知識點很簡單，就大錯特錯了。對稱思想在這一題里需要多次運用，多次轉換，學生在第一次接觸時，很容易弄錯。所以關于這個知識點的講解不能快，最好引導學生來解決。高中學生已經有足夠的思考能力，我們為什么不把他們超強的思維給開發出來呢？

三、如何理解質疑創新

質疑是高考對學生的更高要求。質疑不是隨意否定，而是在一定的依據下進行推理，從而形成自己的獨特的觀點。質疑是否正確，取決于學生的推理過程是否符合科學。這就需要學生具備一定的物理基礎知識，掌握足夠的科學方法，有一雙善于觀察的眼睛、一個愛思考的大腦，提出合理的猜想，進行科學推理，才能得出正確的結論。

隨著物理高考的不斷改革，試題的新意越來越多，試題的開放性、實驗的探究性是對學生的全方位的考查。試題的開放性導致題目與生活實際關聯變得更緊密，需要學生用物理觀念來處理題目中的一個又一個知識點，用成熟的科學思維建立合理的物理模型，借助嚴謹的推理過程理清內部各種關系。

實驗的原型來源于教材，但又與教材不完全相同。也就是在考試中出現的實驗已經變了樣。這就需要學生有一雙火眼金睛，能夠準備識別出它的實驗原理，而不能單憑死記硬背。所以在平時的教學過程中，需要多一點教材的挖掘、多一點實驗原理的理解、多一點科學方法的探究。學生在學習過程中探究透了、理解透了，自然在練習過程中就能適應實驗形式的不斷變化。

機械能守恒實驗是非常重要的高中物理力學實驗。我們以這個實驗為例，研究學生需要具備哪些能力。在歷次的考查中，我們可以發現，學生最容易出錯的就是實驗原理。我們總認為，學生連機械能守恒定律計算題都搞定了，這小小的實驗還能不理解嗎？殊不知，在實驗操作題面前，一個小小的動力學可能就要難倒一大片了。比如，在探究連接體的機械能守恒實驗中，要求寫出驗證機械能守恒的表達式。因為涉及了連接體，很多學生對于重力勢能、動能的變化就難以看清了，甚至研究對象是連接體都不知道。所以，無論什么實驗，實驗原理這一物理觀念必須熟練掌握。

無論是研究單個物體的機械能守恒，還是研究連接體的機械能守恒，實驗原理都是重力勢能與動能的相互轉化。在考試、生活中，我們可能會遇見不同模型，但實驗原理是不會變的。我們在平時的練習中，重點對這兩種模型進行討論，目的在于對原理的理解與鞏固。了解模型不是目的，理解實驗原理才是目的。所以我們平時的教學過程中，可以讓學生多見識一些實驗設計，使其有更多的練手機會，從而能夠更深刻地理解實驗原理。

以自由落體為例的機械能守恒實驗中，需要我們判斷V2-h圖像滿足什么關系時，機械能守恒。做這一題時，很多學生是在猜想，正比或反比。經統計，90%以上的學生在這一題會出錯。因為它不僅僅是正比反比的問題。這就又回到了前面說過的，我們在學習過程中需要嚴謹的科學推理，不能做隨意的判斷。我們的所有判斷都應該來源于科學論證。