基于提升學生核心素養的高中物理習題教學

摘 要：高中物理課程注重提高學生核心素養，從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等方面展現物理學科的育人功能。高中物理教材精心編排了多樣化的練習題目。在教學實踐中，教師需優化教學策略，精心挑選那些能夠促進物理觀念的形成、鍛煉科學思維、加強科學探究能力以及培育積極科學態度的習題，以此全方位提升學生核心素養。

關鍵詞：高中物理；核心素養；物理習題；教學策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）9-0083-4

高中物理新教材充分體現了課程標準的精神，其物理習題涵蓋了廣泛的內容、全面的素養，并與實際應用緊密相連。特別是新司南版（魯科版）教材的習題設計，層次清晰，能夠針對不同層次學生的科學思維能力進行有針對性的培養，使各層次學生通過習題練習，有效地對自己的學習進行自我評價。這一改進打破了傳統教材習題數量較少、難度較低的局限，減少了教師依賴多本教輔材料來檢測學生學習漏洞的需求，有效減輕了學生的學業和經濟負擔［１］。在高中物理習題教學中，教師應以物理課程目標為導向，大膽創新教學策略，對習題的背景素材、設問角度、思維內容及教學方法進行革新，深入挖掘物理習題的育人價值，以全面提升學生的核心素養。

１ 物理核心素養及水平劃分

物理學科核心素養是物理學科育人價值的核心體現，通過物理學習，學生將逐步形成正確的價值觀、必備的品格和關鍵能力，為其終身發展、社會適應及未來挑戰奠定堅實基礎。物理學科核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四個方面［２］，并可根據能力水平劃分為五個等級。

2 高中物理新教材的習題特點

以人教版教材為例，分析高中物理新教材的習題特點。人教版高中物理新教材在習題設計上進行了顯著改進，背景情境多樣化，緊跟科技進步與社會發展的步伐；習題類型典型化，注重訓練學生解決物理問題的能力；習題問題開放化，強調學生創新能力的培養［３］。從提升核心素養的角度來看，教材習題具備情境性、創新性、探究性和科學性等特征。

２．１ 物理習題的情境性

習題設計緊密結合真實的問題情境，運用文字、圖像、表格、照片等多種形式進行描述。例如，必修一第三章第５節的例題１，以幼兒園兒童滑梯為背景，探討了物理原理在現實生活中的應用，如圖１（ａ）所示。由于場地的限制，滑梯的水平跨度設計為６ ｍ，兒童褲料和滑板間的動摩擦因數 μ＝０．４，兒童能夠在滑板上滑下，那么滑梯設計至少應多高？又如，必修一第四章章末習題Ｂ組第５題，通過圓珠筆在地鐵啟動過程中的擺動現象，引導學生進行探究。題目描述了一位乘客在一根細繩下端綁上圓珠筆，并將其上端固定在地鐵的豎直扶手上，如圖１（ｂ）所示。在地鐵加速過程中，細繩偏離豎直方向，形成一個夾角θ。學生需用手機拍下細繩和圓珠筆運動狀態的照片，并根據照片估算此時地鐵的加速度大小，這樣的習題設計既增強了學生對物理現象的理解，又培養了其解決實際問題的能力。

２．２ 物理習題的創新性

教材中的習題設計旨在促使學生運用多種邏輯思維方法，如分析、綜合、抽象、概括、歸納與演繹等，來解決物理問題，以此培養學生的創新能力。

必修一第三章章末習題Ｂ組第２題描述了一臺空調外機通過兩個三角形支架固定在外墻上，其中一個支架受到空調外機的壓力，該壓力恰好作用在支架橫梁和斜梁的連接點Ｏ的上方，大小為 ２００ Ｎ。橫梁 ＡＯ 水平，斜梁 ＢＯ 與橫梁的夾角為 ３７°，如圖２（ａ）所示。要求學生計算橫梁對O點的拉力大小和斜梁對O點的壓力大小。此外，題目還要求學生討論如果斜梁加長但連接點Ｏ位置和橫梁ＡＯ的水平狀態保持不變時，橫梁和斜梁對O點的作用力大小將如何變化。

必修二第八章章末習題Ｂ組第３題描述了一個風力發電機的葉片在轉動過程中形成一個半徑為２０ ｍ的圓面，如圖２（ｂ）所示。已知風速為６．０ ｍ/ｓ，風向垂直于葉片形成的圓面，空氣密度為１．２ ｋｇ/ｍ3。題目要求學生計算在給定時間內，風力發電機將圓面內１０％的空氣動能轉化為電能的發電功率。

這兩道題目都是典型的物理應用題，要求學生將理論知識與實際問題相結合，通過分析和計算來解決問題。這樣的習題設計不僅加深了學生對物理概念的理解，還鍛煉了他們的創新思維和解決問題的能力。

２．３ 物理習題的探究性

教材中的習題旨在加強學生的科學探究能力，鼓勵他們大膽設計實驗方案，進行實驗操作，分析實驗數據，并得出結論，以此培養學生的實踐能力。

必修一第三章章末習題Ａ組第３題要求學生設計一個實驗來測量桌面與紙張之間的動摩擦因數μ。學生需要繪制實驗的示意圖，詳細說明測量方案和具體操作步驟，并寫出用于測量的計算公式。這類題目旨在培養學生的實驗設計能力、動手操作能力以及數據分析能力。

必修二第五章章末習題Ｂ組第２題描述了一個環保人員在工作中發現一根水平放置的排污管正在排出污水，且管道離地面有一定的高度（圖3）。環保人員僅有一把卷尺，需要估算該管道的排污量。學生需要寫出計算每秒鐘排出污水體積的表達式。這類題目要求學生運用物理原理解決實際問題，培養學生的科學探究和創新能力。

教師在指導這類實驗探究題時，應鼓勵學生積極思考，勤于動手實踐，從而提高他們的探究能力和創新能力。通過這樣的習題訓練，學生不僅能夠加深對物理知識的理解，還能夠學會如何將理論知識應用于實際問題的解決中。

２．４ 物理習題的科學性

高中物理教材習題設計旨在揭示事物的本質和內在規律，同時注重培養學生的科學態度與責任感。學生通過學習物理，逐漸培養出實事求是、堅持不懈的科學態度，以及對環境保護和資源節約的責任感。

選擇性必修一第一章章末習題Ａ組第５題要求學生討論習題數據的科學性，以木槌打糍粑為情境，如圖 ４（ａ）所示。題目表述為：“已知木槌質量為１８ ｋｇ，木槌剛接觸到糍粑時速度是２２ ｍ/ｓ，打擊糍粑０．１ ｓ后木槌靜止，求木槌打擊糍粑時平均作用力的大小?！比欢?，題目數據顯然不符合實際情況，這可能是為了引發學生對數據真實性的質疑，培養他們的批判性思維和科學態度。

必修第三冊第十三章第４節課后習題第３題以“天宮一號”太空授課為情境，要求學生根據地球半徑（６ ４００ ｋｍ）和天宮一號在軌運行的軌道半徑（６ ７４０ ｋｍ），計算航天員在太空授課的實時畫面從“天宮一號”空間實驗室傳到地面接收站的最短時間，如圖４（ｂ）所示。這類題目不僅考查學生對物理知識的理解和應用，還旨在激發學生對航天科學的興趣，培養他們的科學探究能力和對太空探索的責任感。

這些習題的設計旨在通過真實或模擬的情境激發學生的科學興趣，培養他們的科學探究能力和責任感。同時，也鍛煉了學生運用物理知識解決實際問題的能力。教師在指導學生解答這類習題時，應鼓勵學生保持批判性思維，對題目數據和分析過程進行合理質疑和驗證。

3 高中物理習題教學的教學策略

高中物理習題教學應當采用創新的教學策略，以提升學生的學科核心素養。

３．１ 創設真實情境，形成物理觀念

習題教學應創設真實的問題情境，幫助學生形成清晰的物理觀念，并能夠正確描述和解釋自然現象。此外，學生應學會運用物理知識解決實際生活中的問題。例如，通過結合球類運動引入拋體運動的概念，分析不同運動方式的共同點，從而建立拋體運動的概念。然后，結合高考試題研究拋體運動規律，如２０２３年全國甲卷第１題，分析鉛球在空中運動過程中的物理特性。

３．２   進行遷移發散，訓練科學思維

習題教學應注重一題多解、一題多問和一題多變的方法，以訓練學生的科學思維。例如，在學習速度選擇器時，引導學生總結其工作原理，并比較其他儀器與速度選擇器工作原理的相似之處。此外，高考試題中的行星追及問題，如２０２２年湖南卷第８題，考查同一平面內運動的物理原理，如圖５（ａ）所示。而２０２３年重慶卷第１０題則進行了發散遷移，考查了衛星在兩個不同平面內的運動情況，如圖５（ｂ）所示。通過以上教學策略，學生能夠更好地理解和應用物理知識，培養科學思維和探究能力，從而提升學科核心素養。

３．３ 設計學生實驗，強化科學探究

習題教學應引導學生從多個角度設計實驗、制訂實驗計劃、開展實驗、分析實驗數據、得出實驗結論。例如，在測量重力加速度時，除了教材中使用的打點計時器和重錘方法，學生可以創新地嘗試其他實驗方案，如利用井深和物體下落時間來粗略測量，或使用光電門和數字計時器、頻閃照相、滴水法、智能手機加速度傳感器，甚至利用單擺來測量重力加速度。這些實驗方法可以激發學生的思維活力，培養他們的實驗設計和執行能力。

３．４ 精選科技成就，培養科學態度

習題教學應融入時代熱點和科技成就，展示我國科技進步，以此培養學生實事求是、嚴謹踏實的科學態度和學以致用、客觀理性的科學精神。例如，可以討論２０１５年嫦娥三號登月探測器的著陸過程，要求學生計算探測器剛到達月球表面時的速度，如圖６（ａ）所示。嫦娥三號靠近月球以后，先在月面上方一定高度處懸停，然后關閉發動機，以１．６ ｍ/ｓ２的加速度勻加速下降，經過２．２５ ｓ到達月面，求探測器剛到達月球表面時的速度。此外，可以探討明代宋應星在《天工開物》中提出的測量弓力大小的方法：以足踏弦就地，秤鉤搭掛弓腰，弦滿之時，推移秤錘所壓。意思是：可以用腳踩弓弦兩端，將秤鉤鉤住弓的中點往上拉，弦滿之時，推移秤錘稱平，即可得到弓力的大小，原理如圖６（ｂ）所示。

總之，物理習題教學應創設真實的問題情境，引導學生深入剖析實際問題，讓學生經歷科學探究的全過程，包括提出問題、猜想和假設、設計方案、進行實驗、質疑和創新，從而全面提升學生的核心素養。

參考文獻：

［１］鄧磊，蔣敏．從我國５版高中物理新教材的難度探索教材改革和發展路徑［Ｊ］． 物理教師，２０２１，42（１０）：２－７．

［２］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７年版）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０１８．

［３］許月仙，袁海泉．人教版高中物理新教材（必修部分）習題設置特征分析［Ｊ］．物理通報，２０２０（７）：１２４－１２９．

［４］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心．普通高中教科書物理必修第一冊［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．

［５］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心．普通高中教科書物理必修第二冊［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．

［６］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心．普通高中教科書物理選擇性必修第一冊［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．（欄目編輯 賈偉堯）