四川 李 剛

(作者單位：四川省攀枝花市第三高級中學(xué)校)

在高三階段，習(xí)題設(shè)計(jì)和習(xí)題教學(xué)對學(xué)生的重要作用毋庸置疑，且近幾年的高考試題對問題情境的創(chuàng)設(shè)頗具新意，體現(xiàn)了對核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的多維度考查。為了培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，教師需要在習(xí)題設(shè)計(jì)中創(chuàng)設(shè)問題情境，適當(dāng)提升知識和技能的復(fù)雜程度。在進(jìn)行習(xí)題教學(xué)時(shí)應(yīng)當(dāng)利用思維導(dǎo)圖幫助學(xué)生樹立物理觀念，強(qiáng)化實(shí)際情境與物理模型的轉(zhuǎn)換，培養(yǎng)科學(xué)思維中的模型建構(gòu)能力，重視一題多解，培養(yǎng)科學(xué)思維中的科學(xué)推理能力。

高考試題中常以兩個(gè)或多個(gè)等量點(diǎn)電荷為背景考查電場的疊加與電場的性質(zhì)，近年來，此類試題的問題情境創(chuàng)設(shè)從平面情境過渡到了立體空間情境，試題著重考查學(xué)生物理觀念和科學(xué)思維的發(fā)展水平?，F(xiàn)筆者基于近年來高考試題對物理學(xué)科核心素養(yǎng)的考查要求，對高三習(xí)題設(shè)計(jì)和習(xí)題教學(xué)的方法進(jìn)行探索。

1 近三年全國卷考查點(diǎn)電荷電場的試題回顧

1.1 試題注重情境的創(chuàng)設(shè)

分析近三年考查點(diǎn)電荷電場的高考試題，不難發(fā)現(xiàn)試題均注重情境的創(chuàng)設(shè)。2019年全國卷Ⅲ第21題創(chuàng)設(shè)兩等量異種點(diǎn)電荷固定在正方體的兩個(gè)頂點(diǎn)上，比較另外兩個(gè)頂點(diǎn)的電場和電勢、判斷電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)電勢能的變化的問題情境；2020年全國卷Ⅱ第20題創(chuàng)設(shè)等量異種電荷均勻分布在上下半圓的問題情境，考查點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度的疊加、電勢大小的判斷。高考試題不僅考查知識本身，還注重在問題情境中考查學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)知識綜合解決實(shí)際問題的能力，這讓學(xué)生對試題感覺既熟悉又新穎。

1.2 試題注重核心素養(yǎng)的考查

高考試題注重考查學(xué)生物理觀念的發(fā)展水平。物理觀念包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素，這些要素在高考電場的試題中都可能涉及。2019年全國卷Ⅲ第21題和2020年全國卷Ⅱ第20題是對物理觀念的深入考查，學(xué)生不僅要知道電場是物質(zhì)存在的一種形式，還要深入理解電場的性質(zhì)，熟練掌握點(diǎn)電荷周圍電場強(qiáng)度的計(jì)算公式、矢量合成遵循的規(guī)律等。如果學(xué)生掌握了等量點(diǎn)電荷電場分布的對稱規(guī)律，就可以根據(jù)對稱性快速解答等量點(diǎn)電荷電場相關(guān)試題。顯然高考試題不僅要求學(xué)生具有物質(zhì)觀念，更需要學(xué)生具有清晰的物質(zhì)觀念。

高考試題注重考查學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展水平?？茖W(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，近三年考查點(diǎn)電荷電場的高考試題注重創(chuàng)設(shè)相對復(fù)雜的情境，點(diǎn)電荷數(shù)量也增至兩個(gè)以上，電荷從簡單的對稱分布變化到了形狀規(guī)則物體上的均勻分布，學(xué)生需要通過抽象概括，提煉出問題的本質(zhì)，將描述的問題情境轉(zhuǎn)化成物理情境，建構(gòu)熟悉的物理模型。

1.3 高考真題分析

【例1】(2019·全國卷Ⅲ·21)如圖1所示，電荷量分別為q和-q(q>0)的點(diǎn)電荷固定在正方體的兩個(gè)頂點(diǎn)上，a、b是正方體的另外兩個(gè)頂點(diǎn)。則

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圖1

A.a點(diǎn)和b點(diǎn)的電勢相等

B.a點(diǎn)和b點(diǎn)的電場強(qiáng)度大小相等

C.a點(diǎn)和b點(diǎn)的電場強(qiáng)度方向相同

D.將負(fù)電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)，電勢能增加

【試題分析】試題創(chuàng)設(shè)了電荷分布在正方體的兩個(gè)頂點(diǎn)的問題情境，考查點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度的疊加、電勢及電勢能的判斷。在解答此題時(shí)，學(xué)生需要具有清晰的物質(zhì)觀念，知道電場強(qiáng)度是矢量、電場強(qiáng)度的疊加遵循平行四邊形定則，知道兩個(gè)等量異種點(diǎn)電荷周圍電場強(qiáng)度、電勢分布情況，分析出a、b兩點(diǎn)的電場強(qiáng)度和電勢。學(xué)生還要具有清晰的能量觀念，用電場力做功判斷電勢能的變化情況。

腰椎間盤突出是臨床上一種較為常見的骨科疾病，該病主要因?yàn)橥怀霾课粔浩然虼碳と梭w的組織結(jié)構(gòu)或神經(jīng)，從而讓患者表現(xiàn)出腰背部疼痛、肢體麻木等癥狀，如果不得到及時(shí)有效的治療，甚至?xí)驗(yàn)閴浩然颊呱窠?jīng)引起患者行動(dòng)能力喪失，嚴(yán)重影響到患者的生活質(zhì)量[1]。磁共振成像與CT診斷是兩種診斷腰椎間盤突出的常用方式，本文主要探討二者在診斷腰椎間盤突出中顯現(xiàn)出來的應(yīng)用價(jià)值。

【例2】(2020·全國卷Ⅱ·20)如圖2所示，豎直面內(nèi)一絕緣圓環(huán)的上、下半圓分別均勻分布著等量異種電荷。a、b為圓環(huán)水平直徑上的兩個(gè)點(diǎn)，c、d為豎直直徑上的兩個(gè)點(diǎn)，它們與圓心的距離均相等。則

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圖2

A.a、b兩點(diǎn)的場強(qiáng)相等 B.a、b兩點(diǎn)的電勢相等

C.c、d兩點(diǎn)的場強(qiáng)相等 D.c、d兩點(diǎn)的電勢相等

【試題分析】試題創(chuàng)設(shè)了異種電荷均勻分布在上、下半圓的問題情境，考查點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度的疊加、電勢大小的判斷，學(xué)生需要經(jīng)過科學(xué)推理，運(yùn)用微元法抽象、概括、構(gòu)建熟悉的兩等量異種點(diǎn)電荷電場模型來分析各點(diǎn)的電場和電勢大小，旨在考查學(xué)生物理觀念中的“物質(zhì)觀念”和科學(xué)思維中的“模型建構(gòu)”“科學(xué)推理”等學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 基于發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行習(xí)題設(shè)計(jì)

在高三備考中，習(xí)題主要發(fā)揮以下功能：促進(jìn)學(xué)生形成合理的知識結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，發(fā)揮學(xué)科的育人功能，幫助教師改進(jìn)教學(xué)。從習(xí)題的功能上看，習(xí)題教學(xué)是一個(gè)復(fù)雜的體系，它大致包含習(xí)題設(shè)計(jì)、習(xí)題完成質(zhì)量分析及評價(jià)、習(xí)題講評、習(xí)題再設(shè)計(jì)等要素，這些要素相互支撐、相互促進(jìn)，構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)發(fā)展的體系?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱“課標(biāo)”)中的教學(xué)與評價(jià)建議指出：“要從培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角審視習(xí)題教學(xué)的目的，應(yīng)通過習(xí)題教學(xué)，使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實(shí)踐意識、科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升?！庇纱丝梢姡處熞趯φn標(biāo)、高考試題及學(xué)生的研究，充分發(fā)揮習(xí)題在高三教學(xué)中的功能，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

2.1 適當(dāng)提升知識和技能的復(fù)雜程度有利于促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的進(jìn)一步發(fā)展

在設(shè)計(jì)、編制高三習(xí)題時(shí)，教師應(yīng)避免只考查一個(gè)知識點(diǎn)和一項(xiàng)技能的試題，建議適當(dāng)提升習(xí)題所考查的知識和技能的復(fù)雜程度，這有利于促進(jìn)學(xué)生形成合理的知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)物理觀念的進(jìn)一步發(fā)展。課標(biāo)指出，物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等基本認(rèn)識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。點(diǎn)電荷電場的習(xí)題可以考查物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念和能量觀念，如電場強(qiáng)度、電勢是電場的性質(zhì)，屬于物質(zhì)觀念；考查帶電粒子繞單個(gè)點(diǎn)電荷做圓周運(yùn)動(dòng)，或在兩個(gè)等量同種點(diǎn)電荷連線的中垂面上做圓周運(yùn)動(dòng)，或在點(diǎn)電荷的場中做直線運(yùn)動(dòng)等，這些都屬于運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念；在各種運(yùn)動(dòng)中涉及做功與能量的變化，可以考查學(xué)生的能量觀念。這些考查視角將促進(jìn)學(xué)生形成合理的知識結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，促進(jìn)學(xué)生物理觀念的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 創(chuàng)設(shè)問題情境有利于促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的進(jìn)一步發(fā)展

課標(biāo)命題建議中指出，試題的情境還要具有一定的問題性、真實(shí)性、探究性和開放性。在問題情境的創(chuàng)設(shè)上，點(diǎn)電荷電場的習(xí)題可以考慮將點(diǎn)電荷固定于三角形、平行四邊形、正方形、正四面體和正方體的頂點(diǎn)上，也可固定于圓形、圓柱體和三棱柱上考查學(xué)生空間想象力，考查學(xué)生對問題的分析與推理能力，將問題情境中的對象轉(zhuǎn)換成熟悉的模型，從而解決問題。

2.3 習(xí)題示例

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圖3

A.除無窮遠(yuǎn)處之外，菱形外部電場強(qiáng)度處處不為零

B.當(dāng)y0取某值時(shí)，可使得菱形內(nèi)部只存在兩個(gè)電場強(qiáng)度為零的點(diǎn)

C.當(dāng)y0=8l時(shí)，將一帶負(fù)電的試探電荷由點(diǎn)(4l，5l)移至點(diǎn)(0，-3l)，靜電力做正功

D.當(dāng)y0=4l時(shí)，將一帶負(fù)電的試探電荷放置在點(diǎn)(l，l)處，其所受到的靜電力方向與x軸正方向成45°傾斜向上

【試題分析】本題涉及的知識和技能的復(fù)雜程度較高，考查了點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度的特點(diǎn)、電場的疊加、靜電力做功等知識，試題深入考查學(xué)生的物理觀念，有助于學(xué)生完善知識系統(tǒng)，進(jìn)一步深入理解物理知識和物理規(guī)律，進(jìn)一步發(fā)展物理觀念。試題創(chuàng)設(shè)了四個(gè)等量同種點(diǎn)電荷分布在菱形四個(gè)頂點(diǎn)的問題情境，對學(xué)生幾何知識和數(shù)學(xué)能力要求較高，要求學(xué)生經(jīng)過科學(xué)推理，建構(gòu)熟悉的物理模型，再根據(jù)對稱性以及平行四邊形定則綜合分析與判斷。抓住菱形外側(cè)各個(gè)點(diǎn)電荷所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度均指向外側(cè)，結(jié)合電場強(qiáng)度的疊加規(guī)律，判斷菱形外部電場強(qiáng)度能否為零；根據(jù)電場強(qiáng)度的疊加得出O點(diǎn)電場強(qiáng)度為零，結(jié)合對稱性判斷菱形內(nèi)部是否只有兩個(gè)電場強(qiáng)度為零的點(diǎn)；根據(jù)每個(gè)電荷對試探電荷的做功情況，判斷靜電力的做功情況；根據(jù)電場強(qiáng)度的疊加得出點(diǎn)(l，l)處的電場強(qiáng)度，從而得出試探電荷在該點(diǎn)所受的靜電力方向。

3 基于發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)進(jìn)行習(xí)題教學(xué)

3.1 利用思維導(dǎo)圖培養(yǎng)物理觀念

思維導(dǎo)圖是一種有效利用發(fā)散性思維的方法，它模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放射結(jié)構(gòu)，以視覺形象化圖示展現(xiàn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)、外化大腦思維圖譜。思維導(dǎo)圖主要圍繞一個(gè)中心主題，由主題、節(jié)點(diǎn)、連線、文字、圖像和色彩等多種形式構(gòu)成“樹狀”知識結(jié)構(gòu)圖，直觀形象地表達(dá)人腦的思維特征。在物理教學(xué)中，思維導(dǎo)圖為物理問題的解決提供了有效的途徑。在點(diǎn)電荷電場習(xí)題教學(xué)中，教師可利用思維導(dǎo)圖促進(jìn)學(xué)生“物理觀念”這一素養(yǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。課標(biāo)指出，“學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4是用于高等院校招生錄取的學(xué)業(yè)水平等級性考試的命題依據(jù)”。“物理觀念”學(xué)科核心素養(yǎng)水平4的要求是“具有清晰的物理觀念，能從物理學(xué)的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象，能綜合應(yīng)用物理知識解決實(shí)際問題，能指導(dǎo)工作和生活實(shí)踐”，學(xué)生如果能夠輕松熟練地畫出關(guān)于點(diǎn)電荷電場的思維導(dǎo)圖(如圖4所示)，說明學(xué)生具有了清晰的物理觀念，就能更容易綜合應(yīng)用所學(xué)的物理知識解決實(shí)際問題。

圖4

3.2 強(qiáng)化實(shí)際情境與物理知識的轉(zhuǎn)換，培養(yǎng)科學(xué)思維能力

習(xí)題教學(xué)中，強(qiáng)化實(shí)際情境與物理知識的轉(zhuǎn)換是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維這一核心素養(yǎng)發(fā)展的重要方式。學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4涉及“科學(xué)思維”這一核心素養(yǎng)的要求是“能將實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型；能對綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論并作出解釋”，學(xué)科核心素養(yǎng)水平4的要求與學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本一致。2020年全國卷Ⅱ第20題創(chuàng)設(shè)了異種電荷均勻分布在上、下半圓的問題情境，考查點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度的疊加、電勢大小的判斷，這樣的情境創(chuàng)設(shè)比較新穎，如果學(xué)生不能將實(shí)際情境轉(zhuǎn)換成物理知識、建構(gòu)物理模型，則無法進(jìn)行作答。在比較電場強(qiáng)度時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行以下推理，實(shí)現(xiàn)實(shí)際情境與物理知識的轉(zhuǎn)換(如圖5所示)。

圖5

通過以上科學(xué)推理、模型建構(gòu)過程，學(xué)生科學(xué)思維的學(xué)科核心素養(yǎng)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

3.3 重視一題多解，培養(yǎng)科學(xué)思維中的邏輯推理能力

2019年全國卷Ⅲ第21題創(chuàng)設(shè)了電荷分布在正方體的兩個(gè)頂點(diǎn)的問題情境，考查點(diǎn)電荷電場強(qiáng)度的疊加、電勢及電勢能的判斷，這樣的問題情境是學(xué)生所熟悉的，但對學(xué)生的空間想象能力、科學(xué)思維能力要求較高。學(xué)生如果不能通過科學(xué)推理，構(gòu)建出熟悉的等量異種點(diǎn)電荷電場的平面模型，或?qū)Φ攘慨惙N點(diǎn)電荷電場的對稱性理解不透徹，學(xué)生將很難解答此類問題。

課標(biāo)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4涉及“科學(xué)思維”這一核心素養(yǎng)提到：“能恰當(dāng)使用證據(jù)證明物理結(jié)論；能對已有結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，采用不同方式分析解決物理問題?！边@要求教師要重視“一題多解”，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。課標(biāo)又提到：“教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程和物理規(guī)律的形成過程，是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑。”如關(guān)于兩等量異種點(diǎn)電荷連線的中點(diǎn)對稱的兩點(diǎn)的電場強(qiáng)度相等特點(diǎn)的分析，教師要引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)推理得到其特點(diǎn)(如圖6、圖7所示)。

圖6

圖7

如果學(xué)生明確其特點(diǎn)，就可以運(yùn)用矢量合成、電場分布對稱性、電場線分布等方法比較出2019年全國卷Ⅲ第21題中a、b兩點(diǎn)的電場強(qiáng)度，同時(shí)這也進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生物理觀念這一核心素養(yǎng)，提高了學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的物理知識解決實(shí)際問題的能力。

4 結(jié)語

高中物理教學(xué)中，要充分發(fā)揮習(xí)題教學(xué)的育人功能，在習(xí)題教學(xué)中要切實(shí)落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)，提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。