论文部分内容阅读
摘 要：问题解决中，良好的物理学科核心素养至少存在这样三个表现特征：能准确地界定问题所属领域，能结合问题特征联想适切的物理概念，能在问题分析过程中能动地选择规律和方法。日常教学中，可引导学生厘清问题领域，扎实物理观念基础;澄清概念缘起，形成正确的物理观念;明晰规律条件，弥补科学思维的缺失。
关键词：问题解决;物理学科核心素养;问题领域;概念缘起;规律条件
一、问题解决过程中暴露出的物理学科核心素养缺失
在高三年级一次习题教学中，学生在问题（主要涉及习题1、2）解决过程中出现了一些值得关注的表现。
习题1 如图1所示，人站在自动扶梯上不动，随扶梯向上匀速运动的过程中，下列说法中正确的是 （ ）
A. 人所受的合力对人做正功
B. 重力对人做负功
C. 扶梯对人做的功等于人增加的重力势能
D. 摩擦力对人做的功等于人机械能的变化
习题2 （多选）如下页图2所示，轻质弹簧的左端固定，并处于自然状态。小物块的质量为m，从A点向左沿水平地面运动，压缩弹簧后被弹回，运动到A点恰好静止。物块向左运动的最大距离为s，与地面间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g，弹簧未超出弹性限度。在上述过程中 （ ）
A. 弹簧的最大弹力为μmg
B. 物块克服摩擦力做的功为2μmgs
C. 弹簧的最大弹性势能为μmgs
D. 物块在A点的初速度为 2μgs
习题1讲解结束后，教师提问：若自动扶梯向上匀加速运动，扶梯对人做的功对应的是什么能量的变化？有学生提出这样的疑问：“为什么改为‘匀加速’后，扶梯对人做的功等于人增加的机械能而不是重力势能？我不懂的是，人和扶梯组成的系统应该是能量守恒的？人只受三个力，那其中两个力的变化不就等于第三个力的变化吗？”
在习题2的解决中，有学生这样分析选项的合理性：对选项A，当物块速度最大时，弹簧弹力最大……对选项B，可以根据动能定理计算摩擦力做功……
可以看出，即使是高三的学生，还存在明显的错误认识。在剖析学生的错误原因时，如果仅仅就事论事，纠正学生的个性化错误，只能是“头痛医头，脚痛医脚”。只有针对学生在“这个”问题中的表现，从更上位的视角分析，才能立足细节，发现学生的物理学科核心素养缺失问题。
学生关于习题1变式的疑问，表明其掌握了功、能量、功能的关系以及守恒等概念
、规律（这些是物理观念的组成部分），但在具体的问题解决中，出现了概念、规律与问题不匹配的情况：对功和能量的关系不清楚，认识不到人的机械能变化的原因（和外力做功的关系）;对机械能守恒的条件不清楚，忽略了人和扶梯组成的系统还受到电动机的牵引力;对守恒的观念没有理解，错误地认为还存在力的守恒关系。可以说，学生并没有形成正确的物理观念。
学生在分析习题2时，没有就事论事地分析，仅依据记住的一些结论和模型展开推理，而分析思路与实际问题并不兼容：选项A中，弹簧弹力最大的时刻即为弹簧形变量最大的时刻，应该是物体速度减为零的时刻，而不是物体速度最大的时刻;选项B中，物体克服摩擦力做的功，应该根据物体运动的过程进行分析，即从A点向左运动至B点再返回A点的过程中，摩擦力大小不变，直接根据摩擦力做功的特点就可以分析求解，而不必借助于动能定理。这反映出学生的科学思维有待进一步的提升。
二、如何在问题解决中提升物理学科核心素养
问题解决中，良好的物理学科核心素养至少存在这样三种表现特征：一是能准确地界定问题所属领域，简言之“认识（这个）一些现象”;二是能结合问题特征联想适切的物理概念，简言之“想起（一个）一些概念”;三是能在问题分析过程中能动地选择规律和方法，简言之“运用（一种）一些方法”。因而，日常教學中，可从以下三个方面入手，着力提升学生的物理学科核心素养。
（一）厘清问题的领域，扎实物理观念基础
每个问题都有其所属领域，这种领域主要是以涉及的知识进行分类的。高中物理大的知识类别有力（运动）、热、光、电（磁）、原（近代物理），每个大的类别又可以进一步细化。如运动可以分为直线运动、曲线运动，曲线运动还可以再分为匀变速曲线运动和非匀变速曲线运动等。只有准确地将问题归类，才能进一步地分析、判断。
比如，对图3所示的带电粒子在匀强磁场中仅受磁场力作用的运动过程，有学生会将该粒子的运动轨迹当作抛物线来处理。再如，对图4所示的光谱，有学生会认为是光的干涉图样。这些都是混淆了问题的领域导致的。
在教学过程中，教师经常会发现学生答非所问，其本质就是没有厘清问题的背景知识所属的领域。这需要教师在教学过程中抓住问题的特征加以引导，让学生逐渐养成能紧扣问题涉及的知识领域特征进行思考的习惯。
对于图3，判断粒子运动轨迹的特征，需要教师引导学生从粒子受力的特点出发，分析粒子运动过程中速度与力的关系，从而明晰粒子的运动轨迹是圆周。对于图4，需要教师引导学生从干涉产生的条件出发分析。光屏上某位置到两个相干光源的路程差为波长的整数倍（半波长的偶数倍）时出现亮条纹，光屏上某位置到两个相干光源的路程差为半波长的奇数倍时出现暗条纹。有了这样的认识基础，就容易理解记忆干涉条纹的等间距特征，不会错把图4认为是干涉图样了。
因此，问题领域的界定，不是简单地从“形似”的角度、凭借碎片化的记忆痕迹来判断，而是需要教师引导学生从问题的本质特征来分析，为学生正确物理观念的形成打下扎实的基础。
（二）澄清概念的缘起，形成正确物理观念
物理概念是解决物理问题的最小单位，也是关键要素。物理学习是物理概念不断积累的过程，同时在基本物理概念的基础上，还衍生出一些相关的结论。但许多教师往往习惯于让学生记住这些结论而忽视引发这些结论的原始概念，导致学生在处理问题过程中生搬硬套。 比如，对图5所示的实验装置，学生不考虑实验的目的与原理，总认为该实验装置中需要平衡摩擦力，总认为需要钩码质量远小于木块质量。再如，图6中，整个装置处于方向竖直向下、范围足够大的非匀强磁场中，沿导轨建立x轴，磁场的磁感应强度满足关系B=B0+kx。金属棒MN向右匀速运动过程中，有学生认为回路中产生的电动势除了金属棒MN切割磁感线产生的动生电动势之外，还存在感生电动势。
随着训练量的增加，学生经常会看到“似曾相识”的问题，就错误地认为该问题是之前曾经遇到的，从而套用相关的结论来处理。这样简单地凭着记忆，套用一些结论处理“形似”的问题，实则是一种“刻舟求剑”。
如果要利用图5所示的实验装置测量木块与木板之间的动摩擦因素，显然不能平衡摩擦力;如果要利用该装置验证功与系统动能变化的关系，就不需要钩码质量远小于木块质量。在图6中，虽然金属棒向右运动导致所围区域的磁场在变化，但感生电动势本质上是由随时间变化的磁场产生的，此處的磁场是静态的，只有因金属棒运动切割磁感应线而产生的动生电动势。这些需要教师引导学生回到概念的源头处去理解与分析，才不至于产生概念的错位，从而形成正确的物理观念。
（三）明晰规律的条件，弥补科学思维缺失
规律是概念的整合与运用，每个规律的运用都存在与之相匹配的条件。物理条件往往隐藏在过程中，隐藏在细节中，只有充分地挖掘物理过程和细节，才能使条件水落石出，才能使规律的运用水到渠成。
比如，对图7所示的霍尔元件，学生分析得到：当通过霍尔元件的载流子为正时，载流子向上偏转;然后会不加分析地认为当通过霍尔元件的载流子为负时，载流子向下偏转。
再如，对于“如图8所示，金属棒AB在匀强磁场中运动一段位移的过程中，求通过定值电阻R1的电荷量”这一问题，学生会套用Q=
NΔΦ R 来求解。
学生科学思维缺失的表现，有时是根据其记忆、经验、感觉来判断，有时是一种非此即彼、二元对立的简单化思维。这种缺失需要教师在日常的教学细节中加以关注并进行针对性的指导。
有这样一个问题：物体以初速度v沿光滑斜面向上运动，当其速度大小为 v 2 时，经历了多少时间？课堂中， 教师问道：
“这道习题为什么有两个答案呢？”一个学生回答：“物体向上滑行一段时间，速度变为0之后将下滑。上滑与下滑的两个阶段都存在速度大小为 v 2 的时刻。”另一个学生答道：“因为速度是矢量，速度大小为 v 2 ，方向可能向上，也可能向下，所以有两个答案。”这两个学生的回答都正确，教师此时做了如下点评：“第二位学生从速度的矢量性角度给出了分析，说明他对速度的矢量性掌握较好，但这是一种从概念到概念的分析过程。第一位学生的回答则还原了物体的实际运动过程，更符合物理问题分析的一般步骤。物理学习就需要从‘物’到‘理’的思维过程，只有坚持这种还原物理过程的分析，才能让运用到的物理概念更真实，也才能使问题分析的过程更可靠，这正是我们需要的思维习惯。”如此细腻的点评，引导学生关注对题目中完整过程的发掘，有效弥补了学生科学思维的缺失。
*本文系江苏省中小学教学研究第十三期立项课题“普通高中物理关键能力水平特征、培养途径及测评研究”（编号：2019JK13 L192）的阶段性研究成果。
关键词：问题解决;物理学科核心素养;问题领域;概念缘起;规律条件
一、问题解决过程中暴露出的物理学科核心素养缺失
在高三年级一次习题教学中，学生在问题（主要涉及习题1、2）解决过程中出现了一些值得关注的表现。
习题1 如图1所示，人站在自动扶梯上不动，随扶梯向上匀速运动的过程中，下列说法中正确的是 （ ）
A. 人所受的合力对人做正功
B. 重力对人做负功
C. 扶梯对人做的功等于人增加的重力势能
D. 摩擦力对人做的功等于人机械能的变化
习题2 （多选）如下页图2所示，轻质弹簧的左端固定，并处于自然状态。小物块的质量为m，从A点向左沿水平地面运动，压缩弹簧后被弹回，运动到A点恰好静止。物块向左运动的最大距离为s，与地面间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g，弹簧未超出弹性限度。在上述过程中 （ ）
A. 弹簧的最大弹力为μmg
B. 物块克服摩擦力做的功为2μmgs
C. 弹簧的最大弹性势能为μmgs
D. 物块在A点的初速度为 2μgs
习题1讲解结束后，教师提问：若自动扶梯向上匀加速运动，扶梯对人做的功对应的是什么能量的变化？有学生提出这样的疑问：“为什么改为‘匀加速’后，扶梯对人做的功等于人增加的机械能而不是重力势能？我不懂的是，人和扶梯组成的系统应该是能量守恒的？人只受三个力，那其中两个力的变化不就等于第三个力的变化吗？”
在习题2的解决中，有学生这样分析选项的合理性：对选项A，当物块速度最大时，弹簧弹力最大……对选项B，可以根据动能定理计算摩擦力做功……
可以看出，即使是高三的学生，还存在明显的错误认识。在剖析学生的错误原因时，如果仅仅就事论事，纠正学生的个性化错误，只能是“头痛医头，脚痛医脚”。只有针对学生在“这个”问题中的表现，从更上位的视角分析，才能立足细节，发现学生的物理学科核心素养缺失问题。
学生关于习题1变式的疑问，表明其掌握了功、能量、功能的关系以及守恒等概念
、规律（这些是物理观念的组成部分），但在具体的问题解决中，出现了概念、规律与问题不匹配的情况：对功和能量的关系不清楚，认识不到人的机械能变化的原因（和外力做功的关系）;对机械能守恒的条件不清楚，忽略了人和扶梯组成的系统还受到电动机的牵引力;对守恒的观念没有理解，错误地认为还存在力的守恒关系。可以说，学生并没有形成正确的物理观念。
学生在分析习题2时，没有就事论事地分析，仅依据记住的一些结论和模型展开推理，而分析思路与实际问题并不兼容：选项A中，弹簧弹力最大的时刻即为弹簧形变量最大的时刻，应该是物体速度减为零的时刻，而不是物体速度最大的时刻;选项B中，物体克服摩擦力做的功，应该根据物体运动的过程进行分析，即从A点向左运动至B点再返回A点的过程中，摩擦力大小不变，直接根据摩擦力做功的特点就可以分析求解，而不必借助于动能定理。这反映出学生的科学思维有待进一步的提升。
二、如何在问题解决中提升物理学科核心素养
问题解决中，良好的物理学科核心素养至少存在这样三种表现特征：一是能准确地界定问题所属领域，简言之“认识（这个）一些现象”;二是能结合问题特征联想适切的物理概念，简言之“想起（一个）一些概念”;三是能在问题分析过程中能动地选择规律和方法，简言之“运用（一种）一些方法”。因而，日常教學中，可从以下三个方面入手，着力提升学生的物理学科核心素养。
（一）厘清问题的领域，扎实物理观念基础
每个问题都有其所属领域，这种领域主要是以涉及的知识进行分类的。高中物理大的知识类别有力（运动）、热、光、电（磁）、原（近代物理），每个大的类别又可以进一步细化。如运动可以分为直线运动、曲线运动，曲线运动还可以再分为匀变速曲线运动和非匀变速曲线运动等。只有准确地将问题归类，才能进一步地分析、判断。
比如，对图3所示的带电粒子在匀强磁场中仅受磁场力作用的运动过程，有学生会将该粒子的运动轨迹当作抛物线来处理。再如，对图4所示的光谱，有学生会认为是光的干涉图样。这些都是混淆了问题的领域导致的。
在教学过程中，教师经常会发现学生答非所问，其本质就是没有厘清问题的背景知识所属的领域。这需要教师在教学过程中抓住问题的特征加以引导，让学生逐渐养成能紧扣问题涉及的知识领域特征进行思考的习惯。
对于图3，判断粒子运动轨迹的特征，需要教师引导学生从粒子受力的特点出发，分析粒子运动过程中速度与力的关系，从而明晰粒子的运动轨迹是圆周。对于图4，需要教师引导学生从干涉产生的条件出发分析。光屏上某位置到两个相干光源的路程差为波长的整数倍（半波长的偶数倍）时出现亮条纹，光屏上某位置到两个相干光源的路程差为半波长的奇数倍时出现暗条纹。有了这样的认识基础，就容易理解记忆干涉条纹的等间距特征，不会错把图4认为是干涉图样了。
因此，问题领域的界定，不是简单地从“形似”的角度、凭借碎片化的记忆痕迹来判断，而是需要教师引导学生从问题的本质特征来分析，为学生正确物理观念的形成打下扎实的基础。
（二）澄清概念的缘起，形成正确物理观念
物理概念是解决物理问题的最小单位，也是关键要素。物理学习是物理概念不断积累的过程，同时在基本物理概念的基础上，还衍生出一些相关的结论。但许多教师往往习惯于让学生记住这些结论而忽视引发这些结论的原始概念，导致学生在处理问题过程中生搬硬套。 比如，对图5所示的实验装置，学生不考虑实验的目的与原理，总认为该实验装置中需要平衡摩擦力，总认为需要钩码质量远小于木块质量。再如，图6中，整个装置处于方向竖直向下、范围足够大的非匀强磁场中，沿导轨建立x轴，磁场的磁感应强度满足关系B=B0+kx。金属棒MN向右匀速运动过程中，有学生认为回路中产生的电动势除了金属棒MN切割磁感线产生的动生电动势之外，还存在感生电动势。
随着训练量的增加，学生经常会看到“似曾相识”的问题，就错误地认为该问题是之前曾经遇到的，从而套用相关的结论来处理。这样简单地凭着记忆，套用一些结论处理“形似”的问题，实则是一种“刻舟求剑”。
如果要利用图5所示的实验装置测量木块与木板之间的动摩擦因素，显然不能平衡摩擦力;如果要利用该装置验证功与系统动能变化的关系，就不需要钩码质量远小于木块质量。在图6中，虽然金属棒向右运动导致所围区域的磁场在变化，但感生电动势本质上是由随时间变化的磁场产生的，此處的磁场是静态的，只有因金属棒运动切割磁感应线而产生的动生电动势。这些需要教师引导学生回到概念的源头处去理解与分析，才不至于产生概念的错位，从而形成正确的物理观念。
（三）明晰规律的条件，弥补科学思维缺失
规律是概念的整合与运用，每个规律的运用都存在与之相匹配的条件。物理条件往往隐藏在过程中，隐藏在细节中，只有充分地挖掘物理过程和细节，才能使条件水落石出，才能使规律的运用水到渠成。
比如，对图7所示的霍尔元件，学生分析得到：当通过霍尔元件的载流子为正时，载流子向上偏转;然后会不加分析地认为当通过霍尔元件的载流子为负时，载流子向下偏转。
再如，对于“如图8所示，金属棒AB在匀强磁场中运动一段位移的过程中，求通过定值电阻R1的电荷量”这一问题，学生会套用Q=
NΔΦ R 来求解。
学生科学思维缺失的表现，有时是根据其记忆、经验、感觉来判断，有时是一种非此即彼、二元对立的简单化思维。这种缺失需要教师在日常的教学细节中加以关注并进行针对性的指导。
有这样一个问题：物体以初速度v沿光滑斜面向上运动，当其速度大小为 v 2 时，经历了多少时间？课堂中， 教师问道：
“这道习题为什么有两个答案呢？”一个学生回答：“物体向上滑行一段时间，速度变为0之后将下滑。上滑与下滑的两个阶段都存在速度大小为 v 2 的时刻。”另一个学生答道：“因为速度是矢量，速度大小为 v 2 ，方向可能向上，也可能向下，所以有两个答案。”这两个学生的回答都正确，教师此时做了如下点评：“第二位学生从速度的矢量性角度给出了分析，说明他对速度的矢量性掌握较好，但这是一种从概念到概念的分析过程。第一位学生的回答则还原了物体的实际运动过程，更符合物理问题分析的一般步骤。物理学习就需要从‘物’到‘理’的思维过程，只有坚持这种还原物理过程的分析，才能让运用到的物理概念更真实，也才能使问题分析的过程更可靠，这正是我们需要的思维习惯。”如此细腻的点评，引导学生关注对题目中完整过程的发掘，有效弥补了学生科学思维的缺失。
*本文系江苏省中小学教学研究第十三期立项课题“普通高中物理关键能力水平特征、培养途径及测评研究”（编号：2019JK13 L192）的阶段性研究成果。