耦合物理信息渠道踐行習(xí)題設(shè)計(jì)與評價體系
——信息技術(shù)條件下的物理習(xí)題重構(gòu)策略思考

鄭行軍 肖巧玲

（1.福建省福鼎市第一中學(xué)，福建福鼎 355200；2.福建省教育科學(xué)研究所，福州 350003）

習(xí)題教學(xué)是物理教學(xué)、理科教學(xué)的重要組成部分，科學(xué)、合理具有實(shí)效性的習(xí)題對于評價學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知發(fā)展水平有著重要的影響。近幾年隨著信息通信技術(shù)的高速發(fā)展，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為主導(dǎo)的發(fā)展模式已經(jīng)深入到教育領(lǐng)域成為其中一個重要的組成部分，如何將互聯(lián)網(wǎng)的平臺、新一代信息通信技術(shù)有效地融入到物理習(xí)題中，從而提高習(xí)題教學(xué)的有效性是當(dāng)下物理教學(xué)研究的一項(xiàng)重要課題[1]。因此，本研究基于大數(shù)據(jù)等技術(shù)優(yōu)勢，對現(xiàn)有的物理習(xí)題設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新與改革，使得“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的人機(jī)交互、人工智能等教育形式在物理習(xí)題教學(xué)中成為可能，努力構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+物理習(xí)題”的教學(xué)新思路。

1 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”條件下的物理習(xí)題設(shè)計(jì)策略

1.1 以題型為主線重構(gòu)習(xí)題體系

物理習(xí)題是實(shí)際物理現(xiàn)象和規(guī)律的簡化、科學(xué)抽象和理想化過程[2]，具有典型的模型化特征。學(xué)生解答物理習(xí)題的過程就是在模型化的物理情境中靈活地應(yīng)用物理知識和方法的過程，因此，遵循認(rèn)識模型→分析習(xí)題→探究過程→得出結(jié)論的解題策略，是解答物理習(xí)題的有效之路。教師在進(jìn)行習(xí)題設(shè)計(jì)時以物理模型為主線，引導(dǎo)學(xué)生有意識地在物理情境中抽象出物理模型的解題意識；在命制與教學(xué)同步的練習(xí)檢測卷時，以題型為主線，對全章知識進(jìn)行模塊化的梳理，形成一個清晰化、結(jié)構(gòu)化的習(xí)題資源系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生完成知識內(nèi)容的建構(gòu)和檢測知識與技能、過程與方法、情感價值觀等教學(xué)目標(biāo)。

以機(jī)械能習(xí)題命題規(guī)劃為例，根據(jù)章節(jié)知識特點(diǎn)、考綱要求和學(xué)生認(rèn)知水平將全章習(xí)題規(guī)劃為基本概念、題型歸類、實(shí)驗(yàn)探究3個模塊重新歸類，以題型為全章習(xí)題主體，引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化模型化解題意識，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階，如圖1所示。

1.2 習(xí)題分布設(shè)置呈現(xiàn)層次性和漸變性

習(xí)題的設(shè)計(jì)與選取是習(xí)題教學(xué)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵點(diǎn)?？茖W(xué)的習(xí)題設(shè)計(jì)方案有利于貫穿知識點(diǎn)，開闊思路，調(diào)動學(xué)生的思維，培養(yǎng)應(yīng)變能力，提高解題的效率[3]。中學(xué)物理的學(xué)習(xí)不管是在知識深度上，還是在解決問題的方法上，學(xué)生都需要一個逐步學(xué)會的過程，因此，對于習(xí)題的設(shè)計(jì)要注重層次性和漸變性。教師可以根據(jù)教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生反饋的信息，按照學(xué)生思維能力、維度系數(shù)和教學(xué)時段等教學(xué)指標(biāo)[4]，參照不同階段習(xí)題教學(xué)需達(dá)成的能力要求，劃分習(xí)題層次和創(chuàng)設(shè)由淺入深、由表及里的漸變式習(xí)題情境。習(xí)題層次間循序漸進(jìn)，緊密銜接；習(xí)題背景與學(xué)習(xí)內(nèi)容緊密相關(guān)，通過不同的漸變式習(xí)題情境展現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生由具體邏輯推理過渡到抽象的試題情境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對實(shí)際陌生的情境問題的處理。根據(jù)學(xué)生情況把握好基礎(chǔ)題、中檔題、難題的比例（見表1），通過對不同層次的習(xí)題解答情況了解學(xué)生對于知識和物理思維方法掌握的程度。

圖1 機(jī)械能習(xí)題設(shè)計(jì)方案

表1 習(xí)題題型分布的設(shè)置劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 設(shè)計(jì)方案滲透科學(xué)思維和關(guān)鍵能力

2.1 細(xì)化習(xí)題設(shè)置結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)學(xué)生思維發(fā)展進(jìn)階

教學(xué)反饋是每一位對物理課堂教學(xué)質(zhì)量具有高追求的物理教師重視的問題。與其他反饋途徑相比較，習(xí)題的教學(xué)反饋功能更加客觀，教師可通過布置的習(xí)題作業(yè)，了解學(xué)生對課堂知識和對物理思維方法的掌握程度；習(xí)題考查的目的不僅僅能反映簡單的結(jié)果對錯和機(jī)械的公式呈現(xiàn)，而且能同時體現(xiàn)出學(xué)生在解題中對物理過程分析和物理方法的掌握程度。因此，對于習(xí)題的設(shè)計(jì)方案要進(jìn)一步細(xì)化至過程和思維方法層面，測驗(yàn)試題不僅可以體現(xiàn)學(xué)生對知識和技能的掌握，而且可以體現(xiàn)學(xué)生對于物理過程和物理方法的掌握及知識的遷移能力。

以中學(xué)物理功率中兩類啟動問題為例，作為一個實(shí)際的物理情景，本節(jié)課的設(shè)計(jì)意圖在于培養(yǎng)學(xué)生利用物理規(guī)律宏觀地去分析物體運(yùn)動規(guī)律的動態(tài)變化過程的能力[5],在分析過程中涉及運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、圖像、瞬時功率、功能關(guān)系等知識，這對高一新生來說是一個比較綜合難把握的知識點(diǎn)。因此，采用構(gòu)建模型的方法找出兩類啟動中常見的動體模型和問題模型，幫助學(xué)生比較全面地掌握此類問題可能的命題方向和解題策略，這對于提高學(xué)生解題效率、活化知識結(jié)構(gòu)是一種有效的教學(xué)手段。為了能更好地反饋學(xué)生對于動體模型和問題模型的掌握程度，進(jìn)行習(xí)題情境設(shè)置時采用細(xì)化手段。

例1：某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了一種裝置用于提升貨物，如圖2所示，在水平面上固定一豎直桿，一繃緊的輕質(zhì)纜繩通過無摩擦的小定滑輪O與在高處的電動機(jī)相連，另一端和套在豎直桿上的質(zhì)量為m的貨物連接，開始時貨物靜止在桿底端的A點(diǎn)。某時刻電動機(jī)以恒定的功率P卷動纜繩，拉著貨物沿桿由A運(yùn)動到B，已知貨物運(yùn)動到B點(diǎn)的速度大小為v，此時纜繩與豎直桿的夾角為θ，貨物上升的高度為h，貨物與豎直桿間的摩擦力恒為f，則下述說法正確的是（ ）

圖2

A.貨物運(yùn)動到B點(diǎn)時纜繩拉力

B.貨物運(yùn)動到B點(diǎn)時的加速度

C.貨物由A運(yùn)動到B所經(jīng)歷的時間t=

D.從A到B過程中貨物所受合力的大小和方向都在變化

①本題涉及的動體模型是（ ）

A.水平面恒定功率啟動問題

B.水平面恒定牽引力啟動問題

C.豎直面恒定功率啟動問題

D.豎直面恒定牽引力啟動問題

E.斜面恒定功率啟動問題

F.斜面恒定牽引力啟動問題

②本題涉及的問題模型有（ ）

A.涉及物體運(yùn)動的最大速度、額定功率或阻力的物理量分析

B.涉及勻加速過程物體運(yùn)動時間的物理量分析

C.功率恒定時，涉及物體速度和加速度關(guān)系的物理量分析

D.涉及某時刻牽引力的功率或某段時間牽引力做的功

E.涉及恒定功率時，物體運(yùn)動位移與運(yùn)動時間的關(guān)系

③本題你選擇的答案是（ ）

④簡答你認(rèn)為通過該題目學(xué)習(xí)有哪些收獲？

習(xí)題的細(xì)化設(shè)計(jì)方案，不僅得到了習(xí)題答案，而且可以很好地呈現(xiàn)學(xué)生在解題過程中的思維、方法和技巧呈現(xiàn)。依據(jù)大數(shù)據(jù)分析，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對學(xué)生的答題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提出智能化建議，并將數(shù)據(jù)實(shí)時反饋給教師；教師根據(jù)反饋的結(jié)果與建議，可以更深層次地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)思維、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)認(rèn)知等信息，把握好后續(xù)的教學(xué)重點(diǎn)。

2.2 變式、關(guān)聯(lián)重構(gòu)，觸發(fā)學(xué)生思維遷移

物理是一門以模型構(gòu)建的學(xué)科，所有物理現(xiàn)象和物理規(guī)律都會依據(jù)一個基本的物理模型而后衍生拓展，因此在進(jìn)行習(xí)題命題時，應(yīng)根據(jù)物理學(xué)科特點(diǎn)，以模型為基本結(jié)構(gòu)，不斷附加相關(guān)信息，構(gòu)建習(xí)題支架。教師在進(jìn)行習(xí)題選取和設(shè)計(jì)時，可以根據(jù)學(xué)生當(dāng)時的學(xué)習(xí)認(rèn)知發(fā)展水平，科學(xué)合理地選擇題源，對習(xí)題進(jìn)行再構(gòu)造，對題設(shè)條件信息合理延伸，不斷地變化知識結(jié)構(gòu)、思維方法，引導(dǎo)學(xué)生突破解題思維定勢，觸發(fā)思維遷移，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)效果的螺旋式上升。

例2：如圖3所示，豎直固定的光滑的絕緣桿上O點(diǎn)套有一個質(zhì)量為m，帶電量為?q的小環(huán)。在桿的左側(cè)固定一個帶電量為+Q的點(diǎn)電荷，桿上A、B兩點(diǎn)與Q正好構(gòu)成一邊長為a的等邊三角形，OA間距離也為a?，F(xiàn)將小環(huán)從O點(diǎn)由靜止釋放，若小環(huán)通過A點(diǎn)的速率為，則小環(huán)在從O到B的過程中（ ）

圖3

A.在O點(diǎn)時，q與Q形成的系統(tǒng)電勢能最大

B.到達(dá)AB的中點(diǎn)時，小環(huán)速度一定最大

C.從O到B，電場力對小環(huán)一直做正功

D.到達(dá)B點(diǎn)時，小環(huán)的速率為

對例2進(jìn)行習(xí)題關(guān)聯(lián)變式設(shè)計(jì)。

例3：如圖4所示，一根光滑絕緣直桿豎直固定放置，桿兩側(cè)水平對稱位置固定兩個帶電量為+Q的點(diǎn)電荷，已知兩點(diǎn)電荷間的距離為，OA=AB=BC=a，靜電力常量為k?，F(xiàn)使一質(zhì)量為m、帶電量為?q的小環(huán)從圖示位置的O點(diǎn)由靜止釋放，若通過A點(diǎn)的速率為，則小環(huán)在下落過程中（ ）

A.小環(huán)在下落過程一定始終做加速運(yùn)動

B.小環(huán)通過C點(diǎn)的速率為

C.小環(huán)運(yùn)動到A點(diǎn)時的加速度為

D.小環(huán)由O運(yùn)動到C的過程中電勢能先增大后減小

案例以場源電荷為基礎(chǔ)考查變力做功、電場線與等勢面、電學(xué)量的分析、牛頓運(yùn)動定律等知識點(diǎn)，原題以常規(guī)單點(diǎn)電荷模型設(shè)計(jì)了題干條件，由于對點(diǎn)電荷的電場線與等勢面的分布規(guī)律比較熟悉，學(xué)生會比較容易從題設(shè)信息挖掘出隱含條件A、B為等勢點(diǎn)，因此，對于電場線與等勢面知識點(diǎn)檢測會略顯弱化。變式設(shè)計(jì)題將單點(diǎn)電荷改為等量同性點(diǎn)電荷模型，增加了電場線與等勢面知識的信息提取量，可以更深層地檢驗(yàn)學(xué)生對于此項(xiàng)知識的整體掌握和知識遷移能力，同時學(xué)生也可以通過關(guān)聯(lián)習(xí)題的類比，歸納和深化總結(jié)，提取同類題型的相關(guān)信息，形成系統(tǒng)的解題思路。通過對原有習(xí)題的變式重構(gòu)，可以很好地檢測學(xué)生是否真正理解電場線與等勢面的內(nèi)涵，從而提升學(xué)生的審題和綜合分析能力。

2.3 科學(xué)組合，加強(qiáng)學(xué)生推理、演化和綜合分析能力

物理試題的其中一個重要功能是要考查學(xué)生是否能夠把一個復(fù)雜問題合理肢解并找出它們之間的隱含聯(lián)系；是否能夠提出解決問題的方法，運(yùn)用物理知識綜合解決所遇到的問題。基于這個思想，在進(jìn)行習(xí)題命置時將兩個或幾個簡單模型進(jìn)行有機(jī)組合成為一個新的習(xí)題也是一個很好的設(shè)計(jì)思路。

例4：科技的發(fā)展，使得人類在其他星球上生活成為可能。未來某一天，有位同學(xué)在某星球表面做了一個實(shí)驗(yàn)，間接估算出他所在星球的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。將一滑塊（可視為質(zhì)點(diǎn)）放置于水平桌面上，滑塊底端安裝有壓力傳感器，可直接測量出滑塊對桌面的壓力，對滑塊施加一斜向上的拉力使滑塊沿桌面向右加速運(yùn)動，拉力傳感器可測量出拉力的大小。當(dāng)壓力傳感器讀數(shù)為0時，該同學(xué)記下拉力傳感器的讀數(shù)為F。已知滑塊與壓力傳感器的總質(zhì)量為m，拉力方向與水平方向的夾角為θ，該星球的半徑為R，引力常量為G，由上述信息可判斷出以下結(jié)論正確的是（ ）

圖5

D.離行星表面距離為2R的地方的重力加速度為

該題以重力加速度為關(guān)聯(lián)量考查了力的合成、牛頓運(yùn)動定律及萬有引力定律。組合題型的分析要求學(xué)生首先要清楚了解基本模型的解題策略，而后以關(guān)聯(lián)量為橋梁聯(lián)立求解，即可突破此題的思維障礙。

2.4 數(shù)理有機(jī)融合，提升應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力

數(shù)學(xué)與物理是兩門緊密聯(lián)系的學(xué)科，數(shù)學(xué)符號是物理概念、規(guī)律最常用的表述形式，是研究和解決物理問題的重要工具，扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底和良好的數(shù)學(xué)建模能力是學(xué)好物理的基礎(chǔ)?？荚嚧缶V明確要求學(xué)生能運(yùn)用幾何圖形、函數(shù)圖像進(jìn)行表達(dá)、分析物理問題。在設(shè)計(jì)物理習(xí)題時應(yīng)體現(xiàn)數(shù)學(xué)知識、數(shù)學(xué)方法的運(yùn)用，提升學(xué)生綜合分析能力。

例5：如圖6（甲）所示，在水平地面上固定一光滑斜面，斜面由豎直部分AB和傾斜部分BC組成，已知豎直部分AB高度差H=1.25 m，斜面傾角θ=37°。從斜面頂端以初速度v0=5 m/s平拋一小球a最終落至斜面上，圖6（乙）中的曲線是一光滑軌道，形狀與小球a平拋運(yùn)動的軌跡完成重合，讓一質(zhì)量m=0.5 kg的滑塊b從軌道頂端無初速下滑，且始終沒有脫離軌道。a、b都可看成質(zhì)點(diǎn)，忽略空氣阻力，重力加速度g=10 m/s2，下列判斷正確的是（ ）

圖6（乙）

圖6（甲）

A.小球a在空中運(yùn)動的時間為1 s

B.小球a下落的高度為2.25 m

C.滑塊b滑至斜面時水平方向的速度為5 m/s

D.滑塊b滑至斜面時重力的瞬時功率為205W

該題綜合了平拋運(yùn)動和曲線方程等多個知識點(diǎn)，兩個物體之間的隱含關(guān)聯(lián)信息即為相同的軌跡方程。分析圖6（甲）的平拋運(yùn)動軌跡，由嫁接面傾角與位移的幾何關(guān)系和綜合平拋運(yùn)動的規(guī)律，可求得運(yùn)動的時間、分位移和小球運(yùn)動至斜面的速度；由軌跡的幾何關(guān)系，滑塊從軌道下滑到斜面和小球平拋落到斜面時的速度方向相同，以速度方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)量求滑塊運(yùn)動的水平分速度和瞬時功率。題目涉及運(yùn)動的合成與分解、動能定理、二次函數(shù)等數(shù)學(xué)和物理知識，是一道非常典型的數(shù)理型物理習(xí)題。

3 配套的習(xí)題資源和后臺管理評測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

基于互聯(lián)網(wǎng)平臺的習(xí)題教學(xué)模式創(chuàng)造了一種新的教育環(huán)境，使學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)效果反饋、學(xué)習(xí)互動、學(xué)習(xí)信息交流等教學(xué)要素得到了很大的提升。在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、多媒體等優(yōu)勢技術(shù)的支持下，試題與技術(shù)的融合不僅可以檢測學(xué)生對物理知識的整體掌握，而且可以體現(xiàn)學(xué)生在處理習(xí)題問題過程中的思維反應(yīng)度。教師可以在線上對試題進(jìn)行管理，對試題更改、整理、分類添加，測試題呈現(xiàn)可以采用選擇、簡答、計(jì)算等形式；學(xué)生在線上完成習(xí)題訓(xùn)練后，系統(tǒng)評分統(tǒng)計(jì)，并將測試結(jié)果反饋給教師。教師可以及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)達(dá)到的程度等情況，并作出相應(yīng)的決策，調(diào)整教學(xué)策略。習(xí)題資源與后臺管理評測系統(tǒng)如圖7所示。

基于互聯(lián)網(wǎng)平臺的習(xí)題教學(xué)模式創(chuàng)造了一種全新的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力得以充分的發(fā)揮。相較傳統(tǒng)的習(xí)題設(shè)計(jì)，基于信息技術(shù)條件下的物理習(xí)題重構(gòu)具有如下優(yōu)勢：1）細(xì)化了習(xí)題信息結(jié)構(gòu)，提升了習(xí)題的檢測反饋功能；2）深化了習(xí)題模型化構(gòu)建的策略，在“互聯(lián)網(wǎng)+”條件下，習(xí)題的交互和對比功能得以實(shí)現(xiàn)；3）技術(shù)和手段的有效融合，延伸了對學(xué)生推理能力、綜合分析能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)分析物理問題能力的考查，很好體現(xiàn)了新高考對學(xué)生的能力要求；4）使學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、教學(xué)效果得到實(shí)時反饋、教學(xué)評價體系得以有效建構(gòu)、課內(nèi)教學(xué)和課外監(jiān)測的統(tǒng)一成為可能，為新課改實(shí)施有效性教學(xué)提供了科學(xué)依據(jù)。在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的大環(huán)境下，教師需要結(jié)合學(xué)生實(shí)際、教學(xué)要求等各項(xiàng)資源，積極研究習(xí)題結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)習(xí)題內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)和習(xí)題檢測的雙向統(tǒng)一。

圖7 習(xí)題資源與后臺管理評測系統(tǒng)