基于核心素養(yǎng)的高中物理復(fù)習(xí)課延展進路探索

徐衛(wèi)華

（南通市教育科學(xué)研究院，江蘇 南通 226001）

高中物理復(fù)習(xí)課設(shè)置問題的情境應(yīng)充分考慮延展特性，規(guī)劃問題解決的延展進路，促進學(xué)生深度理解、整合物理概念，發(fā)展高階思維，實現(xiàn)高中物理復(fù)習(xí)課進階升華的目標(biāo).本文結(jié)合幾個課堂教學(xué)片段談?wù)劯咧形锢韽?fù)習(xí)課延展進路設(shè)計的思考.

1 “遞進式”延展，形成正確物理觀念

基于高中學(xué)生思維特點和水平層級，物理復(fù)習(xí)課架構(gòu)可以采用遞進的方式，通過問題情景的不斷變化和延展，引導(dǎo)學(xué)生拾級而上窺得概念或規(guī)律的全貌，在持續(xù)的、遞進的問題解決中深度理解物理知識的本質(zhì)，促進正確物理觀念的形成.

案例1：“磁場的疊加”復(fù)習(xí).

例1.紙面內(nèi)有3根通有電流大小均為I的長直絕緣導(dǎo)線，搭成等邊三角形放置，電流方向如圖1所示.紙面內(nèi)有3個點a、b和c分別位于該三角形3個頂角的平分線上，且各自到相應(yīng)頂點距離相同.試通過分析比較a、b和c處的磁感應(yīng)強度的大小，說明a、b和c處的磁感應(yīng)強度的方向.

圖1

延展1：a、b、c為3根垂直紙面放置的通電長直導(dǎo)線，電流大小相等，電流方向如圖2所示.3根導(dǎo)線橫截面恰好位于一等邊三角形的3個頂點上，試通過分析判斷三角形中心O處磁感應(yīng)強度的方向.

圖2

延展2：L1、L2和L3為3根垂直紙面放置的通電長直導(dǎo)線，電流大小均為I，L1與L2中的電流方向相同，與L3與中的電流方向相反，如圖3所示.3根導(dǎo)線的橫截面恰好位于一等邊三角形的3個頂點上，試分別畫出3根導(dǎo)線L1、L2和L3中電流所受安培力的方向，并求出3根導(dǎo)線L1、L2和L3單位長度所受的安培力大小之比.

圖3

設(shè)計意圖：例1中的情境設(shè)置需要學(xué)生通過右手螺旋定則分別判斷3根通電直導(dǎo)線分別在a、b、c處產(chǎn)生的磁場，再利用對稱性進行矢量合成進行分析.延展1主要是對例1情境中的3根導(dǎo)線的擺放方向進行改變，通過情景變化引導(dǎo)學(xué)生注重問題解決的科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)，幫助學(xué)生更深入、準(zhǔn)確地理解通電直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場的特點和矢量合成法則.延展1和例1相比較，兩者所鏈接的物理知識、方法具有一致性，但延展1對概念理解要求更深入，不僅需要掌握右手螺旋定則，而且將磁場方向具象為點與通電直導(dǎo)線垂線的垂直方向，可以得到a、b、c中電流產(chǎn)生的磁場在O點的方向分別為平行于bc向右、平行于ac指向右下方、平行于ab指向右上方，再借助于平行四邊形法則得到合場強的方向向右.延展2在延展1的基礎(chǔ)上更進一步，學(xué)生在能夠判斷合磁場的基礎(chǔ)上，進一步應(yīng)用安培定則判斷導(dǎo)線受到的安培力，完成了從“右手操作”到“左手操作”的切換，提高了復(fù)習(xí)過程對物理規(guī)律的再認(rèn)知和再建構(gòu).當(dāng)然，該問題的解決也可以直接利用通電直導(dǎo)線間的相互作用，判斷出b、c中電流對a中電流的作用力，進而通過力的合成解決問題.綜合兩種思路，課堂上多視角復(fù)習(xí)了矢量的獨立性和合成法則，引導(dǎo)學(xué)生從“定性分析”過渡到“半定量分析”，幫助學(xué)生建立正確的物理觀念，即力的觀念和場的觀念，由此復(fù)習(xí)教學(xué)可以進一步延展至環(huán)形電流磁場的疊加和相互作用等，提升學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)水平.

2 “助產(chǎn)式”延展，發(fā)展高階物理思維

蘇格拉底把教師比喻為“知識的產(chǎn)婆”.高中物理復(fù)習(xí)基于學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，“助產(chǎn)式”延展以“學(xué)生學(xué)情”為最近發(fā)展區(qū)，可以從一個“困難”出發(fā)，教師通過延展式的問題點撥，引導(dǎo)學(xué)生對情境中的信息進行整合，找到解決問題的邏輯脈絡(luò).在問題解決的過程中實現(xiàn)知識的復(fù)認(rèn)，促進學(xué)生創(chuàng)造性思維、邏輯思維、批判思維等高階物理思維水平的提升.

案例2：“回旋加速器”復(fù)習(xí).

例2.回旋加速器在核技術(shù)、核科學(xué)、核醫(yī)學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有力地推動了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展.回旋加速器的原理圖如圖4所示，D1和D2是兩個中空的半徑為R的半圓金屬盒，它們接在電壓一定、頻率為f的交流電源上.位于D1圓心處的質(zhì)子源A能不斷產(chǎn)生質(zhì)子（初速度可以忽略，重力不計），它們在兩盒之間被電場加速，D1和D2置于與盒面垂直、磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中.

圖4

（1）若質(zhì)子束從回旋加速器輸出時的平均功率為P，寫出輸出時質(zhì)子束的等效電流I與物理量P、B、R、f間的關(guān)系式（忽略質(zhì)子在電場中運動的時間，其最大速度遠小于光速）.

語音的過分規(guī)則化體現(xiàn)在節(jié)奏和韻律的使用上。詩人對詩中的節(jié)奏和韻律作了巧妙的安排，有助于傳遞一定的思想感情和意義。

（2）試推理說明：質(zhì)子在回旋加速器中運動時，隨軌道半徑r的增大，同一盒中相鄰軌道的半徑之差Δr是增大、減小還是不變？

設(shè)計意圖：回旋加速器是電磁學(xué)知識板塊中的重要內(nèi)容，也是高考的熱點和難點.筆者在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，教師們在復(fù)習(xí)時通常是以回旋加速器的構(gòu)造和原理為起點，然后引導(dǎo)學(xué)生分析粒子經(jīng)加速器加速后的最大動能、在回旋加速器中的運行時間等內(nèi)容，其本質(zhì)是讓學(xué)生重溫回旋加速器的原理，屬于“記憶式”鞏固，思維水平?jīng)]有得到提升.以例2為問題情境組織對回旋加速器相關(guān)內(nèi)容的復(fù)習(xí)，使得整個復(fù)習(xí)過程具有了延展性和創(chuàng)造性.

延展點1（信息整合）：例2題干中給出了半圓金屬盒的半徑R，粒子源是質(zhì)子，整合這兩個信息，可以分析出質(zhì)子離開加速器時的速度v滿足則單個粒子出射時的動能可表示為

延展點2（邏輯思維）：例2中問題（1）需要尋找質(zhì)子束的等效電流I與物理量P、B、R、f間的關(guān)系，問題設(shè)計實現(xiàn)多個知識點的串接，問題解決需要學(xué)生有一定的邏輯思維能力.首先，利用電流的微觀表達式，將問題轉(zhuǎn)化為求單位時間內(nèi)流過的質(zhì)子數(shù)目，進而去尋找已知物理量與單位時間內(nèi)質(zhì)子數(shù)目的關(guān)系，整合題干中“質(zhì)子束從回旋加速器輸出時的平均功率為P”這一信息，可以得到，最終可得出學(xué)生根據(jù)平時的解題經(jīng)驗認(rèn)為求出了結(jié)果，不再關(guān)注表達式中還有未知的物理量信息，此時教師可以追問“結(jié)果中所有的物理量都已知么？”讓學(xué)生質(zhì)疑并將思維引向深處，思維“切換”到回旋加速器一直能給所有質(zhì)子加速的條件判斷，推理得出交變電源的頻率與質(zhì)子回旋頻率相同，即，整理可得

延展點3（批判思維）：例2中問題（2）的解決，可以讓學(xué)生先猜想再探究，通過猜想和探究，學(xué)生的思維得以串珠成鏈，質(zhì)疑能力和批判性思維得以提升.如果教師舍得放手讓學(xué)生猜，一定會有學(xué)生分別猜“Δr是增大”和“Δr是減小”，而且都能說出對應(yīng)的理由.這恰恰就是復(fù)習(xí)課堂的生長點，由此展開推理能夠最大限度地激發(fā)學(xué)生的探究欲望，在對比中得到結(jié)論Δr是減小的.當(dāng)然，教師要規(guī)范學(xué)生的思維進路，對推理過程中的錯誤及時糾正，如對“同一盒中相鄰軌道的半徑之差”的理解，通常情況下學(xué)生的思考是粒子連續(xù)加速動能的增量為eU，而對于同一盒中相鄰軌道的動能差值應(yīng)該是2eU.

與“遞進式”延展相比，“助產(chǎn)式”延展是在解決一個具體的問題過程中引導(dǎo)學(xué)生調(diào)用原有的物理認(rèn)知和解題經(jīng)驗在不斷地整合信息、質(zhì)疑和推演的過程中解決問題.在解決了具體的問題后也可以根據(jù)學(xué)生的實際進行“遞進式”延展.比如例2問題的解決，不僅幫助學(xué)生有效復(fù)習(xí)了回旋加速器原理、粒子出射能量和軌道分布等知識內(nèi)容，還可以進一步改變問題情境進行延展，引導(dǎo)學(xué)生解決生活中的真實問題，如江蘇省2021年高考第15題，在回旋加速器中加“靜電偏轉(zhuǎn)器”，改變粒子引出的軌道，要求學(xué)生分析加入偏轉(zhuǎn)器極板厚度和磁場區(qū)域的分布空間等.這樣的延展教學(xué)抬升了教學(xué)目標(biāo)，使其指向?qū)W生創(chuàng)造性思維的發(fā)展.

3 “整合式”延展，助窺“大概念”物理

獨木不成林！高中物理復(fù)習(xí)教學(xué)更應(yīng)注重物理概念復(fù)習(xí)的“整合式”延展，通過問題情境的設(shè)置使學(xué)生熟悉某個物理知識模塊的全貌，甚至整個高中物理概念的大框架.在解決問題過程中隨著學(xué)生對所學(xué)知識、方法的復(fù)認(rèn)同步提升解決復(fù)雜問題的能力和素養(yǎng).

案例3：“力學(xué)綜合”復(fù)習(xí).

例3.（2022年南通二模第14題）如圖5（甲）所示，在光滑水平面上有A、B、C3個小球，A、B兩球分別用水平輕桿通過光滑鉸鏈與C球連接，兩球間夾有勁度系數(shù)足夠大、長度可忽略的壓縮輕彈簧，彈簧與球不相連.固定住C球，釋放彈簧，球與彈簧分離瞬間桿中彈力大小F=10N，已知A、B兩球的質(zhì)量均為m1=0.2kg，C球的質(zhì)量m2=0.4kg，桿長L=1.0m.彈簧在彈性限度內(nèi).

圖5

（1）求彈簧釋放的彈性勢能Ep；

（2）若C球不固定，求釋放彈簧后C球的最大速度v；

（3）若C球不固定，求釋放彈簧后兩桿間夾角第1次為θ=120°時，如圖5（乙），A球繞C球轉(zhuǎn)動的角速度ω.

設(shè)計意圖：利用這道題可以組織“多向”延展教學(xué).從問題情景看，涉及的知識整合了牛頓運動定律、動量守恒定律、系統(tǒng)機械能守恒定律等內(nèi)容；從學(xué)生答題看，若要完整解答，需調(diào)動頭腦中幾乎所有的力學(xué)知識和解題經(jīng)驗；從教師講評看，講評時可以通過此題進一步延展，串接整個高中力學(xué)知識內(nèi)容，通過對物理模型拆解和遷移，物理知識和規(guī)律在解決問題的過程中得以不斷整合.

延展點1（整合動量守恒、系統(tǒng)機械能守恒、圓周運動）：分析例3中第（1）問時，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)題中所給力學(xué)情境，適當(dāng)拆解并重新建模，如圖6所示.彈簧釋放瞬間，A、B兩球即獲得彈簧釋放的彈性勢能（勁度系數(shù)足夠大的“特殊彈簧”）.該過程同時滿足水平方向動量守恒，A、B兩球的動量等大、反向，此時兩球速度大小設(shè)為v0，由系統(tǒng)機械能守恒可得程.

圖6

延展點2（整合牛頓第二定律瞬時性）：分析例3中第（2）問時，基于C球不固定情境下，3球組成的系統(tǒng)動量守恒且總動量始終為0.從對稱性分析，C球沿兩桿所夾角的平分線做直線運動；從瞬時性分析，速度有最大值說明加速度有反向的過程，C球速度最大時加速度為0，此時A、B、C3球共線，A、B兩球速度大小相等.；釋放瞬間，兩球繞C球做圓周運動（圖6中獨立出A球），根據(jù)牛頓第二定律建立向心力方

延展點3（整合運動合成與分解、相對運動）：分析例3中第（3）問時，引導(dǎo)學(xué)生理解“相對圓周運動”模型，其目標(biāo)指向“線速度”“角速度”等物理概念與運動的合成與分解、圓周運動規(guī)律的整合.如圖7所示，B、C兩球的速度關(guān)系滿足vBy=（設(shè)C球運動方向為y軸負(fù)方向），結(jié)合系統(tǒng)動量與能量關(guān)系完成解答（不要延展到整合非慣性系中進行受力分析的問題）.

圖7

與“遞進式”延展和“助產(chǎn)式”延展相比，“整合式”延展的知識跨度更大、思維水平更高.在情境設(shè)計上首先考慮知識的融合度和學(xué)生學(xué)習(xí)進階的進路，如上述“例3”問題情境的設(shè)置，3個問題思維進階進路明顯，借助相互關(guān)聯(lián)的物理內(nèi)容，學(xué)生在“識?！被A(chǔ)上“拆?！痹佟敖！保瑹o論是物理概念的整合和思維素養(yǎng)的提升都有序延展.如果從學(xué)生解答的錯點出發(fā)，展示引起學(xué)生模型負(fù)遷移的問題情境進行“助產(chǎn)式”延展，學(xué)生對物理模型的建立、規(guī)律的應(yīng)用將有更高的辨識度，對物理核心概念的理解將更加深入.