核心素養(yǎng)背景下高中物理習(xí)題編制策略的探討

周洋洋

摘 ?要：習(xí)題編制是教師的一項(xiàng)基本功，也是每一位教師應(yīng)該具備的基本專業(yè)素養(yǎng)之一。高質(zhì)量的習(xí)題通過(guò)教師的講解可以很好地幫助學(xué)生梳理和完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而強(qiáng)化學(xué)生建模能力。本文通過(guò)三道試題為例，分析物理習(xí)題編制策略，從而促進(jìn)教師迅速地對(duì)舊題翻新，編制出高質(zhì)量習(xí)題。教師在不斷提升創(chuàng)新能力的同時(shí)，既能培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，又能讓學(xué)生逐漸從習(xí)題中解脫出來(lái)。

關(guān)鍵詞：習(xí)題編制;創(chuàng)新能力;建模能力

新課標(biāo)改革下，高考已從單純考查某些知識(shí)點(diǎn)向考查學(xué)生解決問(wèn)題和分析問(wèn)題方向轉(zhuǎn)變，要求考生在有限的考試時(shí)間內(nèi)更快、更準(zhǔn)確地完成試卷作答。物理學(xué)科作為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要組成部分，要著力培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維和創(chuàng)造能力，而習(xí)題訓(xùn)練是學(xué)生理解物理核心思想的重要組成部分。因此，精準(zhǔn)有效的習(xí)題編制能夠快速培養(yǎng)學(xué)生思維能力。然而隨著信息技術(shù)的發(fā)展，許多教師都習(xí)慣于從各大網(wǎng)站下載和拼湊現(xiàn)成的習(xí)題且大多都未經(jīng)過(guò)集體備課討論和篩選直接印發(fā)給學(xué)生，從而導(dǎo)致試題不具有針對(duì)性，降低課堂效率，不利于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)。本文將以幾道試題為例，幫助分析物理習(xí)題編制策略，從而進(jìn)一步有效促進(jìn)教學(xué)。

習(xí)題編制可以通過(guò)設(shè)問(wèn)形式主動(dòng)引導(dǎo)設(shè)計(jì)者去思考，去打破舊的思維模式，從而建立新思路。針對(duì)物理學(xué)科特點(diǎn)及考題經(jīng)常呈現(xiàn)的形式，筆者建議從下面三個(gè)方面入手進(jìn)行習(xí)題編制，如表1所示。

帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，是電磁學(xué)重要模塊，也是培養(yǎng)學(xué)生形成物理概念、解決物理問(wèn)題重要組成部分。下文將通過(guò)幾道試題出發(fā)，探討和分析如何通過(guò)習(xí)題編制構(gòu)建帶電粒子在有界場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)模型，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

一、欣賞高考真題，品味習(xí)題改編

例1 ?圖1是一種花瓣形電子加速器簡(jiǎn)化示意圖，空間有三個(gè)同心圓a、b、c圍成的區(qū)域，圓a內(nèi)為無(wú)場(chǎng)區(qū)，圓a與圓b之間存在輻射狀電場(chǎng)，圓b與圓c之間有三個(gè)圓心角均略小于90°的扇環(huán)形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。各區(qū)感應(yīng)強(qiáng)度恒定，大小不同，方向均垂直紙面向外。電子以初動(dòng)能Ek0從圓b上P點(diǎn)沿徑向進(jìn)入電場(chǎng)，電場(chǎng)可以反向，保證電子每次進(jìn)入電場(chǎng)即被全程加速，已知圓a與圓b之間電勢(shì)差為U，圓b半徑為R，圓c半徑為R，電子質(zhì)量為m，電荷量為e，忽略相對(duì)論效應(yīng)，取tan22.5°=0.4。

（1）當(dāng)Ek0=0時(shí)，電子加速后均沿各磁場(chǎng)區(qū)邊緣進(jìn)入磁場(chǎng)，且在電場(chǎng)內(nèi)相鄰運(yùn)動(dòng)軌跡的夾角θ均為45°，最終從Q點(diǎn)出射，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中帶箭頭實(shí)線所示，求Ⅰ區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小、電子在Ⅰ區(qū)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間及在Q點(diǎn)出射時(shí)的動(dòng)能;

（2）已知電子只要不與Ⅰ區(qū)磁場(chǎng)外邊界相碰，就能從出射區(qū)域出射。當(dāng)Ek0=keU時(shí)，要保證電子從出射區(qū)域出射，求k的最大值。

試題解答：（1）電子從P點(diǎn)出發(fā)經(jīng)過(guò)兩次電場(chǎng)加速，由動(dòng)能定理得：2eU=mv2 ①

電子進(jìn)入磁場(chǎng)I區(qū)域后開(kāi)始做圓周運(yùn)動(dòng)，由幾何關(guān)系可知電子圓周運(yùn)動(dòng)半徑：r=0.4R ②

由圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)：evB=m ③

t= ④

綜上所得：B= ?t= ?Ek=8eU

（2）要電子不與I區(qū)磁場(chǎng)外邊界相碰，需保證電子做圓周運(yùn)動(dòng)軌跡與I區(qū)磁場(chǎng)相切。

根據(jù)幾何關(guān)系得：r1+=R ⑤

此外，動(dòng)能定理得：2eU=mv-Ek0 ⑥

圓周運(yùn)動(dòng)得：ev1B=m ⑦

由以上各式得：k=

新高考模式下要求選拔綜合素養(yǎng)高、全方位發(fā)展的人才，這也對(duì)一線教師教育教學(xué)提出新的考驗(yàn)。教師在教學(xué)過(guò)程中要著力培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，要滲透物理規(guī)律的實(shí)質(zhì)，要讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和探究中培養(yǎng)科學(xué)思維。

（一）整體把握物理情景

該題以帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問(wèn)題作為載體，以帶電粒子在電場(chǎng)中的直線運(yùn)動(dòng)、磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)作為物理情境，粒子運(yùn)動(dòng)軌跡與生活中常見(jiàn)對(duì)稱圖形相符，切實(shí)考查學(xué)生對(duì)生活場(chǎng)景的進(jìn)一步理解以及考生對(duì)電磁場(chǎng)概念、運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)、動(dòng)能定理、圓周運(yùn)動(dòng)等基本知識(shí)的掌握情況，也對(duì)考生邏輯判斷推理和數(shù)學(xué)應(yīng)用等能力提出相應(yīng)要求（如圖2所示）。

（二）信息呈現(xiàn)形式與課程標(biāo)準(zhǔn)完全相符

本題是以生活中常見(jiàn)的對(duì)稱模型圖文并茂呈現(xiàn)，學(xué)生不陌生。從知識(shí)點(diǎn)考查角度來(lái)看，輻射狀電場(chǎng)分布與高中物理選修3-1中磁電式電流表中磁場(chǎng)輻射分布是一致的，著重考查考生在新高考下對(duì)知識(shí)遷移;另一方面，常規(guī)的考查動(dòng)能定理、圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)知識(shí)點(diǎn)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生以物理的科學(xué)視角去用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（三）亮點(diǎn)呈現(xiàn)

本卷中該題是最后一道壓軸題，避開(kāi)了以往復(fù)雜物理過(guò)程分析和計(jì)算，更加注重物理過(guò)程的分析，列式較少，計(jì)算方便快捷。題目還著重考查考生物理思維和將數(shù)學(xué)、物理結(jié)合到一起解決問(wèn)題能力，能有效提升考生對(duì)問(wèn)題分析判斷和綜合應(yīng)用能力，強(qiáng)化了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。

二、習(xí)題編制

例2 ?如圖3，兩個(gè)共軸的圓筒形金屬電極，外電極接地，其上均勻分布著平行于軸線的四條狹縫a、b、c和d，外筒的外半徑為r。在圓筒之外的足夠大區(qū)域中有平行于軸線方向的均勻磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B，在兩極間加上電壓，使兩圓筒之間的區(qū)域內(nèi)有沿半徑向外的電場(chǎng)。一質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子，從緊靠?jī)?nèi)筒且正對(duì)狹縫a的S點(diǎn)出發(fā)，初速為零。如果該粒子經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后恰好又回到出發(fā)點(diǎn)S，則兩極之間的電壓U應(yīng)是多少？（不計(jì)重力，整個(gè)裝置在真空中）

習(xí)題編制過(guò)程：

步驟一：明確考點(diǎn)

例1、例2均考查帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，尤其突出運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性。

步驟二：根據(jù)習(xí)題編制三條建議進(jìn)行逐條核查

能否他用或借用？將“加速運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)”用于“加速運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)”組合。

能否改變或替換？將“三次圓周運(yùn)動(dòng)”變?yōu)椤八拇螆A周運(yùn)動(dòng)”。

能否擴(kuò)大？可將例2中的外圓開(kāi)孔數(shù)增加為4、5、6…n。

步驟三：設(shè)計(jì)題目主干和問(wèn)題

即當(dāng)外圓開(kāi)五孔時(shí)，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡如何？與現(xiàn)實(shí)生活中“五片花瓣”進(jìn)行比較，依次拓展本題。

例3 ?如圖4所示，間距為L(zhǎng)的平行金屬板MN與一對(duì)光滑的平行導(dǎo)軌相連，平行導(dǎo)軌間距為d，平行導(dǎo)軌右側(cè)與阻值為R的電阻連接。一根阻值為r的導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌垂直且以速度v0沿導(dǎo)軌向右勻速運(yùn)動(dòng)，棒的右側(cè)存在一個(gè)垂直紙面向里，大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。當(dāng)棒進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，粒子源P釋放一個(gè)初速度為零的帶負(fù)電的粒子，已知帶電粒子的質(zhì)量為m（重力不計(jì)）、電量為q，粒子經(jīng)電場(chǎng)加速后從M板上的小孔O穿出，在板的上方，有一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，已知外圓的半徑為2d，內(nèi)圓的半徑為d，兩圓的圓心與小孔重合，求：

（1）粒子到達(dá)M板的速度大小v;

（2）若粒子不能從外圓邊界飛出，則環(huán)形區(qū)域內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度最小為多少？

步驟一：明確考點(diǎn)

例1與例3考查帶電在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，重點(diǎn)考慮如何尋找邊界臨界條件。

步驟二：根據(jù)改編建議進(jìn)行逐條核驗(yàn)

改變條件：將“輻射狀電場(chǎng)分布”變成“平行板電容器”。

題干條件發(fā)生變換：將“直接給定電場(chǎng)”替換為“電磁感應(yīng)中單棒切割產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)問(wèn)題”。

知識(shí)點(diǎn)考查擴(kuò)大：增加電磁感應(yīng)和閉合電路歐姆定律的考查。

步驟三：設(shè)計(jì)提問(wèn)

本習(xí)題編制側(cè)重于對(duì)有界磁場(chǎng)中邊界問(wèn)題的考查，弱化粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)稱性問(wèn)題考查。

例2和例3均研究的是帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，其與高考題例1有很多相似點(diǎn)。例2側(cè)重于對(duì)粒子軌跡的考查，例3則側(cè)重于對(duì)有界問(wèn)題的考查，這就要求習(xí)題編制者根據(jù)教學(xué)目標(biāo)確定模型、根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況確定難度。如考哪部分知識(shí)點(diǎn)？知識(shí)點(diǎn)以什么形式呈現(xiàn)（選擇、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算等）？該習(xí)題是用于新課、習(xí)題課還是綜合復(fù)習(xí)課？只有命題者明確考查的具體知識(shí)點(diǎn)和方向，才能更好地編制出高質(zhì)量且有針對(duì)性的習(xí)題。

三、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)高考真題和兩道習(xí)題編制分析發(fā)現(xiàn)，有針對(duì)性的變式訓(xùn)練是訓(xùn)練學(xué)生思維能力、培養(yǎng)學(xué)生物理科學(xué)素養(yǎng)的有效手段。習(xí)題編制的三條建議不僅可以為老師提供高效的習(xí)題甄別方法，從而提高課堂效率，也可以讓學(xué)生從題海中解脫出來(lái)，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部. 2017年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試大綱正式公布[EB/OL]. （2016-10-14）.

[2]李春亞. 談“等效重力法”在2018年全國(guó)高考題中的應(yīng)用及拓展[J]. 物理教師，2019，40（01）：86-87.

[3]宋寶，柳玉梅. 2019年高考理綜新課標(biāo)Ⅰ卷物理第21題的解析與啟示[J]. 廣東教育（高中版），2019（07）：80-82.

[4]劉丹，錢長(zhǎng)炎. 2017年高考理綜卷（全國(guó)卷Ⅰ）物理第25題解析及啟示[J]. 物理教師，2018（04）：75-78.

（責(zé)任編輯：羅 ?欣）