“互联网+”条件下的物理习题重构策略思考＊

郑行军

科学、合理、具有实效性的习题对于评价学生的认知发展水平有重要的影响。随着信息通信技术的高速发展，以“互联网+”为主导的发展模式已经深入到教育领域。如何将互联网平台、新一代信息通信技术有效地融入到物理习题教学中，提高其有效性是当下物理教学研究的一项重要课题[1]。基于大数据等技术优势，对现有的物理习题设计进行创新与改革，使“互联网+”模式下的人机交互、人工智能等教育形式在物理习题教学中成为可能，努力构建“互联网+物理习题”教学新思路。

一、基于“互联网+”条件下的物理习题设计

1.以题型为主线重构习题体系。物理习题是实际物理现象和规律的简化、科学抽象和理想化过程[2]，具有典型的模型化特征。而学生解答物理习题就是在模型化的物理情境中灵活地应用物理知识和方法的过程，所以遵循认识模型→分析习题→探究过程→得出结论的解题策略，是解答物理习题的有效之路。教师在设计习题时以物理模型为主线，引导学生有意识地在物理情境中抽象出物理模型的解题意识，在命置与教学同步的练习检测卷时，以题型为主线，对全章知识进行模块化梳理，形成一个思路清晰、结构合理的习题资源系统，引导学生完成知识内容的建构、检测知识与技能、过程与方法、情感价值观等教学目标。

案例1机械能习题命题规划

根据章节知识特点、考纲要求和学生认知水平，将全章习题规划为基本概念、题型归类、实验探究三个模块重新归类，以题型为全章习题主体，引导学生模型化解题意识，实现学习进阶。（图 1）

图1

2.习题源分布设置呈现层次性和渐变性。习题的设计与选取是习题教学环节的关键点。科学的习题设置有利于贯穿知识点，开阔思路，调动学生的思维，培养应变能力，提高解题效率[3]。中学物理的学习无论是在知识深度上，还是在解决问题的方法上，学生都需要一个逐步学会的过程。因此，习题设计要注重层次性和渐变性，教师可以根据教学实践和学生反馈的信息，按照学生思维能力、维度系数和教学时段等教学指标，参照不同阶段习题教学需达成的能力要求，划分习题层次和创设由浅入深、由表及里的渐变式习题情境。习题层次间循序渐进，紧密衔接；习题背景与学习内容密切相关，通过不同的渐变式习题情境展现，引导学生由逻辑推理过渡到抽象的试题情境，实现对陌生情境问题的处理。根据学生的实际情况把握好基础题、中档题、难题的比例，通过对不同层次习题的解答了解学生对知识和物理思维方法掌握的程度。

表2 习题题型分布的设置划分标准

3.细化习题设置结构，体现学生思维发展进阶。教学反馈与其他反馈途径相比较，习题的教学反馈功能更加客观，教师通过布置的习题作业，了解学生对课堂知识和物理思维方法的掌握程度。习题考查的目的不仅能反映简单的结果对错和机械的公式呈现，而且能体现学生在解题中的过程分析和对物理方法的掌握程度。因此，习题的设置要进一步细化到过程和思维方法层面，测验试题不仅能体现学生对知识和技能的掌握，还能体现他们对物理过程和物理方法的掌握及知识的迁移能力。

案例2两类启动问题习题细化设置

两类启动问题是中学物理功率部分一个重要的知识点，作为一个实际的物理情景，本节课的设计意图在于培养学生利用物理规律宏观地分析物体运动规律动态变化过程的能力[4],在分析过程中涉及运动学、动力学、图象、瞬时功率、功能关系等知识，这对高一新生是一个比较难把握的知识点，因此，采用构建模型的方法找出两类启动中常见的动体模型和问题模型，帮助学生比较全面地掌握此类问题的命题方向和解题策略，对提高学生解题效率、活化知识结构是一种有效的教学手段。为了更好地反馈学生对动体模型和问题模型的掌握程度，进行习题情境设置时采用细化手段。

习题设计：某实验小组设计了一种装置用于提升货物，如图3所示，在水平面上固定一竖直杆，一绷紧的轻质缆绳通过无摩擦的定滑轮O与在高处的电动机相连，另一端和套在竖直杆上的质量为m的货物连接，开始时货物静止杆底端的A点。某时刻电动机以恒定的功率P卷动缆绳，拉着货物沿杆由A运动到B，已知货物运动到B点的速度大小为v，此时缆绳与竖直杆的夹角为θ，货物上升的高度为h，货物与竖直杆间的摩擦力恒为f，则下述说法正确的是（ ）

图3

D.从A到B过程中货物所受合力的大小和方向都在变化

①本题涉及的动体模型是（ ）

A.水平面恒定功率启动问题

B.水平面恒定牵引力启动问题

C.竖直面恒定功率启动问题 D.竖直面恒定牵引力启动问题

E.斜面恒定功率启动问题 F.斜面恒定牵引力启动问题

②本题涉及的问题模型有（ ）

A.涉及物体运动的最大速度、额定功率或阻力的物理量分析

B.涉及匀加速过程物体运动时间的物理量分析

C.功率恒定时，涉及物体速度和加速度关系的物理量分析

D.涉及某时刻牵引力的功率或某段时间牵引力做的功

E.涉及恒定功率时，物体运动位移与运动时间的关系

③本题您选择的答案是（ ）

问4：您认为通过该题目学习有哪些收获？（简答题形式）。

习题的细化设置，不仅得到了习题答案，还能很好地反映学生在解题过程的思维、方法、技巧呈现，依据大数据分析，计算机系统对学生的答题进行统计，提出智能化建议，并将数据适时反馈给教师，教师根据反馈的结果与建议，能更深层次地了解学生的学习行为、学习思维、学习态度、学习认知等信息，把握好后继的教学着重点。

4.以变式、关联重构物理习题，触发学生思维迁移。物理是一门以模型构建的学科，所有物理现象和物理规律都会依据一个基本的物理模型而衍生拓展，因此，在习题命题时，应根据物理学科特点，以模型为基本结构，不断附加相关信息，构建习题支架。教师在进行习题选取和设计时，可以根据学生当时的认知发展水平，科学合理地选择题源，对习题进行再构造，对题设条件信息合理延伸，不断地变化知识结构、思维方法，引导学生突破解题思维定式，触发思维迁移，实现学习效果的螺旋式上升。

案例2关联型习题设计

习题题源：如图4所示，汽车通过轻质光滑的定滑轮，将一个质量为m的物体从井中拉出，绳与汽车连接点距滑轮顶点高h，开始时物体静止，滑轮两侧的绳都竖直绷紧，汽车以速度v向右匀速运动，运动到跟汽车连接的细绳与水平夹角为30°，则（ ）

图4

A.从开始到绳与水平夹角为30°时，拉力做功mgh

B.从开始到绳与水平夹角为30°时，拉力做功mgh+mv2

C.在绳与水平夹角为30°时，拉力功率为mgv

D.在绳与水平夹角为30°时，拉力功率小于mgv

习题关联变式设计：某拍摄组在浙江横店拍摄动作片，要求演员从地面飞到屋顶。如图5所示，若特技演员质量m=50k g，导演在某房顶离地H=12m处架设了滑轮组（人和车都视为质点，且滑轮直径远小于H），不计一切摩擦。若轨道车从图中A匀速前进到B，速度v=10m/s，绳B O与水平方向的夹角为53°，则由于绕在轮上细钢丝的拉动，使演员由地面从静止开始向上运动。在车从A运动到B的过程中（取g=10m/s2，sin53°=0.8）（ ）

图5

A.演员上升的高度为1.5m

B.演员上升过程一直做匀加速直线运动

C.演员最大速度为3m/s

D.钢丝在这一过程中对演员做功为975J

试题设计分析：案例以斜拉牵引模型为基础考查变力做功、运动合成与分解、功率、约束型系统中物体运动的位移关系等知识点，题源以常规模型设置了信息条件进行考查，学生易于找出解题的关键要素，物理量的定量关系偏于机械式，无法深入反映学生对物理量本质关系的掌握程度。关联变式题在斜拉牵引常规模型的基础上引入电影拍摄的实际情境，使题目更贴近学生实际，为考查学生对题源中三个重要知识点（运动的合成与分解、位移关系和动能定理法求解变力做功）的掌握程度，本题在原有斜拉牵引模型的基础上附加了滑轮组模型，通过对原有习题的重构，能很好地检测学生是否真正理解速度关系和位移关系的内涵，从而提升其审题和综合分析能力。

5.科学组合物理模型，加强学生推理与综合分析能力。物理试题的一个重要功能是要考查学生能否把一个复杂问题合理分解并找出它们之间的隐含联系；能否提出解决问题的方法，运用物理知识综合解决所遇到的问题。因此，在进行习题命置时将两个或几个简单模型有机组合成一个新的习题也是一个很好的设计思路。

案例3组合型习题设计

习题设计：科技的发展，使人类在其它星球上生活成为可能。未来某一天，有位同学在某星球表面做了一个实验，间接估算出他所在星球的质量，实验装置如图6所示，将一滑块（可视为质点）放置于水平桌面上，滑块底端安装压力传感器，可直接测量出滑块对桌面的压力，对滑块施加一斜向上的拉力使滑块沿桌面向右加速运动，拉力传感器可测量出拉力的大小。当压力传感器读数为0时，该同学记下拉力传感器的读数为F。已知滑块与压力传感器的总质量为m，拉力方向与水平方向的夹角为θ，该星球的半径为R，引力常量为G，由上述信息可判断出以下结论正确的是（ ）

图6

习题设计：如图7所示，在水平地面上固定一光滑斜面，斜面由竖直部分A B和倾斜部分B C组成，已知竖直部分A B高度差H=1.25m，斜面倾角θ=37°。一同学将一根光滑金属杆弯成图示形状放置于斜面上，相应的曲线方程为y=-x2（单位：m），杆的顶端与斜面的A点衔接，杆的底端恰好与斜面接触但留有一小空隙，让一小环a套在杆上由金属杆的顶端无初速下滑，环滑至轨道底端时，由于环和斜面发生碰撞，使其只保留斜面方向的分速度，已知重力加速度为g，忽略空气阻力，求：

试题设计分析：试题组合了三个基本模型-万有引力定律、圆周运动和牛顿运动定律，以重力加速度为关联量考查了力的合成、牛顿运动定律及万有引力定律。组合题型的分析要求学生首先要了解基本模型的解题策略，然后以关联量为桥梁联立求解，即可突破此题的思维障碍。

6.有机整合物理模型与数学知识，提升应用数学处理物理问题的能力。数学与物理是两门紧密联系的学科，数学符号是物理概念、规律最常用的表述形式，是研究和解决物理问题的重要工具，扎实的数学功底和良好的数学建模能力是学好物理的基础。高考考纲明确要求学生能运用几何图形、函数图像表达、分析物理问题。在做物理习题时应体现出数学知识、数学方法的运用，提升学生综合分析能力。

案例4数理型习题设计

图7

（1）小环a滑至斜面时的速度大小；

（2）小环a与斜面碰撞后沿斜面方向的分速度？

试题设计分析：试题综合了曲线运动和曲线方程等多个知识点，解题策略需以曲线方程为切入点求出环滑至斜面的坐标，由动能定理求出环滑至斜面的速度大小，由函数导数求出速度与水平方向的夹角，利用运动的合成与分解求环与斜面碰撞后沿斜面方向的分速度，题目涉及运动的合成与分解、动能定理、二次函数和导数等数学和物理知识，是一道非常典型的数理型物理习题。

7.设计相配套的习题资源和后台评测系统。基于互联网平台的习题教学模式创造一种新的教育环境，使学生的学习结果呈现、学习效果反馈、学习互动、学习信息交流等教学要素得到了很大的提升，在大数据、云计算、多媒体等优势技术的支持下，试题与技术的融合不仅能检测学生对物理知识的整体掌握，还能体现他们在处理习题问题过程中的思维反应度。教师可以在线上对试题进行管理，对试题更改、整理、分类添加，测试题呈现可以采用选择、简答、计算等形式；学生在线上完成习题训练后，系统评分统计，并将测试结果反馈给教师，教师则可以及时了解学生的学习行为、学习需求和学习达到的程度等情况，并作出相应的决策，调整教学策略。

基于互联网平台的习题教学模式创造了一种全新的教学环境，使学生的学习能力和创新思维能力得到充分的发挥。相较于传统的习题设计，在信息技术条件下的物理习题重构细化了习题信息结构，提升了习题的检测反馈功能；深化了习题模型化构建的策略，在“互联网+”条件下，习题的交互和对比功能得以实现；技术和手段的有效融合，延伸了对学生推理能力、综合分析能力、应用数学分析物理问题能力的考查，很好地体现了新高考对学生的能力要求；使学生的学习行为和学习效果实时反馈、建构有效的教学评价体系、课内教学和课外监测的统一成为可能，为新课改实施有效性教学提供了科学依据。在“互联网+教育”的大趋势下，教师需要结合学生实际、物理教学要求等各项资源，积极研究习题结构，合理设计习题内容，优化教学系统，实现课堂教学和习题检测的双向统一。

图8 习题资源与后台评测系统

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[1]施先群.高中物理习题设计策略的实践与思考[J].理科考试研究，2014（1）.

[2]张平，包良桦.物理习题建模教学探析[J].教学月刊，2005（8）.

[3]刘志国.如何提高物理习题教学的有效性[J].考试周刊，2012（59）.

[4]谢宝华.直击汽车启动问题[J].数理化学习（高一二版），2015（11）.