基于物理学科核心素养的高三习题设计和教学——以考查点电荷电场的几道高考试题为例

四川 李 刚

(作者单位：四川省攀枝花市第三高级中学校)

在高三阶段，习题设计和习题教学对学生的重要作用毋庸置疑，且近几年的高考试题对问题情境的创设颇具新意，体现了对核心素养中科学思维的多维度考查。为了培养学生物理学科核心素养，教师需要在习题设计中创设问题情境，适当提升知识和技能的复杂程度。在进行习题教学时应当利用思维导图帮助学生树立物理观念，强化实际情境与物理模型的转换，培养科学思维中的模型建构能力，重视一题多解，培养科学思维中的科学推理能力。

高考试题中常以两个或多个等量点电荷为背景考查电场的叠加与电场的性质，近年来，此类试题的问题情境创设从平面情境过渡到了立体空间情境，试题着重考查学生物理观念和科学思维的发展水平。现笔者基于近年来高考试题对物理学科核心素养的考查要求，对高三习题设计和习题教学的方法进行探索。

1 近三年全国卷考查点电荷电场的试题回顾

1.1 试题注重情境的创设

分析近三年考查点电荷电场的高考试题，不难发现试题均注重情境的创设。2019年全国卷Ⅲ第21题创设两等量异种点电荷固定在正方体的两个顶点上，比较另外两个顶点的电场和电势、判断电荷从a点移到b点电势能的变化的问题情境；2020年全国卷Ⅱ第20题创设等量异种电荷均匀分布在上下半圆的问题情境，考查点电荷电场强度的叠加、电势大小的判断。高考试题不仅考查知识本身，还注重在问题情境中考查学生运用基础知识综合解决实际问题的能力，这让学生对试题感觉既熟悉又新颖。

1.2 试题注重核心素养的考查

高考试题注重考查学生物理观念的发展水平。物理观念包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素，这些要素在高考电场的试题中都可能涉及。2019年全国卷Ⅲ第21题和2020年全国卷Ⅱ第20题是对物理观念的深入考查，学生不仅要知道电场是物质存在的一种形式，还要深入理解电场的性质，熟练掌握点电荷周围电场强度的计算公式、矢量合成遵循的规律等。如果学生掌握了等量点电荷电场分布的对称规律，就可以根据对称性快速解答等量点电荷电场相关试题。显然高考试题不仅要求学生具有物质观念，更需要学生具有清晰的物质观念。

高考试题注重考查学生科学思维的发展水平。科学思维包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，近三年考查点电荷电场的高考试题注重创设相对复杂的情境，点电荷数量也增至两个以上，电荷从简单的对称分布变化到了形状规则物体上的均匀分布，学生需要通过抽象概括，提炼出问题的本质，将描述的问题情境转化成物理情境，建构熟悉的物理模型。

1.3 高考真题分析

【例1】(2019·全国卷Ⅲ·21)如图1所示，电荷量分别为q和-q(q>0)的点电荷固定在正方体的两个顶点上，a、b是正方体的另外两个顶点。则

( )

图1

A.a点和b点的电势相等

B.a点和b点的电场强度大小相等

C.a点和b点的电场强度方向相同

D.将负电荷从a点移到b点，电势能增加

【试题分析】试题创设了电荷分布在正方体的两个顶点的问题情境，考查点电荷电场强度的叠加、电势及电势能的判断。在解答此题时，学生需要具有清晰的物质观念，知道电场强度是矢量、电场强度的叠加遵循平行四边形定则，知道两个等量异种点电荷周围电场强度、电势分布情况，分析出a、b两点的电场强度和电势。学生还要具有清晰的能量观念，用电场力做功判断电势能的变化情况。

腰椎间盘突出是临床上一种较为常见的骨科疾病，该病主要因为突出部位压迫或刺激人体的组织结构或神经，从而让患者表现出腰背部疼痛、肢体麻木等症状，如果不得到及时有效的治疗，甚至会因为压迫患者神经引起患者行动能力丧失，严重影响到患者的生活质量[1]。磁共振成像与CT诊断是两种诊断腰椎间盘突出的常用方式，本文主要探讨二者在诊断腰椎间盘突出中显现出来的应用价值。

【例2】(2020·全国卷Ⅱ·20)如图2所示，竖直面内一绝缘圆环的上、下半圆分别均匀分布着等量异种电荷。a、b为圆环水平直径上的两个点，c、d为竖直直径上的两个点，它们与圆心的距离均相等。则

( )

图2

A.a、b两点的场强相等 B.a、b两点的电势相等

C.c、d两点的场强相等 D.c、d两点的电势相等

【试题分析】试题创设了异种电荷均匀分布在上、下半圆的问题情境，考查点电荷电场强度的叠加、电势大小的判断，学生需要经过科学推理，运用微元法抽象、概括、构建熟悉的两等量异种点电荷电场模型来分析各点的电场和电势大小，旨在考查学生物理观念中的“物质观念”和科学思维中的“模型建构”“科学推理”等学科核心素养。

2 基于发展学生学科核心素养进行习题设计

在高三备考中，习题主要发挥以下功能：促进学生形成合理的知识结构，进一步发展学生核心素养，发挥学科的育人功能，帮助教师改进教学。从习题的功能上看，习题教学是一个复杂的体系，它大致包含习题设计、习题完成质量分析及评价、习题讲评、习题再设计等要素，这些要素相互支撑、相互促进，构成了一个循环发展的体系。《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称“课标”)中的教学与评价建议指出：“要从培养物理学科核心素养的视角审视习题教学的目的，应通过习题教学，使学生在科学思维、探究能力、实践意识、科学态度等方面得到有效提升。”由此可见，教师要基于对课标、高考试题及学生的研究，充分发挥习题在高三教学中的功能，进一步发展学生的学科核心素养，提高学生解决实际问题的能力。

2.1 适当提升知识和技能的复杂程度有利于促进学生核心素养的进一步发展

在设计、编制高三习题时，教师应避免只考查一个知识点和一项技能的试题，建议适当提升习题所考查的知识和技能的复杂程度，这有利于促进学生形成合理的知识结构，促进物理观念的进一步发展。课标指出，物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。点电荷电场的习题可以考查物质观念、运动与相互作用观念和能量观念，如电场强度、电势是电场的性质，属于物质观念；考查带电粒子绕单个点电荷做圆周运动，或在两个等量同种点电荷连线的中垂面上做圆周运动，或在点电荷的场中做直线运动等，这些都属于运动与相互作用观念；在各种运动中涉及做功与能量的变化，可以考查学生的能量观念。这些考查视角将促进学生形成合理的知识结构，实现物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，促进学生物理观念的进一步发展。

2.2 创设问题情境有利于促进学生核心素养的进一步发展

课标命题建议中指出，试题的情境还要具有一定的问题性、真实性、探究性和开放性。在问题情境的创设上，点电荷电场的习题可以考虑将点电荷固定于三角形、平行四边形、正方形、正四面体和正方体的顶点上，也可固定于圆形、圆柱体和三棱柱上考查学生空间想象力，考查学生对问题的分析与推理能力，将问题情境中的对象转换成熟悉的模型，从而解决问题。

2.3 习题示例

( )

图3

A.除无穷远处之外，菱形外部电场强度处处不为零

B.当y0取某值时，可使得菱形内部只存在两个电场强度为零的点

C.当y0=8l时，将一带负电的试探电荷由点(4l，5l)移至点(0，-3l)，静电力做正功

D.当y0=4l时，将一带负电的试探电荷放置在点(l，l)处，其所受到的静电力方向与x轴正方向成45°倾斜向上

【试题分析】本题涉及的知识和技能的复杂程度较高，考查了点电荷电场强度的特点、电场的叠加、静电力做功等知识，试题深入考查学生的物理观念，有助于学生完善知识系统，进一步深入理解物理知识和物理规律，进一步发展物理观念。试题创设了四个等量同种点电荷分布在菱形四个顶点的问题情境，对学生几何知识和数学能力要求较高，要求学生经过科学推理，建构熟悉的物理模型，再根据对称性以及平行四边形定则综合分析与判断。抓住菱形外侧各个点电荷所产生的电场强度均指向外侧，结合电场强度的叠加规律，判断菱形外部电场强度能否为零；根据电场强度的叠加得出O点电场强度为零，结合对称性判断菱形内部是否只有两个电场强度为零的点；根据每个电荷对试探电荷的做功情况，判断静电力的做功情况；根据电场强度的叠加得出点(l，l)处的电场强度，从而得出试探电荷在该点所受的静电力方向。

3 基于发展学生学科核心素养进行习题教学

3.1 利用思维导图培养物理观念

思维导图是一种有效利用发散性思维的方法，它模拟人脑神经网络放射结构，以视觉形象化图示展现认知结构、外化大脑思维图谱。思维导图主要围绕一个中心主题，由主题、节点、连线、文字、图像和色彩等多种形式构成“树状”知识结构图，直观形象地表达人脑的思维特征。在物理教学中，思维导图为物理问题的解决提供了有效的途径。在点电荷电场习题教学中，教师可利用思维导图促进学生“物理观念”这一素养的进一步发展。课标指出，“学业质量水平4是用于高等院校招生录取的学业水平等级性考试的命题依据”。“物理观念”学科核心素养水平4的要求是“具有清晰的物理观念，能从物理学的视角正确描述和解释自然现象，能综合应用物理知识解决实际问题，能指导工作和生活实践”，学生如果能够轻松熟练地画出关于点电荷电场的思维导图(如图4所示)，说明学生具有了清晰的物理观念，就能更容易综合应用所学的物理知识解决实际问题。

图4

3.2 强化实际情境与物理知识的转换，培养科学思维能力

习题教学中，强化实际情境与物理知识的转换是促进学生科学思维这一核心素养发展的重要方式。学业质量水平4涉及“科学思维”这一核心素养的要求是“能将实际问题中的对象和过程转换成所学的物理模型；能对综合性物理问题进行分析和推理，获得结论并作出解释”，学科核心素养水平4的要求与学业质量标准基本一致。2020年全国卷Ⅱ第20题创设了异种电荷均匀分布在上、下半圆的问题情境，考查点电荷电场强度的叠加、电势大小的判断，这样的情境创设比较新颖，如果学生不能将实际情境转换成物理知识、建构物理模型，则无法进行作答。在比较电场强度时，教师要引导学生进行以下推理，实现实际情境与物理知识的转换(如图5所示)。

图5

通过以上科学推理、模型建构过程，学生科学思维的学科核心素养得到了进一步的发展。

3.3 重视一题多解，培养科学思维中的逻辑推理能力

2019年全国卷Ⅲ第21题创设了电荷分布在正方体的两个顶点的问题情境，考查点电荷电场强度的叠加、电势及电势能的判断，这样的问题情境是学生所熟悉的，但对学生的空间想象能力、科学思维能力要求较高。学生如果不能通过科学推理，构建出熟悉的等量异种点电荷电场的平面模型，或对等量异种点电荷电场的对称性理解不透彻，学生将很难解答此类问题。

课标学业质量水平4涉及“科学思维”这一核心素养提到：“能恰当使用证据证明物理结论；能对已有结论提出有依据的质疑，采用不同方式分析解决物理问题。”这要求教师要重视“一题多解”，进一步发展学生的科学思维能力。课标又提到：“教师引导学生经历物理概念的建构过程和物理规律的形成过程，是发展科学思维的重要途径。”如关于两等量异种点电荷连线的中点对称的两点的电场强度相等特点的分析，教师要引导学生通过科学推理得到其特点(如图6、图7所示)。

图6

图7

如果学生明确其特点，就可以运用矢量合成、电场分布对称性、电场线分布等方法比较出2019年全国卷Ⅲ第21题中a、b两点的电场强度，同时这也进一步培养了学生物理观念这一核心素养，提高了学生综合应用所学的物理知识解决实际问题的能力。

4 结语

高中物理教学中，要充分发挥习题教学的育人功能，在习题教学中要切实落实立德树人的根本任务，提升学生物理学科核心素养，为学生的终身发展奠定坚实基础。